DE10118793B4

DE10118793B4 - UV-Festkörperlaser

Info

Publication number: DE10118793B4
Application number: DE10118793A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Zanger; Manfred Salzmann
Original assignee: Crylas Crystal Laser Systems GmbH
Current assignee: Crylas Crystal Laser Systems GmbH
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2021-04-06
Also published as: DE10118793A1

Abstract

Laseranordnung zum Erzeugen eines UV-Laserstrahls (8) einer vorbestimmten Frequenz, mit – einer Laserquelle (12) zum Erzeugen eines Laserstrahls (7) mit einer ersten Frequenz, – wobei die Laserquelle (12) ein aktives Medium (16) und einen ersten Resonator umfaßt, in dem sich das aktive Medium (16) und ein erster nicht-linearer Kristall (10) befinden, – wobei der erste nicht-lineare Kristall (10) ausgebildet ist, den Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz zumindest teilweise in einen Laserstrahl (20) mit einer zweiten, gegenüber der ersten Frequenz verdoppelten Frequenz umzwandeln, – einem zweiten nicht-linearen Kristall (11), der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zumindest teilweise in den Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten, gegenüber der ersten Frequenz vervierfachten Frequenz umzuwandeln; und mit – einem linearen zweiten Resonator, der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zu speichern und der auf die zweite Frequenz resonant abgestimmt ist, indem seine optische Länge ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz beträgt, wobei der zweite Resonator einen ersten Resonatorspiegel (4), der ausgebildet ist, sowohl elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz als auch elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz zu reflektieren, und einen zweiten Resonatorspiegel (19) aufweist, der ausgebildet ist, sowohl elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz als auch elektromagnetische Strahlung mit der vorbestimmten vervierfachten Frequenz zu reflektieren, – wobei der erste und der zweite nicht-lineare Kristall (11) im zweiten Resonator platziert sind dadurch gekennzeichnet, – daß der zweite Resonator zusätzlich eine planparallele Platte (25) aufweist, die derart zwischen dem ersten und zweiten Resonatorspiegel (4 und 19) angeordnet ist, daß der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz in einem Brewsterwinkel auf die planparallele Platte trifft, wobei der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz parallel zur Einfallsebene auf die planparallele Platte (25) polarisiert ist ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Laseranordnung umfaßt herkömmlicherweise einen ersten nicht linearen Kristall, der ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit einer ersten Frequenz zumindest teilweise in einen Laserstrahl mit einer zweiten Frequenz umzuwandeln, wobei die zweite Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Frequenz beträgt. Ferner umfaßt sie einen zweiten nicht linearen Kristall, der ausgebildet ist, den Laserstrahl mit der zweiten Frequenz zumindest teilweise in den Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenz umzuwandeln, wobei die vorbestimmte Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten Frequenz beträgt. Wegen der hohen Lebensdauer und hohen Effizienz werden heute zunehmend Halbleiterlaser oder diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS-Laser) als Laserquellen zur Erzeugung des Laserstrahls mit der ersten Frequenz eingesetzt. Eine Laserquelle besteht aus einem Laserresonator und einem aktiven Medium. Das aktive Medium wird zur Emission von Licht angeregt, das in dem Laserresonator gespeichert und verstärkt wird. Die Verstärkungsbandbreite des aktiven Mediums ist derjenige Frequenzbereich elektromagnetischer Strahlung, in dem das aktive Medium zur Emission von kohärenter elektromagnetischer Strahlung angeregt werden kann. Die Laserquelle emittiert dann beispielsweise kontinuierliche Laserstrahlung im roten oder infraroten Spektralbereich. Die Umwandlung der Laserstrahlung in einem nicht linearen Kristall wird auch nicht lineare Konversion genannt. Durch mehrfache nicht lineare Konversion kann beispielsweise aus Laserlicht im infraroten Spektralbereich Laserlicht im ultravioletten Spektralbereich erzeugt werden. Hierfür werden nicht lineare Kristalle verwendet, die in der Lage sind, den Laserstrahlen mit der ersten Frequenz, im folgenden Grundfrequenz genannt, zu vervielfachen, oder allgemeiner zu konvertieren, um einen Laserstrahl mit vorbestimmter Frequenz zu gewinnen. Am häufigsten werden nicht lineare Kristalle benutzt, um die doppelte Frequenz einer Grundfrequenz zu erzeugen, aber auch höhere Summen- und Differenzfrequenzen zweier Grundfrequenzen können erzeugt werden. Zum Beispiel kann aus der häufig verwendeten Wellenlänge 1064 nm des Festkörperlasermaterials Nd:YAG durch zweimalige Frequenzverdopplung eine Wellenlänge von 266 nm erzeugt werden, für die es vielfältige industrielle Anwendungen gibt. Bei DPSS-Lasern erfolgt die erste nicht lineare Konversion zur Erzeugung der sichtbaren Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 532 nm häufig im Laserresonator selbst (”Intracavity” Verdoppelung oder ”interne” Verdoppelung). Ein im Laserresonator eingebrachter nicht linearer Kristall erzeugt einen Laserstrahl mit der doppelten Frequenz. Der Strahl mit der doppelten Frequenz einer Grundwelle wird im folgenden auch zweite Harmonische genannt.
Alternativ dazu kann die Erzeugung der zweiten Harmonischen außerhalb des Laserresonators erfolgen. Da die direkte nicht lineare Konversion kontinuierlicher Laserstrahlung in einem nicht linearen Kristall viel zu ineffizient für eine praktische Anwendung ist, wird hierfür das bekannte Verfahren der resonanten Frequenzverdopplung in einem externen Resonator angewandt (siehe z. B. Schneider et al. Optics Letters, Vol. 21, 1996 Seite 1999). Die weitere nichtlineare Konversion zu noch kürzeren Wellenlängen wird dann in einem weiteren externen Resonator mit dem zweiten nicht linearen Kristall durchgeführt. Die Kombination eines entweder intern oder extern frequenzverdoppelten Laserstrahls mit einem resonanten Frequenzverdoppler, also einem externen Resonator mit einem frequenzverdoppelnden nicht linearen Kristall, der den frequenzverdoppelten Laserstrahl in einen Laserstrahl mit der vierfachen Frequenz der Grundwelle (vierte Harmonische) konvertiert, entspricht dem Stand der Technik für kontinuierliche UV-Festkörperlaser (siehe z. B. US 5,621,744 und US 5,696,780 ).
Das Prinzip der resonanten Frequenzverdopplung ist seit langem bekannt (siehe z. B. Ashkin et al. ”Resonant Optical Second Harmonie Generation and Mixing”, Journal of Quantum Electronics, QE-2, 1966, Seite 109; oder M. Brieger et al. ”Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator”, Optics Communications 38, 1981, Seite 423). Dabei wird ein Laserstrahl mit einer ersten Frequenz über einen teiltransparenten Einkoppelspiegel in einen optischen Resonator eingekoppelt, der auf die Frequenz des eingekoppelten Laserstrahls resonant abgestimmt wird. Der eingekoppelte Laserstrahl wird in dem optischen Resonator gespeichert, d. h. im Idealfall kann der Laserstrahl den Resonator nicht verlassen und läuft innerhalb des Resonators um. Aufgrund von Verlusten im Resonator nimmt die Leistung des eingekoppelten Laserstrahls jedoch mit der Zeit ab, wenn keine weitere Laserstrahlung in den Resonator eingekoppelt wird. Bei ständiger Energiezufuhr, d. h bei kontinuierlicher Einkopplung von Laserstrahlung, wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei dem die pro Zeit eingekoppelte Strahlung der pro Zeit aufgrund von Verlusten ausgekoppelten Strahlung entspricht. Im Gleichgewichtszustand ist die Leistung der im Resonator umlaufenden Welle konstant. Eine resonante Abstimmung des Resonators auf die Frequenz des eingekoppelten Laserstrahls liegt vor, wenn die eingekopplete Welle mit ein- oder mehrmals in dem Resonator umgelaufenen Wellen konstruktiv interferiert, um sich gegenseitig zu verstärken. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die optische Länge eines linearen Resonators mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung so eingestellt ist, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des eingekoppelten Laserstrahls beträgt. Im Fall eines Ringresonators liegt Resonanz vor, wenn die optische Länge des Resonators ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des eingekoppelten Laserstrahls beträgt. Unter diesen Bedingungen bildet sich im Resonator eine stehende Welle aus. Wenn die Verluste im Resonator gering sind und der teiltransparente Einkoppelspiegel mit einem günstig gewählten Reflexionsgrad versehen wird, so findet bei kontinuierlicher Einkopplung eine Resonanzüberhöhung statt, d. h. die Leistung des im Resonator umlaufenden Lichtstrahls ist größer als die Leistung des von außen einfallenden Lichtstrahls. Der Reflexionsgrad R des Einkoppelspiegels ist dann optimal, wenn R = 1 – V (1) gilt, wobei V die relativen Verluste des zirkulierenden Lichtstrahls bei einem Umlauf im Resonator bedeuten, im folgenden Resonatorverluste genannt. Unter dieser als Impedanzanpassung (”Impedance matching”) bezeichneten Bedingung beträgt der Überhöhungsfaktor (”enhancement”) A = 1/V, (2) d. h. der im Resonator zirkulierende Lichtstrahl hat die A-fache Leistung der eingestrahlten Lichtwelle bzw. des eingekoppelten Lichtstrahls. In der Praxis werden Überhöhungsfaktoren zwischen 100 und 200 erreicht.
Im Resonator befindet sich ein nicht linearer Kristall, welcher von dem zirkulierenden Lichtstrahl durchstrahlt wird und durch nicht lineare Konversion eine zweite Lichtwelle mit einer zweiten Frequenz erzeugt, die z. B. durch einen Resonatorspiegel, der bei dieser zweiten Frequenz transparent ist, aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Im Regelfall handelt es sich dabei um die doppelte Frequenz der Grundwelle, jedoch können durch nicht lineare Konversion auch höhere Harmonische oder Summen- und Differenzfrequenzen erzeugt werden. Wird ein Lichtstrahl mit der doppelten Frequenz der Grundwelle erzeugt, so wird dieser auch zweite Harmonische der Grundwelle oder einfach zweite Harmonische genannt.
Die Leistung P₂ der im nicht linearen Kristall erzeugten zweiten Harmonischen berechnet sich bei direkter, nicht resonanter Frequenzverdopplung gemäß P₂ = γ·P₁ ² (3) wobei P₁ die Leistung der in den nicht linearen Kristall eingekoppelten Grundwelle und γ der Konversionskoeffizient ist, der von der Wellenlänge, dem Strahldurchmesser im nicht linearen Kristall, den Materialeigenschaften des verwendeten nicht linearen Kristalls und der Länge des nicht linearen Kristalls abhängt. Im Fall der resonanten Frequenzverdopplung berechnet sich die Leistung P₂ der konvertierten Strahlung aus der resonanzüberhöhten Leistung P_1R = A·P₁ der Grundwelle im Resonator: P₂ = γ·P_1R ² = γ·A²P₁ ² (4)
Die Konversionseffizienz η ist das Verhältnis von konvertierter Leistung P₂ zur Grundwellenleistung P1 und berechnet sich demnach zu: η = P₂/P₁ = γ·A²P₁ (5)
Der Überhöhungsfaktor A = 1/V ist dabei im wesentlichen eine Konstante, da sich die Verluste V hauptsächlich aus Reflexionsverlusten an optischen Flächen und Streuverlusten im nicht linearen Kristall zusammensetzen. Die nicht lineare Konversion der eingekoppelten Grundwelle stellt einen Verlust an Leistung der Grundwelle im Resonator dar. Diese Verluste spielen bei niedrigen Leistungen der Grundwelle wegen der quadratischen Abhängigkeit des Konversionsprozesses eine untergeordnete Rolle, sodass der Überhöhungsfaktor A im wesentlichen unabhängig von der Leistung P₁ der eingestrahlten Grundwelle ist. Die Leistung der konvertierten Strahlung läßt sich also durch resonante Überhöhung um den Faktor A² ≈ 10000 steigern, wodurch praktikable Konversionseffizienzen zwischen 10% und 40% erreicht werden können.
