DE10143709A1 - Einrichtung zur Frequenzkonversion einer Lasergrundfrequenz in andere Frequenzen - Google Patents

Einrichtung zur Frequenzkonversion einer Lasergrundfrequenz in andere Frequenzen

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Abstract

Bei einer Einrichtung zur Frequenzkonversion einer Lasergrundfrequenz in andere Frequenzen besteht die Aufgabe, die Konversionskoeffizienz bei aufeinanderfolgenden nichtlinearen Prozessen mit geringem Material- und Justieraufwand und einer platzsparenden kompakten Anordnung weiter zu erhöhen und hierzu auch die Vorteile der nichtkritischen Phasenanpassung auszunutzen. DOLLAR A Zwischen zwei optisch nichtlinearen Kristallen zur Erzeugung einer ersten neuen Frequenz und zur Frequenzmischung eines im ersten Kristall erzeugten Laserstrahlenpaares von Laserstrahlen mit zueinander senkrechter Polarisation, ist ein weiterer, von dem Laserstrahlenpaar durchsetzter doppelbrechender Kristall angeordnet, bei dem nichtlineare optische Eigenschaften vermieden sind, wodurch das Laserstrahlenpaar aus dem doppelbrechenden Kristall mit unveränderten Frequenzen austritt. Einer der beiden Laserstrahlen unterliegt als außerordentlich polarisierter Laserstrahl in dem doppelbrechenden Kristall einem Walk-Off, der einem, in einem der beiden Kristalle auftretenden Walk-Off, entgegengesetzt gerichtet ist. DOLLAR A Derartige Einrichtungen, die nichtlineare optische Prozesse zur Frequenzkonversion ausnutzen, kommen insbesondere in Festkörperlasern zur Anwendung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Frequenzkonversion einer Laser-Grundfrequenz in andere Frequenzen mit nacheinander angeordneten optisch nichtlinearen Kristallen, von denen ein erster Kristall zur Erzeugung einer ersten neuen Frequenz und ein zweiter Kristall zur Erzeugung einer zweiten neuen Frequenz durch Frequenzmischung vorgesehen sind und ein in dem ersten Kristall erzeugtes Laserstrahlenpaar Laserstrahlen mit zueinander senkrechter Polarisation aufweist, von denen einer als außerordentlich polarisierter Laserstrahl einem Walk-Off in einem der beiden optisch nichtlinearen Kristallen unterliegt.
  • Derartige Einrichtungen, die nichtlineare optische Prozesse zur Frequenzkonversion ausnutzen, kommen insbesondere in Festkörperlasern zur Anwendung, wie z. B. in der Veröffentlichung von B. Ruffing, A. Nebel, R. Wallenstein, "High-power picosecond LiB3O5 optical parametric oscillators tunable in the blue spectral range", Appl. Phys. B 72, 137-149 (2001).
  • Als besonders vorteilhaft haben sich derartige frequenzvervielfachte Festkörperlaser zur Erzeugung von Laserstrahlung mit Wellenlängen im sichtbaren (VIS) oder ultravioletten (UV) Spektralbereich erwiesen. Typische Prozesse der Frequenzkonversion sind die Erzeugung der 2. Harmonischen (second harmonic generation, SHG), bei der die Frequenz der Laserstrahlung verdoppelt, die Wellenlänge also halbiert wird, und die Erzeugung der Summenfrequenz (sum frequency generation, SFG) zweier Laserstrahlen. Häufig werden diese nichtlinearen optischen Prozesse (NLO-Prozesse) bei Festkörperlasern angewendet, deren Frequenzen einer Emissionswellenlänge im nahen Infrarot im Bereich um 1 µm entsprechen. Beispielsweise emittiert ein Nd:YVO4-Laser bei einer Grundwellenlänge (Fundamentalwellenlänge) von λ1 = 1064 nm.
  • Die NLO-Prozesse sind besonders effektiv, wenn der Ausgangslaser einen Impuls oder Zug von Impulsen mit hoher Spitzenleistung im kW-Bereich emittiert. Übliche Methoden der Impulserzeugung, wie die Güteschaltung und die Modenkopplung sind dem Fachmann hinreichend bekannt.