Bei der Intracavity-Frequenzverdopplung in einem DPSS-Laser entsteht das sogenannte ”Green-Problem”, das nur durch aufwendige Gegenmaßnahmen vermieden werden kann. Der in den Laserresonator eingebaute nicht lineare Kristall führt zusammen mit dem sogenannten ”hole burning” Effekt zu einer nicht linearen Kopplung der verschiedenen Axialmoden im Laserresonator. Mit Moden eines Resonators werden diejenigen monochromatischen Lichtstrahlen bezeichnet, die im Resonator eine stehende Welle ausbilden. Mehrere Resonatormoden bilden sich in einem Laserresonator aus, wenn die Frequenzbandbreite des von dem aktiven Medium erzeugten Lichts mehrere Moden des Resonators überstreicht. Dann werden mehrere stehende Wellen bzw. Moden in dem Laserresonator erzeugt. Die Folge der Modenkopplung sind chaotische Intensitätsfluktuationen mit Modulationstiefen bis 100% und Frequenzen von einigen Hertz bis einigen 100 kHz. Es sind unterschiedliche Maßnahmen zur Vermeidung solcher Intensitätsfluktuationen bekannt. So kann z. B. die Resonatorlänge so groß gewählt werden, dass eine besonders große Anzahl Axialmoden (Größenordnung 200) im Resonator angeregt wird. Bei einer bestimmten Anordnung und sorgfältiger Justierung können dann geringe Rauschwerte von 0.3% und weniger erreicht werden (siehe US 5,638,388 ), Bei einem anderen Ansatz wird Einmodenbetrieb erzwungen, wodurch eine Kopplung mehrerer Moden von vornherein ausgeschlossen wird. Dabei werden unterschiedliche Konzepte angewandt, um diesen Einmoden- oder Single-Mode-Betrieb zu erreichen: Die Ausführung als Ringlaser (verhindert hole burning), das Einbringen frequenzselektiver Elemente wie Eta-Ions (Unterdrückung anderer Moden), der Twisted Mode Resonator (verhindert hole burning wie der Ringresonator), der Microchip-Laser (Resonatorlänge so kurz, dass nur eine Mode in das Verstärkungsprofil paßt) und das Prinzip der gekoppelten Resonatoren unterschiedlicher Länge (innerhalb des Verstärkungsprofils kann nur eine gemeinsame Mode beider Resonatoren anschwingen). Alle diese Methoden sind sehr aufwendig und führen dazu, dass die Herstellungskosten von Intracavity-frequenzverdoppelten DPSS-Lasern sehr hoch sind. Der technische Aufwand zur Vermeidung des ”Green Problem” ist unabhängig von der angestrebten Ausgangsleistung des Lasers, wodurch die Herstellungskosten für Laser mit geringer Ausgangsleistung nur wenig niedriger sind als für Laser mit hoher Ausgangsleistung.
Damit der Konversionskoeffizient brauchbare Werte annimmt, muß im nicht linearen Kristall Phasenanpassung vorliegen. Phasenanpassung liegt vor, wenn alle in dem nicht linearen Kristall erzeugten Strahlen mit konvertierter Frequenz konstruktiv miteinander interferieren, so dass ein Strahl mit maximaler Intensität erzeugt wird. Dazu ist erforderlich, dass die erzeugten Laserstrahlen eine feste Phasenbeziehung zueinander aufweisen. Dies ist genau dann der Fall, wenn der Brechungsindex des Kristalls bei der unkonvertierten Wellenlänge gleich groß wie sein Brechungsindex bei der konvertierten Wellenlänge ist. Die Phasenanpassung kann durch Winkelabstimmung (kritische Phasenanpassung) oder durch Temperaturabstimmung (unkritische Phasenanpassung) erfolgen. Die unkritische Phasenanpassung beruht auf der Abhängigkeit des Brechungsindexes eines Kristalls von dessen Temperatur. Wird die Temperatur geeignet eingestellt, so entspricht der Brechungsindex für die eingestrahlte Grundwelle dem Brechungsindex des konvertierten Strahls. Bei unkritischer Phasenanpassung ist im allgemeinen die Effizienz der Konversion höher und das Strahlprofil des konvertierten Strahls von höherer Qualität, d. h. näher an der gewünschten Gauß'schen Strahlform. Die derzeit verfügbaren Kristallmaterialien ermöglichen jedoch nur für wenige, schmale Wellenlängenbereiche die Anwendung der unkritischen Phasenanpassung. Insbesondere existiert zur Zeit kein Kristallmaterial, mit dem Laserlicht im tiefen UV-Bereich mit unkritischer Phasenanpassung erzeugt werden kann.
Die kritische Phasenanpassung beruht auf der Abhängigkeit des Brechungsindex eines Kristalls von der Richtung, in der ein Lichtstrahl durch den Kristall propagiert. Solche Kristalle werden als doppelbrechende Kristalle bezeichnet. Der Brechungsindex ist also sowohl von der Frequenz also auch von der Ausbreitungsrichtung einer monochromatischen elektromagnetischen Welle abhängig. Bei geeigneter Wahl der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle mit der ersten Frequenz und der konvertierter Welle mit der zweiten Frequenz ist der Brechungsindex für die Grundwelle gleich dem Brechungsindex für den konvertierten Strahl. Die Effizienz der nicht linearen Konversion in kritisch phasenangepaßten Kristallen wird durch den sogenannten Walk-Off-Effekt, eine Folge der Doppelbrechung, reduziert (siehe z. B. Boyd et al., Journal of Applied Physics 39, 1968, Seite 3597). Der Walk-Off-Effekt bezeichnet die Tatsache, dass bei kritischer Phasenanpassung die Ausbreitungsrichtung der Grundwelle und der konvertierten Welle im nicht linearen Kristall unterschiedlich ist. Das für die UV-Erzeugung häufig verwendete Kristallmaterial BBO weist einen besonders großen Walk-Off-Effekt auf. Der Walk-Off-Effekt hat darüber hinaus eine ungünstige Auswirkung auf das Strahlprofil des konvertierten Laserstrahls. Wie in der DE 19832 647 dargestellt wird, weist das Strahlprofil im Nahfeldbereich, der sich bei typischen Bedingungen über einen Abstand von einigen 10 cm bis 1 m von der Strahlquelle erstreckt, Interferenzstreifen auf, die das Strahlprofil für viele Anwendungen in diesem Entfernungsbereich unbrauchbar machen. Durch die Anwesenheit von abbildenden optischen Elementen innerhalb des Nahfeldbereiches kann das interferenzartig verzerrte Strahlprofil sogar bis ins Unendliche ausgedehnt werden. In der DE 198 32 647 werden Maßnahmen beschrieben, die verhindern sollen, dass das Strahlprofil im Fernfeld solche unerwünschten Verzerrungen aufweist. Es werden jedoch keine Maßnahmen zur Verbesserung des Strahlprofils im Nahfeld angegeben.
In der US 5,696,780 wird der infrarote Strahl eines kontinuierlichen Multimode-Festkörperlasers intern frequenzverdoppelt und anschließend in einem externen passiven Resonator zur vierten Harmonischen konvertiert. Die Neigung zum Intensitätsrauschen durch das ”Green Problem” wird hier unter anderem durch eine große Anzahl von Axialmoden im Laserresonator reduziert. Der Ausgangsstrahl des Festkörperlasers mit einer Zentralwellenlänge von 532 nm und einer großen Anzahl von Axialmoden wird resonant in einen passiven optischen Resonator eingekoppelt, der im wesentlichen die gleiche optische Länge wie der Laserresonator besitzt. Dadurch können alle Axialmoden der eingekoppelten Grundwelle simultan resonant überhöht werden. Ein nicht linearer Kristall im passiven Resonator verdoppelt die Frequenz der im Resonator umlaufenden Grundwelle, so dass ein frequenzverdoppelter Multimode-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 266 nm entsteht. Um eine große Anzahl von Axialmoden zu gewährleisten, die für die Vermeidung von Intensitätsrauschen notwendig sind, muß sowohl die Laserquelle als auch der passive Resonator eine große optische Länge in der Größenordnung 1 m besitzen. Die vorgeschlagene Anordnung stellt eine Kombination zweier komplexer Geräte mit physikalisch vorgegebenen Dimensionen dar und eignet sich daher weniger zur Realisierung von kompakten Laserstrahlquellen zur Erzeugung von kontinuierlichem UV-Laserlicht.
Die kontinuierlichen UV-Festkörperlaser nach dem Stand der Technik sind kostspielig in der Herstellung, anfällig im Betrieb und relativ groß in ihren äußeren Abmessungen, da es sich um eine Kombinationen zweier komplexer Geräte handelt: Beim Intracavity-frequenzverdoppelten DPSS-Laser sind aufwendige Maßnahmen zur Reduzierung des Rauschens erforderlich, wie schon weiter oben erläutert wurde. Die anschließende Erzeugung der vierten Harmonischen in einem passiven optischen Resonator ist mit einem vergleichbar hohen technischen Aufwand verbunden. Die Einkopplung der zweiten Harmonischen in den optischen Resonator sowie die Einhaltung der Resonanzbedingung ist sehr empfindlich gegenüber äußeren Einwirkungen, wie z. B. mechanische Vibrationen, Schallwellen und Temperaturänderungen, wodurch das gesamte System störanfällig wird. Der technische Aufwand ist nur wenig abhängig von der angestrebten Ausgangsleistung des UV-Lasers. Daher sind die Herstellungskosten für UV-Festkörperlaser nach dem Stand der Technik im unteren Leistungsbereich zwischen 1 mW und 100 mW unverhältnismäßig hoch.
Die Patentschrift US 5159602 A schlägt eine Anordnung für einen gepulsten UV-Laser vor, bei der sich zwei nicht lineare Kristalle innerhalb eines gemeinsamen Speicherrings befinden. Ein Laserimpuls eines modengekoppelten, gepulsten Festkörperlasers, im folgenden Grundimpuls genannt, wird durch einen ersten nicht linearen Kristall in der Frequenz verdoppelt. Der so erzeugte Laserimpuls mit doppelter Frequenz ist in dem Speicherring eingeschlossen, der zeitlich resonant auf die Wiederholfrequenz der Laserimpulse abgestimmt ist, d. h. die Umlaufzeit eines frequenzverdoppelten Laserimpulses im Ringresonator entspricht dem zeitlichen Abstand der von dem UV-Laser erzeugten Grundimpulse. Damit wird erreicht, dass der frequenzverdoppelte Laserimpuls zeitgleich mit dem Grundimpuls den ersten nicht linearen Kristall durchläuft. Dabei wird der Grundimpuls von dem ersten nicht linearen Kristall wiederum in einen frequenzverdoppelten Laserimpuls umgewandelt, der mit dem umlaufenden frequenzverdoppelten Laserimpuls in Phase ist. Durch die synchrone Überlagerung der im Ringresonator umlaufenden frequenzverdoppelten Laserimpulse ergibt sich eine Verstärkung des frequenzverdoppelten Laserimpulses, der in dem Speicherring umläuft. Dieser wird in einem zweiten nicht linearen Kristall wiederum zum Teil frequenzverdoppelt, so dass ein Laserimpuls mit einer vierfachen Frequenz gegenüber dem Grundimpuls erzeugt wird. Wegen der Verstärkung des frequenzverdoppelten Laserimpulses im Speicherring ergibt sich eine gesteigerte Konversionseffizienz sowohl bei der Erzeugung des frequenzverdoppelten als auch des frequenzvervierfachten Laserimpulses gegenüber einer zeitlich nicht resonanten Anordnung. Eine solche Steigerung der Konversionseffizienz ist notwendig, um einen zweimal konvertierten Laserstrahl mit ausreichender Intensität zu erzeugen. Denn bei der Frequenzkonversion wird lediglich ein gewisser Anteil des Laserimpulses frequenzverdoppelt. Diese Anordnung ist nicht dazu geeignet, einen zweimal frequenzverdoppelten kontinuierlichen Laserstrahl zu erzeugen, wenn ein pulsförmig modulierter Laserstrahl eingekoppelt wird. Der zweimal frequenzverdoppelte Laserstrahl ist dann weiterhin pulsförmig moduliert, wobei die Modulationsfrequenz der Wiederholfrequenz des Grundimpulses entspricht. Eine Resonanzbedingung für den Fall der Einkopplung eines kontinuierlichen Laserstrahls ist nicht offenbart. Ohne zusätzliche Maßnahmen eignet sich die vorgeschlagene Anordnung daher nicht für die Erzeugung eines kontinuierlichen UV-Laserstrahls mit hinreichender Intensität.
Aus der DE 42 28 862 A1 ist eine Laseranordnung bekannt, bei der ein Laserstrahl einer ersten Frequenz in einem zweiten Resonator mit zwei Frequenzverdoppler-Kristallen in einem UV-Laserstrahl konvertiert wird. Aus der US 6,031,854 A ist ein Kaskadenlaser aus zwei Festkörperlasern zur Erzeugung von UV-Licht bekannt. DE 197 19 901 A1 beschreibt einen Festkörperlaser mit Frequenztransformation mittels eines Temperatur-geregelten, gekoppelten Resonators. Kung et al., App. Phys. Letters V. 72, 13, p. 1542–1544 beschreibt die Erzeugung von UV-Strahlung unter Nutzung einer externen Kavität zur Erzeugung einer vierten Harmonischen eines Lasersystems. Aus US 6,005,878 A ist eine Laseranordnung bekannt, die zwei nichtlineare Optiken zur Konversion verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes und preiswertes Gerät zur Erzeugung eines Laserstrahls mit vorbestimmter Frequenz bereitzustellen, das geeignet ist, einen kontinuierlichen Laserstrahl mit einer ersten Frequenz in den Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenz zu konvertieren.
Zur Lösung der Aufgabe wird die folgende Anordnung benutzt: Ein erster Laserstrahl mit einer ersten Frequenz, kurz Grundwelle genannt, wird mittels eines ersten nicht linearen Kristalls in einen zweiten Laserstrahl mit einer zweiten Frequenz umgewandelt. Der Laserstrahl mit der zweiten Frequenz ist in einem Resonator gespeichert, d. h. dass der Laserstrahl in dem Resonator umläuft. Der Resonator ist auf die zweite Frequenz abgestimmt, so dass eine Resonanzüberhöhung des zweiten Laserstrahls stattfindet. Ein linearer Resonator ist beispielsweise genau dann auf die zweite Frequenz abgestimmt, wenn die optische Länge des Laserstrahls in dem Resonator ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des Laserstrahls beträgt. Alle Resonatorspiegel werden dazu für die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls hochreflektierend beschichtet und die Resonatorlänge wird mit einer geeigneten Vorrichtung, z. B. einem Resonatorspiegel auf einem Piezoelement, auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des zweiten Laserstrahls abgestimmt. Im Unterschied zu dem Laserresonator gemäß US 5159602 A wird der Resonator nicht auf die Wiederholfrequenz eines gepulsten Laserstrahls mit der ersten Frequenz sondern auf die Frequenz der zweiten Harmonischen abgestimmt. Diese Resonanzbedingung ist also nicht mehr abhängig von der Wiederholfrequenz eines gepulsten Laserstrahls, die bei einem kontinuierlich eingestrahlten Laserstrahl nicht existiert. Es liegt somit eine Resonanzbedingung vor, die sowohl für gepulste als auch für kontinuierliche Laserstrahlen mit der ersten Frequenz eingehalten werden kann. Der Laserstrahl mit der zweiten Frequenz bildet somit eine Mode des Resonators aus. Ein zweiter Kristall in dem Resonator bewirkt, dass der Laserstrahl mit der zweiten Frequenz in einen Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenz konvertiert wird. Mittels einer geeigneten Vorrichtung kann der Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenz aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Insbesondere handelt es sich bei der zweiten Frequenz um die doppelte Frequenz und bei der vorbestimmten Frequenz um die vierfache Frequenz der Grundfrequenz.
Vorteilhaft an der vorliegenden Erfindung ist ferner, dass aufgrund der externen Frequenzverdopplung das ”Green-Problem” vermieden wird. Die technisch Aufwendigen Verfahren zur Vermeidung des Green-Problems müssen nicht eingesetzt werden, so dass das erfindungsgemäße Gerät gegenüber Lasern mit interner Frequenzverdopplung einfacher und kostengünstiger ist. Gegenüber herkömmlichen Laser mit zwei externen Resonatoren, die auf die Grundwelle und die zweite harmonische resonant abgestimmt sind, wird mit dem erfindungsgemäßen Gerät eine zweimalige Konvertierung einer Grundwelle lediglich mit einem Resonator erzielt, so dass ein kompakteres und preiswerteres Gerät bereitgestellt werden kann.
Im folgenden werden vereinfachend die Bezeichnungen zweite und vierte Harmonische für den Laserstrahl mit der zweiten und vorbestimmten Frequenz verwendet, obwohl die Erfindung nicht auf diese speziellen Frequenzen beschränkt ist. Es folgt eine detaillierte Erläuterung der Erfindung:
Bei einem resonanten Frequenzverdoppler gemäß dem Stand der Technik der eingangs beschriebenen Art wird der Resonator auf die Frequenz der zu konvertierenden Grundwelle abgestimmt, um eine Resonanzüberhöhung der Grundwelle und somit eine gesteigerte Konversionseffizienz zu erzielen. Statt dessen wird der Resonator erfindungsgemäß auf die in einem ersten nicht linearen Kristall erzeugte zweite Harmonische abgestimmt. Obwohl die Intensität der in den Kristall eingestrahlten Grundwelle hierdurch nicht erhöht wird, findet auch in diesem Fall durch die Resonanz eine Erhöhung der Konversionseffizienz statt. Der Grund für die Effizienzerhöhung bei der erfindungsgemäßen Resonanzbedingung liegt in dem mehrfache Durchgang der zweiten Harmonischen durch den zweiten nicht linearen Kristall, im folgenden SHG-Kristall (second harmonic generation) genannt. Die im ersten nicht linearen Kristall erzeugte zweite Harmonische durchläuft den SHG-Kristall mehrfach und wird bei jedem Durchgang verstärkt. Die effektive Kristalllänge wird hierdurch um den Überhöhungsfaktor A des Resonators vergrößert. Da die Konversionseffizienz dem Quadrat der effektiven Kristalllänge proportional ist, wird die Leistung P_2R der im Resonator umlaufenden zweiten Harmonischen um den Faktor A² gesteigert.
Nach Ashkin et al. berechnet sich die Leistung P_2R gemäß P_2R = γ₁₂A²P₁ ² (6) wobei P₁ die Leistung der Grundwelle und γ₁₂ der Konversionskoeffizient des SHG-Kristalls bedeuten. Dabei wurde eine verlustfreie Kopplung der im Kristall erzeugten zweiten Harmonischen in die Mode des Resonators angenommen. Befindet sich im Resonator ein zweiter nicht linearer Kristall, im folgenden FHG-Kristall (fourth harmonic generation) genannt, der durch Frequenzverdopplung aus der umlaufenden zweiten Harmonischen eine vierte Harmonische erzeugt, so berechnet sich deren Leistung P₄ gemäß P₄ = γ₂₄P_2R ² = γ₂₄γ₁₂ ²/A⁴P₁ ⁴ (7) wobei γ₂₄ den Konversionskoeffizienten des FHG-Kristalls darstellt.
Das Erzielen einer höheren Konversionseffizienz bei der Erzeugung des Laserstrahls mit der vorbestimmten Frequenz mit dem erfindungsgemäßen Gerät, kann mit den nachfolgend beschriebenen zusätzlichen konstruktiven Merkmalen erreicht werden:
Der passive Resonator wird als linearer Resonator ausgeführt und der Laserstrahl des diodengepumpten Festkörperlasers wird nichtresonant in den passiven Resonator eingekoppelt.
Ein erster Resonatorspiegel ist erfindungsgemäß mit einer Beschichtung versehen, die hochreflektierend sowohl für die Grundwelle als auch für die zweite Harmonische ist, so dass der aus dem ersten nicht linearen Kristall austretende, nichtkonvertierte Anteil der Grundwellen von diesem ersten Resonatorspiegel in den Kristall zurückreflektiert wird. Die Grundwelle durchläuft somit zweimal den ersten nicht linearen Kristall. Die Konversion der Grundwelle in den Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenz erfolgt jedesmal, wenn die Grundwelle den ersten nicht linearen Kristall passiert, so dass eine höhere Konversion der Grundwelle erzielt wird. Mit kritischer Phasenanpassung erzeugt der Kristall zwei frequenzverdoppelte Laserstrahlen in entgegengesetzten Richtungen, die durch die Resonatorspiegel zu einer stehenden Welle vereinigt werden. Bei der idealen Phasenbeziehung zwischen Grundwelle und zweiter Harmonischer entspricht das zweimalige Durchlaufen des Kristalls in unterschiedlichen Richtungen einem einmaligen Durchlaufen eines doppelt so langen Kristalls. Da die Reflexion von Grundwelle und zweiter Harmonischer am Spiegel in verschiedenen tiefen Schichten stattfindet, entsteht eine Phasendifferenz. Durch Variation der Kristalltemperatur kann ein sehr feiner Abgleich der Phasendifferenz durchgeführt werden. Die relative Phasenlage zwischen der Grundwelle und der zweiten Harmonischen im ersten nicht linearen Kristall wird durch die Temperaturregelung des Kristalls so eingestellt, dass die Konversionseffizienz maximal ist. Im Idealfall kann dadurch erreicht werden, dass die in entgegengesetzte Richtungen erzeugten Anteile der zweiten Harmonischen phasenrichtig überlagert werden. Dies entspricht dem Fall eines ideal phasenangepassten Kristalls mit der doppelten Länge. In diesem Fall erhält man wegen der quadratischen Abhängigkeit der Leistung der zweiten Harmonischen von der Kristalllänge eine zweite Harmonische mit vierfacher Leistung, verglichen mit einem nur in einer Richtung durchstrahlten Kristall.