  • Das gilt auch für die Phasenanpassung, die eine notwendige Bedingung für effiziente Frequenzumwandlungen ist. Sie wird im Allgemeinen durch spezielle Orientierungen des nichtlinearen doppelbrechenden Kristalls und/oder durch Wahl einer geeigneten Kristalltemperatur erreicht und bewirkt, dass die Wellenvektoren dreier beteiligter Wellen die Bedingung k3 = k1 + k2 (für SHG gilt k3 = 2k1) erfüllen. Aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaften des Kristalls fällt die Richtung des Energieflusses (die Richtung des Poyntingvektors s) der außerordentlich (extraordinär, e) polarisierten Welle nicht mit der des Wellenvektors k zusammen. Die Energie der außerordentlich polarisierten Welle läuft unter dem sogenannten "Walk-Off"-Winkel von der ordentlich polarisierten Welle (ordinär, o) weg. Am Ende des Kristalls sind beide Laserstrahlen um die Distanz δ separiert, sie weisen einen räumlichen Walk-Off auf. Diese Erscheinung tritt in allen optisch nichtlinearen Kristallen auf, in denen die Phasenanpassung kritisch (critical phasematching, CPM) erfolgt.
  • So ist im Fall der kritischen Phasenanpassung bei der SHG und der dritten Harmonischen (THG) in einem LBO-Kristall die Grundwelle (λ1 = 1064 nm) ordentlich, die frequenzverdoppelte Strahlung (λ2 = 532 nm) hingegen außerordentlich polarisiert, wodurch die Wechselwirkung der Wellen nicht mehr über die volle Kristalllänge gewährleistet ist; die Effizienz der Umwandlung nimmt ab und es kommt zu unerwünschten Verformungen des räumlichen Strahlprofils.
  • Deshalb ist man bestrebt, technische Lösungen zu finden, mit deren Hilfe der Walk-Off reduziert oder kompensiert werden kann.
  • Besonders gut eignet sich die nichtkritische Phasenanpassung, bei der dieses Walk-Off-Phänomen nicht auftritt und die gegenüber der kritischen Phasenanpassung zahlreiche Vorteile aufweist. Das sind eine hohe Umwandlungseffizienz, die Unempfindlichkeit gegenüber Winkelverkippungen sowie der Erhalt der Radialsymmetrie und Strahlqualität auch im erzeugten außerordentlich polarisierten Laserstrahl.
  • Außerdem sind bei einer gleich großen Umwandlungsrate wie bei der kritischen Phasenanpassung größere Strahlquerschnitte bei entsprechend längerem Kristall möglich, wodurch Probleme, die mit hohen Leistungsdichten verbunden sind, wie die Zerstörung von Antireflex- Schichten, minimiert werden.
  • Zwar kann die nichtkritische Phasenanpassung nur bei einer begrenzten Zähl von optisch nichtlinearen Kristallen und bestimmten Wellenlängen der wechselwirkenden Laserstrahlen erreicht werden, doch existieren auch in der Praxis gut verwertbare Lösungen, wie z. B. der LBO-Kristall, mit dem eine Frequenzverdopplung der Grundwelle von 1064 nm bei einer Kristalltemperatur von etwa 150°C möglich ist.
  • Nicht ausgenutzt werden kann die nichtkritische Phasenanpassung dagegen bei der Verdreifachung (THG) der Laserfrequenz. Da hier die kritische Phasenanpassung unausweichlich ist, sind bereits verschiedene Anordnungen zur Walk-Off-Kompensation beschrieben worden.
  • Aus der US 5 047 668 ist ein optisch parametrischer Oszillator zur Walk-Off-Kompensation bekannt, der für ein und denselben nichtlinearen Prozess ein Paar identischer nichtlinearer Kristalle entlang der Resonatorachse enthält, deren optische Achsen einen Winkel von 2Θ einschließen, wobei Θ als Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (Laserstrahlachse) und der optischen Achse im ersten Kristall positiv und im zweiten Kristall hingegen negativ orientiert ist. Der Walk-Off im ersten Kristall wird durch den "Walk-On" im zweiten Kristall kompensiert.
  • Bei einer Aufeinanderfolge verschiedener nichtlinearer Prozesse, wie z. B. die Erzeugung der zweiten Harmonischen mit einer anschließenden Summenfrequenzbildung ist eine solche Lösung allerdings nicht verwendbar.