Ein zweiter Resonatorspiegel ist erfindungsgemäß mit einer Beschichtung versehen, die hochreflektierend sowohl für die zweite als auch für die vierte Harmonische ist, so dass der vom zweiten nicht linearen Kristall in eine erste Richtung erzeugte Teil der vierten Harmonischen und die zweite Harmonische von diesem zweiten Resonatorspiegel in den Kristall zurückreflektiert wird. Hierdurch wird die Konversionseffizienz bei der Erzeugung der vierten Harmonischen verbessert, da die in zwei entgegengesetzte Richtungen erzeugten Anteile der vierten Harmonischen zu einem Laserstrahl vereinigt werden. Dies entspricht wiederum dem Fall eines Kristalls mit doppelter Länge, so daß bei idealer Phasenanpassung eine vierfache Leistung der vierten Harmonischen gegenüber einer Leistung bei einmaliger Durchstrahlung des zweiten nicht linearen Kristalls erzeugt werden kann.
Die relative Phasenlage zwischen dem in eine zweite Richtung erzeugte Strahl und dem vom zweiten Resonatorspiegel zurückreflektierten Strahl der vierten Harmonischen wird durch eine Temperaturregelung des zweiten nicht linearen Kristalls so eingestellt, dass die beiden Strahlen konstruktiv interferieren und die Konversionseffizienz möglichst groß ist.
Im Resonator befindet sich erfindungsgemäß eine planparallele Platte, die im Brewsterwinkel zum zweiten Laserstrahl steht und deren Einfallsebene parallel zur Polarisationsrichtung des zweiten Laserstrahls ist, und die erste Fläche der planparallelen Platte ist mit einer Polarisationsstrahlteilerschicht versehen, die hochreflektierend für die Grundwelle und transparent für die zweite Harmonische ist, und die zweite Fläche ist mit einer Polarisationsstrahlteilerschicht versehen, die hochreflektierend für die vierte Harmonische und transparent für die zweite Harmonische ist, so dass die Einkopplung der Grundwelle in den Resonator als auch die Auskopplung der vierten Harmonischen aus dem Resonator über die planparallele Platte erfolgen kann.
Alternativ sind erfindungsgemäß Polarisationsstrahlteilerschichten zur Einkopplung der Grundwelle und zur Auskopplung der vierten Harmonischen direkt auf einer im Brewsterwinkel angeordneten Fläche des ersten bzw. des zweiten nicht linearen Kristall angebracht und eine weitere Fläche des ersten bzw. zweiten Kristalls ist antireflektiv beschichtet für die Grundwellenlänge bzw. für die Wellenlänge der zweiten Harmonischen. Alternativ zur nichtresonanten Einkopplung der Grundwelle werden der Laserresonator und der passive Resonator resonant gekoppelt, dadurch, dass die beiden Resonatoren einen gemeinsamen Resonatorspiegel und einen gemeinsamen Strahlabschnitt besitzen, in dem sich der erste nicht lineare Kristall befindet, während der aktive Laserkristall sich im nicht gemeinsamen Teil des Laserresonators und der zweite nicht lineare Kristall sich im nicht gemeinsamen Teil des passiven Resonators befindet, und die Trennung der Grundwelle und der zweiten Harmonischen durch einen Polarisationsstrahlteiler erfolgt.
Bei der resonanten Kopplung der beiden Resonatoren wird Einmodenbetrieb dadurch erreicht, dass entweder in den Laserresonator ein Etalon eingebracht wird, oder der Laserresonator aus zwei gekoppelten Teilresonatoren besteht, die innerhalb des Verstärkungsprofils des aktiven Laserkristalls nur eine gemeinsame Mode besitzen.
Mindestens die Eintritts- oder die Austrittsfläche des ersten oder des zweiten nicht linearen Kristalls weist eine zylindrische Krümmung auf und mindestens einer der Resonatorspiegel ist zylindrisch gekrümmt, so dass der Strahlquerschnitt der zweiten harmonischen eine elliptische Form besitzt, die den Walk-Off Effekt mindestens einer der beiden Kristalle reduzieren kann.
Die optische Länge des Resonators ist ein ganzzahliges Vielfaches der halben optischen Länge des Festkörperlaserresonators, so dass die verdoppelten Frequenzen aller vorhandenen Axialmoden des Festkörperlasers gleichzeitig resonant sind. Die Axialmoden des Lasers werden sämtlich von dem ersten nicht linearen Kristall konvertiert, so dass die zweite Harmonische mehrerer Axialmoden mit unterschiedlichen Frequenzen aufweist. Wird der Resonator nur auf eine der Frequenzen der Axialmoden resonant abgestimmt, so wird auch nur dieser Bestandteil der zweiten Harmonischen verstärkt. Die gewählte optische Länge des Resonators bewirkt, dass alle Moden der zweiten Harmonischen in dem Resonator resonant abgestimmt sind und damit gleichermaßen verstärkt werden.
Für mindestens einen der beiden nicht linearen Kristalle wird ein elektro-optisch aktives Material gewählt, das durch Anlegen eines hochfrequenten elektrischen Feldes an den Kristall eine Modulation der Resonatorlänge hervorrufen kann, so dass durch phasenempfindliche Detektion der Intensitätsmodulation der zweiten Harmonischen ein Fehlersignal für einen Regelkreis zur Verfügung steht, der in der Lage ist, die Resonatorlänge auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der zweiten Harmonischen zu einzustellen.
Alternativ ist der passive Resonator erfindungsgemäß ein Ringresonator mit zwei Spiegeln und zwei trapezförmigen nicht linearen Kristallen, wobei ein erster Resonatorspiegel als Einkoppelspiegel für die Grundwelle und als Auskoppelspiegel für die vierte Harmonische dient, und eine erste Fläche wenigstens eines nicht linearen Kristalls unbeschichtet ist und im Brewsterwinkel zur Laserstrahlung steht, und eine andere Fläche antireflektiv für die zweite Harmonische und für die Grundwelle oder die vierte Harmonische beschichtet ist.
Die Flächen wenigstens eines nicht linearen Kristalls sind zylindrisch gekrümmt, so dass sich im Resonator eine Grundmode ausbildet, die in wenigstens einem nicht linearen Kristall ein elliptisches Strahlprofil besitzt. Damit wird die Verzerrung des Strahlprofils aufgrund des Walk-Off-Effekts kompensiert, so dass sich ein im wesentlichen gaußförmiges Strahlprofil des Laserstrahls mit der vorbestimmten Frequenz ausbildet.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: eine einfach resonante Ausführungsform mit drei Resonatorspiegeln,
2: eine einfach resonante Ausführungsform mit zusätzlichem Polarisationsstrahlteiler,
4: eine einfach resonante Ausführungsform mit Polarisationsstrahlteiler auf den Kristallflächen,
4: eine doppelt resonante Ausführungsform mit Etalon,
5: eine doppelt resonante Ausführungsform mit gekoppelten Resonatoren,
6: eine doppelt resonante Ausführungsform mit Fox-Smith-Resonator,
7: eine einfach resonante Ausführungsform mit Ringresonator,
8: einen Ringresonator mit Faserkopplung,
9: einen Ringresonator mit Walk-Off-Kompensation durch elliptisches Strahlprofil,
10: den Verlauf der Strahlausdehnung im Resonator nach 9.
In der Ausführungsform nach 1 besteht der Grundwellenlaser 12 aus einer Laserdiode 14 als Pumplichtquelle, einer Kollimationsoptik 15 und einem Laserkristall 16. Wegen der hohen Effizienz, dem breiten Absorptionsband bei 808 nm und der polarisierten Emission bei 1064 nm wird für den Laserkristall bevorzugt das Material Nd:YV0₄ verwendet. Die der Laserdiode zugewandte Fläche des Laserkristalls wird mit einer für 1064 nm hochreflektierenden und für 808 nm transparenten Beschichtung versehen. Die dazu parallele Austrittsfläche wird so beschichtet, dass sie eine Reflektivität von 95% bei 1064 nm besitzt. Bei besonders kurzen Laserkristallen kann eine zusätzliche hohe Reflektivität der Austrittsfläche für 808 nm sinnvoll sein, um eine höhere Absorption der Pumpstrahlung zu erreichen. Die Flächen des Laserkristalls können plan ausgeführt werden mit moderaten Anforderungen an die Parallelität, was den Herstellungsprozeß vereinfacht und die Kosten senkt. Wegen der Absorption des Pumplichtes im Laserkristall bildet sich eine thermische Linse, die trotz der planen und nicht ganz parallelen Spiegelflächen für eine optisch stabile Resonatorgeometrie sorgt. Der von diesem Festkörperlaser einfacher Bauart erzeugte erste Laserstrahl 7 (Grundwelle) besitzt im allgemeinen bei der Wellenlänge 1064 nm mehrere dicht benachbarte Frequenzen (axiale Moden) im Abstand c/(2nd), wobei d ≈ 3 mm die Länge des Laserkristalls, n ≈ 2 der Brechungsindex des Kristallmaterials und c die Lichtgeschwindigkeit bedeuten. Der Laserkristall 16 wird so orientiert, dass die emittierte Grundwelle 7 senkrecht zu der durch die Resonatorspiegel 1, 4 und 19 definierte Resonatorebene (= Zeichenebene) polarisiert ist, d. h. die c-Achse des Laserkristalls wird senkrecht zur Resonatorebene ausgerichtet. Im Unterschied zu UV-Lasern nach dem Stand der Technik, wie z. B. in der US 5,696,780 , befindet sich innerhalb des Laserresonators kein nicht linearer Kristall, so dass Intensitätsschwankungen durch Modenkopplung nicht auftreten.
Der passive Resonator ist ein gefalteter linearer Resonator, bestehend aus den Spiegeln 1, 4 und 19. Der Resonatorspiegel 1 dient als Einkoppelspiegel für die Grundwelle und als Auskoppelspiegel für die vierte Harmonische und ist daher transparent sowohl für die Grundwelle als auch für die vierte Harmonische, aber hochreflektierend für die zweite Harmonische. Spiegel 4 ist hochreflektierend sowohl für die Grundwelle als auch für die zweite Harmonische, Spiegel 19 ist hochreflektierend für die zweite sowie für die vierte Harmonische. Spiegel 19 ist zudem auf einem Piezoelement 9 angebracht, mit dessen Hilfe die Resonatorlänge abgestimmt werden kann. Die Resonatorlänge wird jedoch nicht auf die Grundwelle, sondern auf die vom nicht linearen Kristall 10 innerhalb des Resonators erzeugte zweite Harmonische resonant abgestimmt. Deshalb sind alle Spiegel hochreflektierend für die zweite Harmonische ausgeführt und ein Einkoppelspiegel mit impedanzangepaßtem Reflexionsgrad wird nicht benötigt. Aus dem selben Grund ist die Einkopplung der Grundwelle in den Resonator wesentlich unkritischer als im Fall einer resonanten Einkopplung, wie dies z. B. in den US 5,696,780 und US 5,621,744 der Fall ist, da für den eingekoppelten Strahl nicht die Kohärenzbedingungen des Resonators, sondern nur die Phasenanpassungsbedingung des nicht linearen Kristalls einzuhalten ist. Daher ist die hier beschriebene Ausführungsform der Erfindung unempfindlicher gegen Störeinflüsse, wie z. B. thermische Ausdehnungen, Luftdruckänderungen und Vibrationen durch Schallwellen, als Anordnungen nach dem Stand der Technik.
Da das Verstärkungsprofil des Grundwellenlasers so schmal ist, dass alle anschwingenden Axialmoden auch frequenzverdoppelt werden, wird auch die zweite Harmonische aus mehreren Frequenzen bestehen, wobei diese den Abstand c/(2nd) haben. Der passive Resonator mit der optischen Länge L₀ besitzt Resonanzfrequenzen im Frequenzabstand c/(2L₀). Damit alle Moden der zweiten Harmonischen gleichzeitig resonant gemacht werden können, muß deren Frequenzabstand gleich dem Abstand der Resonanzen oder ein ganzzahliges Vielfaches davon sein: c/(2nd) = kc/(2L₀), k = 1, 2, 3... (10)
Daher ist als optische Länge La des Resonators ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Länge des Laserresonators n·d zu wählen: L₀ = k·n·d, k = 1, 2, 3...
Dies stellt eine ”makroskopische” Resonanzbedingung dar, die im Fall eines Mehrmodenlasers zusätzlich zu der immer geltenden ”mikroskopischen” Resonanzbedingung L₀ = m A/2 einzuhalten ist, wobei m eine ganze Zahl der Größenordnung 100000 und A die Wellenlänge der zweiten Harmonischen bedeutet. Die makroskopische Bedingung ist dabei mit einer moderaten Genauigkeit von ca. 10^–4 m einzuhalten, während die mikroskopische Bedingung auf ca. 10^–9 m genau eingehalten werden muß. Für die Einhaltung der makroskopischen Bedingung genügt eine entsprechende Fertigungspräzision, während die Einhaltung der mikroskopische Bedingung nur durch eine aktive Längenstabilisierung z. B. mit Hilfe eines Piezoelementes 9 gewährleistet werden kann.
Die Resonatorspiegel 1, 4 und 19 werden mit sphärisch gekrümmten Flächen versehen, so dass die im Resonator sich ausbildende Grundmode zwei Strahltaillen besitzt, von denen die erste sich etwa in der Mitte des SHG-Kristalls 10, die zweite in der Mitte des FHG-Kristalls 11 befindet. Die Größe und Lage der Strahltaillen kann durch die Wahl der Spiegelabstände und deren Krümmungsradien festgelegt werden (siehe z. B. Kogelnik et al., Applied Optics, Vol. 5, October 1966, Seite 1550). Die für eine möglichst hohe Konversionseffizienz günstigste Größe der Strahltaillen läßt sich mit dem von Boyd et al., Journal of Applied Physics, Vol. 39, July 1968, Seite 3597 angegebenen Formalismus berechnen.
Die Linse 13 fokussiert die Grundwelle 7 in den SHG-Kristall 10, der sich im Resonatorzweig zwischen den Spiegeln 1 und 4 befindet. Die Fokussierungsbedingungen werden dabei so gewählt, dass die im SHG-Kristall erzeugte Strahltaille der Grundwelle um den Faktor √2 größer ist, als die Strahltaille der zweiten Harmonischen in diesem Kristall. Dadurch wird die bestmögliche Kopplung der Grundwelle mit der zweiten Harmonischen im SHG-Kristall erreicht. Der SHG-Kristall hat eine kubische Form mit einer Eintrittsfläche 2 und einer Austrittsfläche 3, die beide antireflektiv sowohl für die Grundwelle als auch für die zweite Harmonische beschichtet sind. Die im SHG-Kristall erzeugte zweite Harmonische 20 ist parallel zur Resonatorebene polarisiert und wird durch die Resonatorspiegel periodisch zurückreflektiert, durchläuft also den Kristall in beiden Richtungen. Sofern es sich um einen kritisch phasenangepaßten Kristall handelt, wird er so orientiert, dass seine Hauptschnittebene mit der Resonatorebene zusammenfällt, d. h. die optische Achse des Kristalls liegt in der Resonatorebene. Phasenanpassung wird dann durch Winkelabstimmung um eine Achse senkrecht zur Resonatorebene erreicht. Im Fall eines unkritisch phasenangepaßten Kristalls wird die Temperatur des Kristalls so eingestellt, dass Phasenanpassung vorliegt. Die Materialien LBO und LiNbO₃ können beispielsweise bei der Grundwellenlänge 1064 nm je nach Kristallschnitt sowohl mit kritischer als auch mit unkritischer Phasenanpassung verwendet werden.
Ein geringer Teil 21 des frequenzverdoppelten Lichtes durchdringt den Resonatorspiegel 4 (Resttransmission) und wird von einem Detektor 18 registriert. Der SHG-Kristall wird mit Elektroden 17 versehen, an die eine hochfrequente Wechselspannung angeschlossen wird. Wenn es sich bei dem SHG-Kristall um ein elektrooptisch aktives Material handelt, wird hierdurch der Brechungsindex des Kristalls und damit die optische Weglänge im Resonator moduliert. Dies ist z. B. bei dem Kristallmaterial LiNbO₃ der Fall, das besonders große elektrooptische Koeffizienten hat, aber auch Materialien wie BBO oder KDP sind dafür geeignet. Durch Phasenvergleich des Detektorsignals mit der an den Kristall angelegten Wechselspannung (z. B. mit einem doppelt symmetrischer Mischerl kann ein Regelsignal zur Steuerung eines Piezoelementes 9 gewonnen werden, mit dem die Resonatorlänge auf Resonanz mit der Wellenlänge der zweiten Harmonischen abgestimmt wird. Anstelle des SHG-Kristalls kann auch der FHG-Kristall 11 zur Modulation der Resonatorlänge benutzt werden, falls dessen elektro-optische Eigenschaften sich dafür besser eignen.
Durch die Reflexion am Spiegel 4 durchläuft die Grundwelle den SHG-Kristall 10 ein zweites Mal in umgekehrter Richtung. Da der nichtkonvertierte Teil der Grundwelle anschließend in die Laserquelle 12 zurückläuft, müssen Maßnahmen zur Vermeidung von Stabilitätsproblemen in der Laserquelle 12 ergriffen werden. Wird ein SHG-Kristall mit kritischer Phasenanpassung verwendet, so genügt eine geringe Dejustierung des Grundwellenstrahls gegenüber der Resonatorebene, so dass der zurückreflektierte Strahl nicht mehr genau in die Grundmode des Laserresonators zurückfällt. Da die Grundwelle nicht resonant in den passiven Resonator eingekoppelt wird, ist eine geringfügige Dejustierung bezüglich der Resonatorspiegel zulässig. Bei der gewählten Polarisation der Grundwelle und der zweiten Harmonischen besitzt ein kritisch phasenangepaßter Kristall eine hohe Winkelempfindlichkeit in der Resonatorebene, jedoch eine geringe Winkelempfindlichkeit senkrecht dazu. Daher kann die Grundwelle geringfügig gegenüber der Resonatorebene verkippt werden, ohne dass sich die Phasenanpassung im Kristall und damit die Konversionseffizienz wesentlich ändert. Statt durch Dejustierung kann eine Rückreflexion auch mit Hilfe eines Faraday-Isolators, der zwischen Laserquelle und Resonator plaziert wird, vermieden werden.
Der FHG-Kristall 11 zur Erzeugung der vierten Harmonischen 8 befindet sich zwischen den Spiegeln 1 und 19 und besitzt ebenfalls eine kubische Form mit zwei Flächen 5 und 6, die beide antireflektiv für die zweite und vierte Harmonische beschichtet sind. Bei einem kritisch phasenangepaßten Kristall wie z. B. BBO, was bei UV-Erzeugung der Regelfall ist, wird die Hauptschnittebene senkrecht zur Resonatorebene orientiert und die Winkelabstimmung erfolgt durch Drehung um eine Achse, die in der Resonatorebene liegt und senkrecht zur Laserstrahlrichtung ist. Da der FHG-Kristall in beide Richtungen von der zweiten Harmonischen durchstrahlt wird, erfolgt die Erzeugung der vierten Harmonischen ebenfalls in beide Richtungen. Der durch die Fläche 6 aus dem Kristall 11 austretende Teilstrahl der vierten Harmonischen tritt durch den Spiegel 1 aus dem Resonator aus. Der in die andere Richtung erzeugte Teilstrahl tritt durch die Fläche 5 aus dem Kristall aus und wird durch den Spiegel 19 in sich zurückreflektiert, so dass er erneut in den Kristall eintritt und sich beim Austritt aus dem Kristall an der Fläche 6 mit dem anderen Teilstrahl vereinigt.