  • Die US 5 835 513 beschreibt einen gütegeschalteten Laser mit resonatorextern angeordneten nichtlinearen Kristallen, von denen ein erster Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und ein zweiter Kristall zur Erzeugung der dritten Harmonischen vorgesehen sind. Beide Kristalle sind kritisch phasenangepasst und so orientiert, dass der Walk- Off im ersten Kristall den Walk-Off im zweiten Kristall kompensiert. Die Lehre aus der US 5 047 668 wird auf zwei verschiedenartige nichtlineare Kristalle und Prozesse erweitert.
  • Von Nachteil ist die kritische Phasenanpassung des ersten Kristalls gegenüber einer nichtkritischen Phasenanpassung.
  • Des Weiteren ist es aus der US 5 384 803 bekannt, eine Anordnung aus zwei optischen Keilen zwischen den beiden nichtlinearen Kristallen zu verwenden, mit deren Hilfe die Separation zwischen zwei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge verändert werden kann. Mit einer derartigen Anordnung ist es zwar möglich, die am Ausgang des ersten Kristalls durch den Walk-Off räumlich getrennten Strahlen wieder zusammenzuführen, um so die nachfolgende Summenfrequenzbildung effektiver zu gestalten, doch wird durch die vorgeschlagene Lösung ein erheblicher Platz durch die vergleichsweise schwachen dispersiven Eigenschaften der optischen Keile benötigt. Sind Grundwelle (λ1 = 1064) und zweite Harmonische (λ2 = 532) beispielsweise um 150 µm getrennt (typischer Wert nach einem SHG-Kristall), bewirkt ein 3°-Keil deren Zusammentreffen erst nach ca. 25 cm.
  • Schließlich ist es aus B. Ruffing, A. Nebel, R. Wallenstein, "High-power picosecond LiB3O5 optical parametric oscillators tunable in the blue spectral range", Appl. Phys. B 72, 137-149 (2001) bekannt, die auf den nichtlinearen Kristall einfallenden Strahlen mit orthogonaler Polarisation (o und e) separat zu justieren und nach einem zuvor durch den Walk-Off bedingten Auseinanderlaufen wieder zusammenzuführen. Während die Einstellung des optimalen räumlichen Überlapp durch Spiegel erfolgt, ist für die optimale zeitliche Überlappung eine aus Strahlenteilern und Spiegeln bestehende Verzögerungsstrecke vorgesehen.
  • Auf diese Weise kann prinzipiell sowohl der räumliche als auch der "zeitliche" Walk-Off kompensiert werden, jedoch mit dem Nachteil eines erheblichen Materialaufwandes durch die vielen optischen Bauteile, die außerdem Leistungsverluste infolge der verwendeten dichroitischen Spiegel bewirken und einen vergleichsweise großen Platzbedarf sowie erhöhten Aufwand für die Justierung und Stabilität der optomechanischen Komponenten erfordern.
  • Neben dem bisher beschriebenen räumlichen Walk-Off tritt bei der Frequenzkonversion von ultrakurzen Laserimpulsen mit Impulsdauern im Picosekundenbereich und darunter eine weitere Erscheinung in Form eines zeitlichen Versatzes zwischen den einzelnen zu überlagernden Impulsen auf, die man als zeitlichen Walk-Off bezeichnen kann und die sich ebenfalls nachteilig auf die Konversionseffizienz auswirkt. Der Effekt kommt zum Tragen, wenn die Impulslänge eine Größenordnung erreicht, bei der unterschiedliche Gruppengeschwindigkeiten der sich in der Wellenlänge und Polarisation unterscheidenden wechselwirkenden Lichtimpulse die Impulsüberlagerung beeinträchtigen und ein Auseinanderlaufen bewirken.
  • Lediglich die Anordnung der zuletzt genannten Veröffentlichung ist teilweise in der Lage, diesen zeitlichen Versatz durch die eingebaute Verzögerungsstrecke zu kompensieren, während die US 5 047 668, US 5 835 513 und die US 5 384 803 dazu nicht geeignet sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Konversionseffizienz bei aufeinanderfolgenden nichtlinearen Prozessen mit geringem Material- und Justieraufwand und einer platzsparenden kompakten Anordnung weiter zu erhöhen und hierzu auch die Vorteile der nichtkritischen Phasenanpassung auszunutzen.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zwischen den beiden optisch nichtlinearen Kristallen ein von dem Laserstrahlenpaar durchsetzter doppelbrechender Kristall angeordnet ist, bei dem nichtlineare optische Eigenschaften vermieden sind, wodurch das Laserstrahlenpaar aus dem doppelbrechenden Kristall mit unveränderten Frequenzen austritt. Der außerordentlich polarisierte Laserstrahl unterliegt in dem doppelbrechenden Kristall einem Walk-Off, der dem in einem der beiden Kristalle auftretenden Walk-Off entgegengesetzt gerichtet ist.
  • Zur Vermeidung der nichtlinearen optischen Eigenschaften können doppelbrechende Materialien verwendet werden, bei denen diese Eigenschaft nicht zum Tragen kommt. Es sind aber auch Kristalle einsetzbar, bei denen die nichtlinearen Eigenschaften bewusst durch eine ausgewählte Orientierung der Kristallachse unterdrückt werden.
  • Mit der Erfindung wird ein äußerst platzsparendes optisches Element zur Verfügung gestellt, das in Form eines dünnen doppelbrechenden Kristallplättchens aufgrund hoher Brechzahldifferenzen zur Kompensation sowohl des räumlichen als auch des zeitlichen Walk-Off geeignet ist. Die beiden nichtlinearen Kristalle können somit sehr dicht nebeneinander angeordnet werden. Selbst wenn unter Umständen ein abbildendes Element zur Fokussierung in den zweiten nichtlinearen Kristall erforderlich ist, kann die gesamte Anordnung immer noch kompakt gehalten werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Festkörperlaser mit resonatorextern angeordneten optisch nichtlinearen Kristallen zur Frequenzkonversion einer Laser- Grundfrequenz in andere Frequenzen, von denen ein erster Kristall mit nichtkritischer Phasenanpassung zur Erzeugung einer ersten neuen Frequenz und ein zweiter Kristall mit kritischer Phasenanpassung zur Erzeugung einer zweiten neuen Frequenz durch Frequenzmischung vorgesehen sind, wobei ein in dem ersten Kristall erzeugtes Laserstrahlenpaar Laserstrahlen mit zueinander senkrechter Polarisation aufweist, von denen einer als außerordentlich polarisierter Laserstrahl einem Walk-Off in dem zweiten Kristall unterliegt. Zwischen den beiden optisch nichtlinearen Kristallen ist ein von dem Laserstrahlenpaar durchsetzter doppelbrechender Kristall angeordnet, bei dem nichtlineare optische Eigenschaften vermieden sind, wodurch das Laserstrahlenpaar aus dem doppelbrechenden Kristall mit unveränderten Frequenzen austritt. Der außerordentlich polarisierte Laserstrahl unterliegt in dem doppelbrechenden Kristall einem Walk-Off, der dem Walk-Off in dem Kristall zur Frequenzmischung entgegengesetzt gerichtet ist.
  • In einer anderen Ausbildung der Erfindung bildet ein nichtkritisch phasenangepasster optisch nichtlinearer Kristall zusammen mit einem doppelbrechenden Korrekturkristall eine kompakte optische Einrichtung zur hocheffektiven Erzeugung einer neuen Frequenz aus einer Grundfrequenz, die zusammen mit der Grundfrequenz für eine nichtlineare optische Weiterverarbeitung geeignet ist, indem die beiden, mit unveränderten Frequenzen austretenden Laserstrahlen aufgrund unterschiedlicher Ausbreitungseigenschaften in dem doppelbrechenden Kristall einen räumlich und bei hinreichend kurzen Impulsen auch einen zeitlich wirksam einstellbaren Versatz zueinander aufweisen.
  • Die Konversionseffizienz bei der nachfolgenden nichtlinearen Weiterverarbeitung kann mit einer solchen Einrichtung wesentlich erhöht werden.
  • Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung handelt es sich um eine Einrichtung zur Frequenzmischung bei kollinear verlaufenden Laserstrahlen mit zueinander senkrechter Polarisation und mit einem optisch nichtlinearen Kristall, in dem einer der beiden Laserstrahlen als außerordentlich polarisierter Laserstrahl einem Walk-Off unterliegt. Dem optisch nichtlinearen Kristall, in dem eine Typ II-Wechselwirkung stattfindet, ist ein von den Laserstrahlen durchsetzter doppelbrechender Korrekturkristall für den Walk-Off vorangestellt. Da der Korrekturkristall keine optisch nichtlinearen Eigenschaften besitzt, treten die Laserstrahlen mit unveränderten Frequenzen aus diesem Kristall aus und weisen aufgrund unterschiedlicher Ausbreitungseigenschaften in dem doppelbrechenden Kristall einen räumlich und zeitlich wirksam einstellbaren Versatz zueinander auf, mit dem eine Korrektur des Walk-Off in dem Kristall zur Frequenzmischung erfolgt.
  • Der doppelbrechende Kristall kann zum Ausgleich des räumlichen und des zeitlichen Walk-Off bei gepulsten Laserstrahlungen vorgesehen sein oder aber nur zum Ausgleich des räumlichen oder des zeitlichen Walk-Off.
  • Der durch den räumlichen Walk-Off bestimmte gegenseitige Versatz der beiden Laserstrahlen bei deren Austritt aus dem doppelbrechenden optischen Kristall kann durch die Wahl des kristallinen Materials, des Winkels zwischen der optischen Kristallachse und der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen sowie der optischen Weglänge derart eingestellt werden, dass in dem Kristall zur Frequenzmischung eine maximale Strahlüberlappung erzeugt wird.
  • Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht es vor, den Versatz, mit dem die beiden Laserstrahlen aus dem doppelbrechenden optischen Kristall aus- und in den Kristall zur Frequenzmischung eintreten, annähernd gleich dem Versatz einzustellen, der für diese Laserstrahlen in den Kristall zur Frequenzmischung erzeugt wird.
  • Ist der doppelbrechende Kristall nur zum Ausgleich eines zeitlichen Walk-Off-Effektes vorgesehen, sollte der doppelbrechende Kristall aus einem Material mit einer für die beiden Laserstahlen unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeit bestehen und eine optische Weglänge aufweisen, mit der eine Laufzeitdifferenz für die beiden in dem Kristall zur Frequenzmischung zu überlagernden Laserstrahlenimpulse ausgeglichen wird.
  • Schließlich kann in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Effekt der Impulsverzögerung oder -beschleunigung der doppelbrechende optische Kristall negativ oder positiv einachsig sein.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
  • Fig. 1 Blockschaltbild für eine Laserstrahlquelle mit resonatorexterner Frequenzkonversion
  • Fig. 2 eine erfindungsgemäß ausgebildete Frequenzkonversionseinheit
  • Fig. 3 den doppelbrechenden Kristall zur Kompensierung des räumlichen und zeitlichen Walk-Off
  • Fig. 4 Kurvenverläufe zur Abhängigkeit des Walk-Off vom Winkel Θ für doppelbrechende Kristalle unterschiedlicher Länge
  • Die in Fig. 1 enthaltene Anordnung bezieht sich auf eine Laserstrahlquelle mit resonatorexterner Frequenzverdreifachung (third harmonic generation, THG), insbesondere einen gepulsten Laser in Form eines UV- Festkörperlasers mit einem Nd:YVO4-Laserkristall, der beispielsweise für das Belichten und Bohren von Leiterplatten, das Schneiden von Siliziumwafern oder die Stereolithographie verwendet werden kann. Gerade bei diesen Anwendungsgebieten sind die Anforderungen an die Laserstrahlquelle hinsichtlich Laserleistung, Effizienz der UV-Erzeugung, Strahlqualität und Langlebigkeit besonders hoch.
  • Frequenzverdreifachung eines Nd:YVO4-Laser erfolgt üblicherweise durch SHG in den grünen Bereich (λ2 = 532 nm) und nachfolgender SFG der grünen Laserstrahlung mit der restlichen Lasergrundfrequenz. Die so entstehende dritte Harmonische hat eine Wellenlänge von λ3 = 355 nm.
  • Eine von einem Laseroszillator 1, der gütegeschaltet oder modengekoppelt arbeiten kann, ausgehende Laserstrahlung mit einer Lasergrundfrequenz 2 wird nach Durchlaufen eines optischen Isolators 3 vorteilhaft in einem Laserverstärker 4 verstärkt. Der Verstärkungsfaktor kann durch eine geeignete Dimensionierung so gewählt werden, dass die nachfolgende Frequenzkonversion in einer Frequenzkonversionseinheit 5 besonders effektiv erfolgt bzw. die für die jeweilige Applikation erforderliche UV- Leistung erreicht wird.