Sowohl die Grundwelle als auch die vierte Harmonische durchlaufen den SHG- bzw. FHG-Kristall zweimal in jeweils umgekehrter Richtung. Dies führt zur Ausbildung stehender Wellen im jeweiligen Kristall. Die zweite Harmonische bildet im linearen Resonator ebenfalls ein stehendes Wellenfeld aus. Wegen des jeweils gemeinsamen Spiegels 4 für Grundwelle und zweite Harmonische bzw. des Spiegels 19 für zweite Harmonische und vierte Harmonische besteht eine feste Phasenbeziehung zwischen den stehenden Wellen der verschiedenen Harmonischen. Da der Konversionsprozess im nicht linearen Kristall in beiden Fällen von der Kopplung der Felder zwischen der zweiten und vierten Harmonischen abhängt, ist die erreichbare Konversionseffizienz stark abhängig von der Phasenbeziehung beider Felder. Im ungünstigsten Fall kann die Konversionseffizienz Null betragen, in diesem Fall liegt eine destruktive Interferenz vor. Im günstigsten Fall, also bei konstruktiver Interferenz, nimmt die Konversionseffizienz den vierfachen Wert dessen an, der bei einfachem Durchgang der zweiten Harmonischen vorliegen würde. Wegen der unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit der Brechungsindizes n_o und n_e der Kristalle für den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl ist die relative Phasenlage der verschiedenen Harmonischen von der Kristalltemperatur abhängig. Durch eine genaue Einstellung der Kristalltemperaturen kann diese Phasenbeziehung so eingestellt werden, dass konstruktive Interferenz vorliegt und somit die Konversionseffizienz für jede Stufe vervierfacht wird. Daraus ergibt sich eine um Faktor 32 gesteigerte Ausgangsleistung für die vierte Harmonische gegenüber Formel (7): P₄ = 4γ₂₄(4P_2R)² = 32γ₂₄γ₁₂ ²A⁴P₁ ⁴ (11)
Bei Verwendung der Kristallmaterialien MgO:LiNb03 für den SHG-Kristall bzw. BBO für den FHG-Kristall kann mit der beschriebenen Anordnung aus 1 W Laserdiodenleistung (808 nm) eine UV Leistung von etwa 1 mW (266 nm) und aus 2 W Laserdiodenleistung eine UV-Leistung von etwa 20 m Werzeugt werden. Da diskrete Laserdioden mit 2 W Ausgangsleistung sehr preisgünstig erhältlich sind, läßt sich auf diese Art ein sehr kompakter und kostengünstiger UV-Laser realisieren. In einer weiteren Ausführungsform nach 2 erfolgen die Einkopplung der Grundwelle 7 sowie die Auskopplung der vierten Harmonischen 8 nicht durch einen Spiegel, sondern durch eine planparallele Platte 25, welche im Brewsterwinkel zum Strahlengang der zweiten Harmonischen 20 steht. Beide Flächen der planparallelen Platte sind mit sogenannten Polarisationsstrahlteilerschichten versehen. Diese Schichten sind für die in der Einfallsebene der Brewsterflächen (= Resonatorebene) polarisierte zweite Harmonische hochtransparent und für eine andere Wellenlänge mit dazu senkrechter Polarisation hochreflektierend. Die dem SHG-Kristall zugewandte Schicht ist hochreflektierend für die Grundwelle und die dem FHG-Kristall zugewandte Schicht ist hochreflektierend für die vierte Harmonische. Mit solchen Schichten können höhere Kontrastverhältnisse (Verhältnis der Transmissionen für die zu trennenden Laserstrahlen) erzielt werden, als mit einer Spiegelschicht, wie sie bei Spiegel 1 in der Ausführungsform nach 1 verwendet wird. Bei der Ausführungsform nach 2 ist daher die Einkopplung der Grundwelle sowie die Auskopplung der vierten Harmonischen effizienter. Die Elektroden 17 zur Modulation der Resonatorlänge sind in dieser Ausführungsform nach 2 ohne besonderen Grund am FHG-Kristall 11 angebracht, stattdessen könnte auch der SHG-Kristall 10 mit Elektroden versehen werden. Ausschlaggebend dafür sind im wesentlichen die Eigenschaften des verwendeten Kristallmaterials. Da der Resonator in dieser Anordnung aus nur zwei Spiegeln 4 und 19 gebildet wird, besitzt die Grundmode des Resonators nur eine Strahltaille. Diese wird durch entsprechende Wahl der Krümmungsradien der Spiegel in die Mitte des FHG-Kristalls 11 gelegt, da die Konversionseffizienz des FHG-Kristalls im allgemeinen niedriger als die des SHG-Kristalls ist. Dies hat zudem den Vorteil, dass eine Fokussierungslinse 13, wie sie in der vorherigen Ausführungsform zur optimalen Einkopplung des Grundwellenstrahls verwendet wird, entfallen kann, da der Strahlverlauf der zweiten Harmonischen im SHG-Kristall in diesem Fall divergent ist und die optimale Einkopplung der Grundwelle einfach durch Wahl eines geeigneten Abstandes des Laserkristalls 16 vom SHG-Kristall erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform nach 3 werden die Polarisationsstrahlteilerschichten direkt auf die Kristallflächen 2 bzw. 6 aufgebracht. Die Einkopplung der Grundwelle bzw. die Auskopplung der vierten Harmonischen erfolgt hier über eine dritte Fläche des jeweiligen Kristalls, die für die entsprechende Wellenlänge antireflektiv beschichtet ist. Die Effizienz der Einkopplung bzw. Auskopplung wird hierdurch gegenüber der Ausführungsform nach 2 nur unwesentlich verschlechtert. Dafür enthält der Resonator insgesamt weniger Flächen, durch die die zweite Harmonische hindurchtreten muß. Wegen der geringeren Verluste wird dadurch ein größerer Überhöhungsfaktor A und damit eine höhere Gesamteffizienz erreicht. Ansonsten ist diese Ausführungsform mit der in 2 identisch.
Die Ausführungsformen nach 4 bis 6 unterscheiden sich grundsätzlich dadurch von den Ausführungsformen nach 1 bis 3, dass der Laserresonator und der passive Resonator einen gemeinsamen Resonatorspiegel 4 besitzen. Der Laserresonator wird bei diesen Ausführungsformen aus dem Spiegel 4, der Polarisationsstrahlteilerschicht 2 auf dem SHG-Kristall 10 und der Fläche 27 des Laserkristalls 16 gebildet. Alle drei Elemente sind hochreflektierend für die im Laserkristall erzeugte Grundwelle bei 1064 nm. Der Bereich zwischen Spiegel 4 und der Fläche 2 stellt einen gemeinsamen Strahlabschnitt des Laserresonators und des passiven Resonators dar, der aus dem Spiegel 4 und dem Spiegel 19 gebildet wird. Daher befindet sich der SHG-Kristall 10 sowohl im Laserresonator als auch im passiven Resonator. Durch die zusätzliche Überhöhung um Faktor A1 der Grundwellenleistung im Laserresonator ergibt sich eine erhöhte Leistung der vierten Harmonischen gemäß P₄ = 2γ₁₂ ²γ₂₄A₁ ⁴A₂ ⁴P₁ ⁴ (12) wobei A₂ der Überhöhungsfaktor des passiven Resonators ist. Obwohl im Laserresonator im allgemeinen nur Überhöhungsfaktoren um A₁ ≈ 20 vorliegen, wird in einer solchen doppelt resonanten Anordnung wegen der vierten Potenz, mit der A₁ eingeht, eine wesentlich höhere Konversionseffizenzen erreicht als bei den vorhergehenden Ausführungsformen, insbesondere bei geringer Pumpleistung der Laserdiode.
Nachteilig ist bei diesen Ausführungsformen jedoch, dass Maßnahmen zur Vermeidung des oben erwähnten ”Green Problem” ergriffen werden müssen, da der Grundwellenresonator nun einen nicht linearen Kristall enthält und dadurch zu starkem Intensitätsrauschen neigt. Wegen der angestrebten Kompaktheit des UV-Lasers wird hier die Rauschunterdrückung nicht durch eine große Resonatorlänge und damit große Anzahl von Moden, sondern durch Einmodenbetrieb gewährleistet. Die Ausführungsform nach 4 ist mit wenigen Ausnahmen mit der nach 3 identisch. In 4 ist die Fläche 28 des Laserkristalls 16 antireflektiv für die Grundwellenlänge beschichtet. Zusätzlich befindet sich im Laserresonator noch ein Etalon 26, das durch seine frequenzselektive Wirkung für Einmodenbetrieb sorgt. Dazu muß die Dicke und die Beschichtung des Etalons sorgfältig gewählt werden, um einerseits ausreichende Selektivität und andererseits nicht zu hohe Verluste zu gewährleisten. Die Dimensionierung von Etalons für Laserresonatoren ist in der Fachliteratur eingehend beschrieben worden. Durch den Einmodenbetrieb wird die nicht lineare Kopplung verschiedener Axialmoden im Laserresonator und somit das damit verbundene Intensitätsrauschen verhindert. Um stabilen Einmodenbetrieb zu gewährleisten, wird der als Resttransmission aus dem Spiegel 4 austretende Teil der Grundwelle 23 mit einem Detektor 22 registriert. Dieses der resonatorinternen Leistung der Grundwelle proportionale Signal dient als Fehlersignal für eine aktive Regelschleife, die entweder die Temperatur des Etalons oder des Laserkristalls so einstellt, dass die Frequenz der aktive Lasermode mit dem Transmissionsmaximum des Etalons übereinstimmt und somit die resonatorinterne Grundwellenleistung maximal ist. Die Trennung der Resttransmission von Spiegel 4 in die Bestandteile Grundwelle und zweite Harmonische erfolgt durch eine geeignete Beschichtung des Strahlteilers 24.
Bei der Ausführungsform nach 5 wird Einmodenbetrieb durch das Prinzip der gekoppelten Resonatoren erreicht. Die Fläche 28 des Laserkristalls 16 ist hier teilreflektierend mit einem Reflexionsgrad zwischen 30% und 80% für die Grundwellenlänge beschichtet. Dadurch wird der Laserresonator in zwei Teilresonatoren mit einer gemeinsamen Spiegelfläche unterteilt. Der erste Teilresonator besteht aus den Flächen 27 und 28 des Laserkristalls 16, der zweite Teilresonator aus dem Spiegel 4 und der gemeinsamen Fläche 28. Durch ein geeignetes Verhältnis der Resonatorlängen der beiden Teilresonatoren kann so erreicht werden, dass sich innerhalb der Verstärkungsprofile des Laserkristalls nur eine einzige Axialmode befindet, die beiden Teilresonatoren gemeinsam ist. Andere Axialmoden können wegen der zu geringen Reflektivität der Austrittsfläche 28 des Laserkristalls nicht anschwingen. Das Prinzip der gekoppelten Resonatoren wird z. B. in Adams et al., ”Two-segment cavity theory for mode selection in semiconductor lasers”, IEEE J. Quantum Electron. Vol. 20, 1984, Seite 99 näher beschrieben.
Ein ähnliches Prinzip zur Erzielung von Einmodenbetrieb liegt der Ausführungsform nach 6 zugrunde. Die Fläche 28 des Laserkristalls 16 ist hier antireflektiv und die Fläche 2 des SHG-Kristalls 10 teilreflektierend für die Grundwellenlänge beschichtet. Ein zusätzlicher, bei der Grundwellenlänge hochreflektierender Spiegel 30, der auf einem Piezoelement 29 angebracht ist, reflektiert den durch die Kristallfläche 2 transmittierten Teil der Grundwelle in den Resonator zurück. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform weist der Laserresonator zwei gekoppelte Teilresonatoren auf, deren gemeinsame Moden bei geeigneter Wahl der Resonatorlängen einen ausreichend großen Frequenzabstand besitzen, um Einmodenbetrieb zu gewährleisten. Diese Form von gekoppelten Resonatoren ist als Fox-Smith-Resonator bekannt und in Fox et al., Phys. Rev. Lett., Vol. 18, 1967, Seite 826, beschrieben. Gegenüber der Ausführungsform nach 5 besitzt diese den Vorteil, dass die Anforderungen an die Reflektivität der Kristallfläche 2 geringer sind und die Abstimmung der Teilresonatoren zueinander mit einem unabhängigen Piezoelement 29 erfolgen kann.
Bei allen Ausführungsformen nach 1 bis 6 kann die Fläche 3 des SHG-Kristalls 10 auch als Resonatorspiegel ausgeführt werden, wodurch dann der Resonatorspiegel 4 entfallen kann. Die Fläche ist hierzu mit einer sphärischen Krümmung und einer Beschichtung zu versehen, die die Anforderungen entsprechend dem Resonatorspiegel 4 erfüllt. Da hierdurch der zweimalige Durchgang durch die antireflektiv beschichtete Kristallfläche entfällt, werden die Resonatorverluste V reduziert und damit der Überhöhungsfaktor A entsprechend erhöht. Nachteilig ist dabei die aufwendigere Herstellung des Kristalls.