  • Die resonatorextern angeordnete Frequenzkonversionseinheit 5 besteht aus einer Einheit 6 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen 7 mit einem ersten optisch nichtlinearen Kristall C1 und einer Einheit 8 zur Erzeugung der dritten Harmonischen 9 mit einem zweiten optisch nichtlinearen Kristall C2. Geeignete dichroitische Spiegel oder dispersive Elemente 10 trennen die Strahlung der dritten Harmonischen 9 von der verbliebenen Lasergrundfrequenz 2 und der zweiten Harmonischen 7.
  • Gemäß Fig. 2 enthält die Frequenzkonversionseinheit 5 zwei LBO-Kristalle (Lithiumtriborat, LiB3O5) für die beiden optisch nichtlinearen Kristalle C1 und C2. Während der nichtkritisch phasenangepasste Kristall C1 eine Orientierung Θ = 90° und φ = 0° bei einer Phasenanpassungstemperatur von ca. 150°C besitzt, ist der Kristall C2 mit Θ ≍ 43°, φ = 90° etwa bei Raumtemperatur kritisch phasenangepasst.
  • Die Laserstrahlen der Lasergrundfrequenz 2 und der zweiten Harmonischen 7 sind zueinander senkrecht polarisiert und verlassen den Kristall C1 aufgrund der nichtkritischen Phasenanpassung kollinear.
  • Der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ordentlich polarisiert ursprüngliche Laserstrahl und die außerordentlich polarisierte zweite Harmonische überlagern sich im zweiten optisch nichtlinearen Kristall C2 und erzeugen durch nichtlineare Wechselwirkung die dritte Harmonische 9.
  • Bevor es jedoch zu der nichtlinearen Wechselwirkung kommt, durchsetzen die beiden Laserstrahlen 2 und 7 einen doppelbrechenden Kristall 11, der zur Kompensation eines räumlichen und eines zeitlichen Walk-Off in dem Kristall C2 zwischen den beiden nichtlinearen Kristallen C1 und C2 angeordnet ist, wodurch eine vergrößerte Wechselwirkungslänge in dem Kristall C2 erreicht wird. Der doppelbrechende Kristall 11 weist entweder eine solche Materialzusammensetzung auf oder ist derart orientiert angeordnet, dass die beiden Laserstrahlen 2 und 7 keiner nichtlinearen Frequenzkonversion unterliegen und aus dem Kristall 11 mit unveränderten Frequenzen wieder austreten. Der Kristall 11 ist allerdings derart angeordnet, dass der außerordentlich polarisierte Laserstrahl, hier die zweite Harmonische 7, einen Walk-Off erleidet und mit einem Walk- Off-Winkel ρ von der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung der Lasergrundfrequenz 2 abgelenkt wird, so dass der ordentlich polarisierte und der außerordentlich polarisierte Laserstrahl mit einem Abstand δ aus dem doppelbrechenden Kristall 11 austreten. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 3 für einen negativ einachsigen doppelbrechenden Kristall dargestellt mit k für den Wellenvektor, o für den ordentlich polarisierten Laserstrahl, e für den außerordentlich polarisierten Laserstrahl, Θ für den Winkel zwischen der optischen Achse Z des Kristalls 11, auf der ordentlicher und außerordentlicher Strahl gleiche Brechnungsindizes besitzen, und der Ausbreitungsrichtung z der Laserstrahlung entlang der Strahlachse.
  • Die Wirkung der Kompensation des räumlichen Walk-Off durch den Kristall 11 verdeutlicht der gestrichelt dargestellte Verlauf eines außerordentlich polarisierten Laserstrahls 7'. Ein sofortiges Auseinanderlaufen beider Laserstrahlen würde ohne die Kompensation zu einer reduzierten Wechselwirkungslänge führen. Die einander entgegengesetzt gerichteten Ablenkungen für den außerordentlich polarisierten Laserstrahl 7 in dem Kristall 11 und dem nichtlinearen Kristall C2 kompensieren dagegen diesen Effekt in der dargestellten Weise. Der ordentlich polarisierte und der außerordentlich polarisierte Laserstrahl schneiden sich bei dem im vorliegenden Beispiel erzeugten Abstand δ etwa in der Kristallmitte von C2.
  • Eine solche Kompensation ist nicht auf den Impulsbetrieb des Lasers beschränkt, jedoch sind nichtlineare optische Prozesse besonders effektiv, wenn die Laserstrahlung mit der Lasergrundfrequenz impulsförmig mit einer hohen Spitzenleistung im kW-Bereich ausgebildet ist. In jedem Fall ist diese Art der Kompensation sowohl für Nanosekunden-Impulse eines gütegeschalteten Lasers als auch Picosekunden-Impulse eines modengekoppelten Lasers vorteilhaft.
  • Liegen die Impulse im Picosekunden- oder in einem niedrigeren Bereich vor, tritt neben dem räumlichen Walk- Off ein weiterer Effekt auf, bei dem die Impulse des ordentlich polarisierten Laserstrahls einen Zeitversatz zu denen des außerordentlich polarisierten Laserstrahls aufweisen, was als zeitlicher Walk-Off bezeichnet werden kann. Das soll durch die gestrichelte Darstellungsweise eines Impulses 7" verdeutlicht werden, der gegenüber einem Impuls 2' verschoben ist. Dieser bereits im ersten nichtlinearen Kristall C1 auftretende Effekt ist auch in dem zweiten nichtlinearen Kristall C2 zu finden und kann ebenfalls mit Hilfe des doppelbrechenden Kristalls 11 kompensiert werden, indem der Impuls 7" gegenüber dem Impuls 2' zeitlich verschoben wird.
  • Im vorliegenden Fall von zwei LBO-Kristallen läuft der Impuls der zweiten Harmonischen in beiden nichtlinearen Kristallen C1 und C2 langsamer als der Impuls der Lasergrundfrequenz. Deshalb erhält der Impuls 7" aufgrund der speziellen doppelbrechenden Eigenschaften des Kristalls 11 und der damit verbundenen höheren Gruppengeschwindigkeit des Impulses der zweiten Harmonischen gegenüber dem Impuls der Lasergrundfrequenz den entsprechenden "Vorlauf" gegenüber dem Impuls 2'.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der doppelbrechende Kristall 11 derart ausgebildet, dass ausschließlich eine zeitliche Beeinflussung der Impulse, wie z. B. eine Verzögerung bei den Impulsen des außerordentlich polarisierten Laserstrahls gegenüber denen des ordentlich polarisierten Laserstrahls, aber kein räumlicher Walk-Off hervorgerufen wird. Von besonderem Interesse ist diese Einstellmöglichkeit, wenn der zweite nichtlineare Kristall C2 ebenso wie der erste nichtkritisch phasenangepasst ist.
  • Nachfolgend wird der doppelbrechende Kristall 11 und seine Wirkung im Zusammenhang mit den beiden nichtlinearen Kristallen C1 und C2 am Beispiel der Erzeugung der dritten Harmonischen (THG, 355 nm) bei einem Nd:YVO4-Laser aus einer infraroten Lasergrundstrahlung (1064 nm) und einer daraus durch Frequenzverdopplung abgeleiteten grünen zweiten Harmonischen (SHG, 532 nm) mit Hilfe zweier LBO- Kristalle näher beschrieben.
  • Die Tabelle beinhaltet Angaben zum Walk-Off-Winkel ρ und zum reziproken Gruppengeschwindigkeitsunterschied (group velocity mismatch) GVMIR-GR als Maß für das Auseinanderlaufen der Lichtimpulse der infraroten Lasergrundstrahlung und der grünen Frequenzverdoppelten. Letzterer ist definiert durch


  • Dabei ist v die Gruppengeschwindigkeit; negatives Vorzeichen von GVMIR-GR bedeutet, dass der grüne Impuls dem infraroten Impuls hinterherläuft.

  • Bei typischen Längen der LBO-Kristalle C1 und C2 von ca. 10 bis 20 mm sammelt der grüne Impuls somit einen Rückstand von ca. 1.5 bis 3 ps gegenüber dem infraroten Impuls auf. Der räumliche Walk-Off δC2 am Ausgang des LBO- Kristalls C2 beträgt ca. 95 bis 190 µm.