Bei der Ausführungsform nach 7 ist der passive Resonator als Ringresonator mit den beiden Spiegeln 1 und 4 ausgeführt. Der Spiegel 1 dient sowohl als Einkoppelspiegel für die Grundwelle 7 als auch als Auskoppelspiegel für die vierte Harmonische 8 und ist daher transparent für die Grundwelle und die vierte Harmonische, aber hochreflektierend für die zweite Harmonische. Die vom Festkörperlaser 12 erzeugte Grundwelle 7 wird mit einer Linse 13 durch den Spiegel 1 hindurch in den SHG-Kristall 10 fokussiert. Da es sich um einen Ringresonator handelt, wird die Grundwelle nicht in den Festkörperlaser zurückreflektiert, so dass keine Maßnahmen zur Vermeidung von Stabilitätsproblemen notwendig sind. Die Grundwelle ist senkrecht zur Resonatorebene polarisiert und wird wie in den Ausführungsformen nach 1 bis 3 inkohärent in den Resonator eingekoppelt, d. h. die Anforderungen an die Justiergenauigkeit sind lediglich durch die Phasenanpassungsbedingungen des SHG-Kristalls bestimmt. Spiegel 4 ist hochreflektierend für die zweite Harmonische und zwecks Abstimmung der Resonatorlänge auf einem Piezoelement 9 angebracht. Die Flächen 3 bzw. 5 des SHG-Kristalls 10 bzw. des FHG-Kristalls 11 sind unbeschichtet und im Brewsterwinkel zum Strahl der im Resonator umlaufenden zweiten Harmonischen 20 angeordnet. Die im SHG-Kristall erzeugte zweite Harmonische ist parallel zur Resonatorebene polarisiert und erfährt daher an diesen beiden Flächen nur sehr geringe Verluste. Die beiden anderen Flächen 2 und 6 der Kristalle stehen nahezu, aber nicht genau senkrecht zum Strahl und sind antireflektiv für die zweite Harmonische beschichtet. Fläche 2 dient als Einkoppelfläbhe des SHG-Kristalls für die Grundwelle und ist daher zusätzlich antireflektiv für die Grundwelle beschichtet. Fläche 6 dient als Auskoppelfläche des FHG-Kristalls für die vierte Harmonische und ist daher zusätzlich antireflektiv für die vierte Harmonische beschichtet. Durch diese Ausführung der Kristallflächen werden die geringstmöglichen Verluste für alle drei beteiligten Wellenlängen erzielt. Da der FHG-Kristall nur in einer Richtung von der zweiten Harmonischen durchstrahlt wird, erzeugt er nur in diese eine Richtung eine vierte Harmonische, die durch die Fläche 6 aus dem FHG-Kristall austritt und den Resonator durch den Spiegel 1 hindurch verläßt. Die beiden Spiegel 1 und 4 sind sphärisch gekrümmt, so dass sich im Resonator eine Grundmode ausbildet, deren erste Strahltaille in der Mitte des SHG-Kristalls und deren zweite Strahltaille in der Mitte des SFG-Kristalls liegt.
Da die nicht linearen Kristalle bei dieser Ausführungsform jeweils nur in einer Richtung durchstrahlt werden, ist die Formel (7) zur Berechnung der Ausgangsleistung zu verwenden. Obwohl bei einem Ringresonator wegen der geringeren Verluste mit einem größeren Wert für den Überhöhungsfaktor A zu rechnen ist, sind die zu erwartenden Ausgangsleistungen im allgemeinen geringer als bei den vorhergehenden Ausführungsformen mit linearem Resonator. Das trifft vor allem bei niedrigen Grundwellenleistungen unterhalb 1 W zu. Da die Grundwellenleistung jedoch mit der vierten Potenz eingeht, werden für höhere Grundwellenleistungen durchaus praktikable Konversionseffizienzen erreicht. Durch eine sinnvolle Verteilung der Komponenten in Stromversorgung und Laserkopf, wie in 8 dargestellt, läßt mit dieser Anordnung eine UV-Strahlquelle mit einer Ausgangsleistung in der Größenordnung 100 mW mit einem sehr kompakten Kopfteil realisieren. Hierzu wird ein Festkörperlaser 102 mit einer Leistung zwischen 5 W und 10 W zusammen mit einem Halbleiterlaser 101 als Pumpquelle in die Stromversorgungseinheit 100 integriert. Die Grundwelle 7 aus dem Festkörperlasers wird mit einer Einkoppeloptik in eine Einmoden-Lichtleitfaser 103 ein gekoppelt und zum Laserkopf 104 geleitet. Im Laserkopf befindet sich der Ringresonator mit den nicht linearen Kristallen, die zur aktiven Regelung der Resonatorlänge notwendigen Detektoren und Stellelemente, die Einkoppeloptik für die Grundwelle 7 und die Auskoppeloptik für die vierte Harmonische 8. Da die Grundwelle inkohärent in den Laserkopf eingekoppelt wird, sind die Anforderungen an die Justierung der Einkoppeloptik nicht übermäßig hoch. Durch das Fehlen größerer Wärmequellen im Laserkopf können die sonst notwendigen Maßnahmen zur Wärmeabfuhr entfallen. Diese Eigenschaften sind insbesondere bei Industrieanwendungen häufig erforderlich.
Die Konversionseffizienz wird in den Ausführungsformen nach 1 bis 7 zumindest im FHG-Kristall durch den Walk-Off-Effekt gemindert, da zur Zeit keine Kristallmaterialien mit unkritischer Phasenanpassung für den UV-Bereich existieren. Auch beim SHG-Kristall kann es sinnvoll sein, kritische Phasenanpassung zu verwenden, wenn für unkritische Phasenanpassung eine hohe Temperatur erforderlich ist, die man aus technischen Gründen vermeiden möchte. In diesem Fall tritt der störende Walk-Off-Effekt auch im SHG-Kristall auf. In der Ausführungsform nach 9 wird der Walk-Off-Effekt weitgehend dadurch vermieden, dass die im Resonator umlaufende zweite Harmonischen innerhalb der beiden nicht linearen Kristalle einen elliptischen Strahlquerschnitt besitzt. Dies wird durch eine zylindrische Krümmung der Kristallflächen erreicht. In 9 ist die zweite Harmonische in der Resonatorebene, d. h. in der xz-Ebene polarisiert, die eingekoppelte Grundwelle 7 ist in y-Richtung polarisiert. Die Hauptschnittebene des SHG-Kristalls 10, d. h. die von der Einstrahlrichtung und der Kristallachse aufgespannte Ebene, liegt daher in der Resonatorebene. Ist der SHG-Kristall kritisch phasenangepaßt, so findet eine Ablenkung der zweiten Harmonischen durch den Walk-Off-Effekt in der Resonatorebene statt. Der Walk-Off-Effekt kann daher durch einen' elliptischen Strahlquerschnitt mit der längeren Halbachse in der Resonatorebene verringert bzw. weitgehend eliminiert werden. Beim FHG-Kristall 11 steht die Hauptschnittebene senkrecht zur Resonatorebene, entsprechend ist die vierte Harmonische senkrecht zur Resonatorebene polarisiert. Zur Verringerung des Walk-Off-Effektes wird hier also ein elliptisches Strahlprofil mit der längeren Halbachse senkrecht zur Resonatorebene benötigt. Um den Walk-Off-Effekt in beiden Kristallen deutlich zu reduzieren, muß die Grundmode des Resonators eine extrem astigmatische Form besitzen. Dies wird durch eine zylindrische Krümmung der Kristallflächen erreicht, und zwar indem die Flächen 2 und 3 des SHG-Kristalls 10 in der Resonatorebene und die Flächen 5 und 6 des FHG-Kristalls in einer Ebene senkrecht zur Resonatorebene gekrümmt sind. Die Symmetrieachse der Zylinderflächen sind beim SHG-Kristall daher senkrecht zur Resonatorebene, beim FHG-Kristall liegen diese Symmetrieachsen in der Resonatorebene. Die Resonatorspiegel 1 und 4 sind entweder plan oder besitzen eine schwache sphärische Krümmung. Der Verlauf der Strahlausdehnungen für die x- und v-Richtung, der sich aus dieser Resonatorabbildung ergibt, ist in 10 schematisch und mit übertriebenen Größenverhältnissen dargestellt. Im SHG-Kristall ergibt sich eine große Strahlausdehnung in der x-Richtung, also in der Resonatorebene, während im FHG-Kristall in der v-Richtung die größere Strahlausdehnung vorliegt, so dass in beiden Kristallen der Walk-Off-Effekt reduziert wird. Die Ausdehnung in der v-Richtung wird überwiegend durch die Krümmung der FHG-Kristallflächen bzw. der daraus resultierenden Brennweite bestimmt, während die Ausdehnung in der x-Richtung durch die Krümmung der SHG-Kristallflächen bestimmt wird. Durch unterschiedliche Bemessung dieser Krümmungen kann das Achsenverhältnis des Strahlquerschnitts der Stärke des Walk-Off-Effektes im jeweiligen Kristall angepaßt werden.
Durch die Reduzierung des Walk-Off-Effektes im FHG-Kristall wird nicht nur die Konversionseffizienz erhöht, sondern auch die Strahlqualität des frequenzvervierfachten Ausgangsstrahls verbessert. Die zuvor erwähnten Interferenzstörungen des Strahlprofils im Nahfeldbereich werden reduziert.
Durch eine Kombination zylindrisch gekrümmter Kristallflächen mit zylindrisch oder sphärisch gekrümmten Spiegelflächen kann auch in den Ausführungsformen nach 1 bis 6 ein elliptischer Strahlquerschnitt in den nicht linearen Kristallen erzeugt werden, durch den der Walk-Off-Effektes reduziert werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der Merkmale weitere Ausführungsformen zu realisieren.

Claims

Laseranordnung zum Erzeugen eines UV-Laserstrahls (8) einer vorbestimmten Frequenz, mit – einer Laserquelle (12) zum Erzeugen eines Laserstrahls (7) mit einer ersten Frequenz, – wobei die Laserquelle (12) ein aktives Medium (16) und einen ersten Resonator umfaßt, in dem sich das aktive Medium (16) und ein erster nicht-linearer Kristall (10) befinden, – wobei der erste nicht-lineare Kristall (10) ausgebildet ist, den Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz zumindest teilweise in einen Laserstrahl (20) mit einer zweiten, gegenüber der ersten Frequenz verdoppelten Frequenz umzwandeln, – einem zweiten nicht-linearen Kristall (11), der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zumindest teilweise in den Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten, gegenüber der ersten Frequenz vervierfachten Frequenz umzuwandeln; und mit – einem linearen zweiten Resonator, der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zu speichern und der auf die zweite Frequenz resonant abgestimmt ist, indem seine optische Länge ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz beträgt, wobei der zweite Resonator einen ersten Resonatorspiegel (4), der ausgebildet ist, sowohl elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz als auch elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz zu reflektieren, und einen zweiten Resonatorspiegel (19) aufweist, der ausgebildet ist, sowohl elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz als auch elektromagnetische Strahlung mit der vorbestimmten vervierfachten Frequenz zu reflektieren, – wobei der erste und der zweite nicht-lineare Kristall (11) im zweiten Resonator platziert sind dadurch gekennzeichnet, – daß der zweite Resonator zusätzlich eine planparallele Platte (25) aufweist, die derart zwischen dem ersten und zweiten Resonatorspiegel (4 und 19) angeordnet ist, daß der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz in einem Brewsterwinkel auf die planparallele Platte trifft, wobei der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz parallel zur Einfallsebene auf die planparallele Platte (25) polarisiert ist, und – daß die planparallele Platte (25) eine erste Polarisationsstrahlteilerschicht aufweist, die den auf die planparallele Platte (25) einfallenden, linear polarisierten Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz reflektiert, und eine zweite Polarisationsstrahlteilerschicht aufweist, die das auf die planparallele Platte (25) einfallende, linear polarisierte Laserlicht (8) mit der vorbestimmten vervierfachten Frequenz reflektiert.
Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Polarisationsstrahlteilerschicht elektromagnetische Strahlung reflektiert, die senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz auf die planparallele Platte (25) polarisiert ist, wobei der lineare Resonator, der erste und/oder der zweite nicht-lineare Kristall derart ausgebildet sind, daß der Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz und der Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten Frequenz senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz auf die planparallele Platte (25) polarisiert ist.
Laseranordnung zum Erzeugen eines UV-Laserstrahls (8) einer vorbestimmten Frequenz, mit – einer Laserquelle (12) zum Erzeugen eines Laserstrahls (7) mit einer ersten Frequenz, – wobei die Laserquelle (12) ein aktives Medium (16) und einen ersten Resonator umfaßt, in dem sich das aktive Medium (16) und ein erster nicht-linearer Kristall (10) befinden, – wobei der erste nicht-lineare Kristall (10) ausgebildet ist, den Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz zumindest teilweise in einen Laserstrahl (20) mit einer zweiten, gegenüber der ersten Frequenz verdoppelten Frequenz umzwandeln, – einem zweiten nicht-linearen Kristall (11), der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zumindest teilweise in den Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten, gegenüber der ersten Frequenz vervierfachten Frequenz umzuwandeln; – einen linearen zweiten Resonator, der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zu speichern und der auf die zweite Frequenz resonant abgestimmt ist, indem seine optische Länge ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz beträgt, – wobei der zweite Resonator einen ersten Resonatorspiegel (4), der ausgebildet ist, sowohl elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz als auch elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz zu reflektieren, und einen zweiten Resonatorspiegel (19) aufweist, der ausgebildet ist, sowohl elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz als auch elektromagnetische Strahlung mit der vorbestimmten vervierfachten Frequenz zu reflektieren, – wobei der erste und der zweite nicht-lineare Kristall (11) im zweiten Resonator platziert sind dadurch gekennzeichnet, – daß der erste nicht-lineare Kristall (10) eine erste, den Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz reflektierende Kristalloberfläche (2), und der zweite nicht-lineare Kristall (11) eine zweite, den Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten Frequenz reflektierende Kristalloberfläche (6) aufweist, wobei die erste und zweite Kristalloberfläche (2 und 6) parallel zueinander ausgerichtet sind und der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz in einem Brewsterwinkel auf die erste und zweite Kristalloberfläche (2, 6) einfällt und parallel zur Einfallsebene auf die erste und zweite Kristalloberfläche (2, 6) polarisiert ist.
Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kristalloberfläche (2) die erste Polarisationsstrahlteilerschicht aufweist, die auf die erste Kristalloberfläche (2) einfallendes, linear polarisiertes Laserlicht (7) mit der ersten Frequenz reflektiert, und die zweite Kristalloberfläche (6) die zweite Polarisationsstrahlteilerschicht aufweist, die auf die zweite Kristalloberfläche (6) einfallendes, linear polarisiertes Laserlicht (8) der vorbestimmten Frequenz reflektiert.
Laseranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Polarisationsstrahlteilerschicht elektromagnetische Strahlung reflektiert, die senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz auf die erste und zweite Kristalloberfläche (2 und 6) polarisiert ist, wobei der Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz und der Laserstrahl (8) der vorbestimmten Frequenz senkrecht zur Einfallsebene des zweiten Laserstrahls (20) auf die erste und zweite Kristalloberfläche (2 und 6) polarisiert ist.
Laseranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonator ausgebildet ist, die Laserquelle (12) im Einmodenbetrieb zu betreiben.
Laseranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonator ein Etalon (26) aufweist, das angeordnet und ausgebildet ist, für den Einmodenbetrieb der Laserquelle (12) zu sorgen.
Laseranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonator einen ersten Teilresonator, in dem sich das aktive Medium (16) befindet, und einen zweiten Teilresonator, in dem sich der erste nicht-lineare Kristall (10) befindet, umfaßt, wobei der erste und zweite Teilresonator derart ausgebildet sind, daß sie lediglich eine gemeinsame Resonatormode innerhalb einer Verstärkungsbandbreite des aktiven Mediums aufweisen.
Laseranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilresonator einen ersten, den Laserstrahl mit der ersten Frequenz vollständig reflektierenden Teilresonatorspiegel (27) und einen zweiten, den Laserstrahl mit der ersten Frequenz teilweise reflektierenden Teilresonatorspiegel (28) aufweist, und der zweite Teilresonator den zweiten Teilresonatorspiegel (28) und den ersten Resonatorspiegel (4) aufweist.
Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Resonator derart ausgebildet ist, daß ein von dem ersten Resonatorspiegel (4) reflektierter Bestandteil des Laserstrahls mit der ersten Frequenz in den ersten nicht-linearen Kristall (10) reflektiert wird, wobei aus dem ersten nicht-linearen Kristall (10) aus dem reflektierten Bestandteil des Laserstrahls (7) mit der ersten Frequenz ein erster Bestandteil des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz hervorgeht.
Laseranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Resonator derart ausgebildet ist, daß ein zweiter Bestandteil des Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz in dem ersten nicht-linearen Kristall (10) aus einem sich auf den ersten Resonatorspiegel (4) zu bewegenden Bestandteil des Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz hervorgeht und mit dem ersten Bestandteil des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz konstruktiv interferiert.
Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Resonator derart angeordnet ist, daß ein von dem zweiten Resonatorspiegel (19) reflektierter Bestandteil des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz in den zweiten nicht-linearen Kristall (10) reflektiert wird, wobei in dem zweiten nicht-linearen Kristall (10) aus dem reflektierten Bestandteil des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz ein erster Bestandteil des Laserstrahls (8) mit der vorbestimmten Frequenz hervorgeht.
Laseranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Resonator derart ausgebildet ist, daß ein zweiter Bestandteil des Laserstrahls (8) mit der vorbestimmten Frequenz in dem zweiten nicht-linearen Kristall (10) aus einem sich auf den zweiten Resonatorspiegel (19) zu bewegenden Bestandteil des Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz hervorgeht, der von dem Resonatorspiegel (19) reflektiert wird, und mit dem ersten Bestandteil des Laserstrahls (8) mit der vorbestimmten Frequenz konstruktiv interferiert.
Laseranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Resonator derart ausgebildet ist, daß ein von dem ersten Resonatorspiegel (4) reflektierter Bestandteil des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz in den ersten nicht-linearen Kristall (10) reflektiert wird und/oder daß ein von dem zweiten Resonatorspiegel (19) reflektierter Bestandteil des Laserstrahls mit der vorbestimmten Frequenz in den zweiten nicht-linearen Kristall (11) reflektiert wird.
Laseranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Resonatorregelung, die ausgebildet ist, die optische Länge des linearen Resonators auf ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz einzustellen, wobei die Resonatorregelung als Meßglied einen Intensitätsdetektor und ein Stellglied aufweist, wobei der Intensitätsdetektor ausgebildet ist, die Intensität des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz zu erfassen, und das Stellglied ausgebildet ist, die optische Länge des linearen Resonators einzustellen.
Laseranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste oder zweite nicht-lineare Kristall elektro-optisch aktiv ist, die Resonatorregelung ausgebildet ist, die optische Länge des Resonators durch Anlegen eines periodischen elektrischen Wechselfeldes an den ersten und/oder zweiten Kristall zu modulieren, und die Resonatorregelung einen Regler aufweist, der ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer zeitlichen Verschiebung zwischen Maxima der von dem Intensitätsdetektor erfassten Intensität und Nulldurchgängen des elektrischen Wechselfeldes ein Regelsignal an das Stellglied auszugeben.
Laseranordnung zum Erzeugen eines Laserstrahls nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laserstrahl (20) im ersten und/oder zweiten nicht-linearen Kristall ein elliptisches Strahlprofil aufweist, welches derart ausgerichtet ist, daß eine effizienzmindernde Wirkung einer Doppelbrechung im ersten und/oder zweiten nicht-linearen Kristall reduziert wird.
Laseranordnung zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen elliptische Strahlprofil mittels zylindrischer gekrümmter Oberflächen eines der nicht-linearen Kristalle (10 oder 11) oder eines der Resonatorspiegel (1, 4 oder 19) erzeugt wird, wobei der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz auf die gekrümmten Oberflächen einfällt oder aus den gekrümmten Oberflächen austritt.
Laseranordnung zum Erzeugen eines UV-Laserstrahls (8) einer vorbestimmten Frequenz, mit – einer Laserquelle (12) zum Erzeugen eines Laserstrahls (7) mit einer ersten Frequenz, – wobei die Laserquelle (12) ein aktives Medium (16) und einen ersten Resonator umfaßt, in dem sich das aktive Medium (16) und ein erster nicht-linearer Kristall (10) befinden, – wobei der erste nicht-lineare Kristall (10) ausgebildet ist, den Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz zumindest teilweise in einen Laserstrahl (20) mit einer zweiten, gegenüber der ersten Frequenz verdoppelten Frequenz umzwandeln, – einem zweiten nicht-linearen Kristall (11), der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zumindest teilweise in den Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten, gegenüber der ersten Frequenz vervierfachten Frequenz umzuwandeln; – einen zweiten Resonator, der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zu speichern, und der einen ersten Resonatorspiegel (4) und einen zweiten Resonatorspiegel (1) aufweist, – wobei der erste und der zweite nicht-lineare Kristall (11) im zweiten Resonator platziert sind dadurch gekennzeichnet, – daß der zweite Resonator ein Ringresonator ist, wobei eine optische Länge des Ringresonators ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz beträgt, – der außer dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel keinen weiteren Resonatorspiegel aufweist, wobei der erste und der zweite Resonatorspiegel (4 und 1) sowie der erste und zweite nicht-lineare Kristall (10 und 11) derart angeordnet sind, daß der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz entlang einer in einer Resonatorebene liegenden, geschlossenen Kurve in dem Ringresonator umläuft; – daß ein in der Resonatorebene liegender Querschnitt des ersten und zweiten nicht-linearen Kristalls (10 und 11) trapezförmig ausgebildet ist, und – daß der erste und/oder der zweite nicht-lineare Kristall (10, 11) eine Kristalloberfläche (3, 5) aufweisen, die (3, 5) derart angeordnet ist, daß der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz in einem Brewsterwinkel auf die Kristalloberfläche (3, 5) einfällt, wobei der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz parallel zu der Resonatorebene polarisiert ist, – daß eine andere Fläche des betreffenden nicht-linearen Kristalls bzw. der betreffenden nicht-linearen Kristalle antireflektiv für den Laserstrahl mit der zweiten Frequenz und für den Laserstrahl mit der ersten Frequenz oder der vorbestimmten Frequenz beschichtet ist.
Laseranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringresonator, der erste und/oder der zweite nicht-lineare Kristall derart angeordnet und ausgebildet sind, daß der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz im ersten und/oder zweiten nicht-linearen Kristall ein im wesentlichen elliptisches Strahlprofil aufweist, welches derart ausgerichtet ist, daß die effizienzmindernde Wirkung der Doppelbrechung im ersten und/oder zweiten nicht-linearen Kristall reduziert wird.
Laseranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen elliptische Strahlprofil des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz mittels zylindrisch gekrümmter Oberflächen (2, 3, 5 oder 6) eines der nicht-linearen Kristalle (10 oder 11) erzeugt wird, wobei der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz auf die gekrümmten Oberflächen (2, 3, 5 oder 6) einfällt oder aus den gekrümmten Oberflächen (2, 3, 5 oder 6) austritt.