  • Der doppelbrechende Kristall 11 muss als Kompensator des im LBO-Kristalls C2 auftretenden räumlichen Walk-Off δC2 selbst einen räumlichen Walk-Off δ11 von annähernd gleicher Größe bewirken. Vorteilhaft ist beispielsweise auch eine Separation von außerordentlich und ordentlich polarisiertem Laserstrahl um δC2/2, jedoch hängt der optimale Wert von konkreten Bedingungen, wie Laserstrahldurchmesser und Impulsleistung ab. Im jeweiligen Anwendungsfall kann dieser Wert experimentell ermittelt werden, wobei eine optimale Konversionseffizienz als Maß dienen sollte.
  • Soll der doppelbrechende Kristall 11 gleichzeitig neben dem räumlichen auch den zeitlichen Walk-Off kompensieren, muss neben der Auswahl eines geeigneten, für beide Wellenlängen transparenten doppelbrechenden Materials mit vIR < vGR auch seine Länge geeignet dimensioniert werden.
  • Bei einem außerordentlich polarisierten grünen Laserstrahl eignen sich besonders negativ einachsige Kristalle als Kompensatormaterial, bei denen no > ne gilt (no - Brechzahl für die ordentlich polarisierte Laserstrahlung, ne = ne(Θ = 90°) - Brechzahl für die außerordentlich polarisierte Laserstrahlung).
  • Bei umgekehrtem Gruppengeschwindigkeitsverhältnissen (vo < ve) der beiden wechselwirkenden Laserstrahlen bieten sich positiv einachsige Kristalle an. Das ist für das Beispiel der Summenfrequenzbildung λ1 = 1535, λ2 = 1064 → λ3 = 628,5 nm) wegen v1,o < v2,e der Fall.
  • Will man dagegen nur einen räumlichen Walk-Off kompensieren, wie es bei der Wechselwirkung von vergleichsweise langen Nanosekunden-Impulsen ausreichend ist, kann der doppelbrechende Kristall 11 negativ oder positiv einachsig sein.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird für den doppelbrechenden Kristall 11 ein negativ einachsiger Calcit-Kristall verwendet, der für beide Wellenlängen (532 nm, 1064 nm) transparent ist. Für Calcit gilt ferner no = 1,6629, ne = 1,4885 und GVMIR-GR = 0,5 ps/mm.
  • Der Dimensionierung des doppelbrechenden Kristalls 11 dienen die in Fig. 4 enthaltenen Kurvenverläufe für den räumlichen Walk-Off δ am Ausgang des Calcit-Kristalls in Abhängigkeit vom Winkel Θ für vier verschiedene Kristalllängen.
  • Wird für eine optimale Konversionseffektivität ein räumlicher Walk-Off δ = 100 µm benötigt, würde z. B. ein Kristall mit L = 2 mm und Θ ≍ 75° oder L = 3 mm und Θ ≍ 80° oder L = 4 mm und Θ ≍ 83° in Frage kommen.
  • Will man aber gleichzeitig eine ganz bestimmte zeitliche Beeinflussung der Impulse, insbesondere die Verzögerung der Impulse des außerordentlich polarisierten Laserstrahls zur Kompensation des zeitlichen Walk-Off erreichen, ist L festgelegt; soll beispielsweise die Laufzeit des grünen Impulses 1,5 ps kürzer sein als die des infraroten Impulses, ist für das vorliegende Beispiel eine Kristalllänge von L = 3 mm zu wählen.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht gemäß Fig. 5 für die Frequenzkonversionseinheit 5 zwei optisch nichtlineare Kristalle C3 und C4 vor, von denen der erste Kristall C3 kritisch phasenangepasst und der zweite Kristall C4 nichtkritisch phasenangepasst ist.
  • Die Laserstrahlen der Lasergrundfrequenz 2 und der zweiten Harmonischen 7 sind zueinander senkrecht polarisiert, wobei der außerordentlich polarisierte Laserstrahl der zweiten Harmonischen 7 einen Walk-Off aufgrund der kritischen Phasenanpassung erleidet und den Kristall C3 mit einem Versatz zu dem Laserstrahl der Lasergrundfrequenz 2 verlässt. Der nichtdargestellte Effekt des zeitlichen Walk-Off wirkt analog in der bereits beschriebenen Weise. Zur optimalen Wechselwirkung in dem zweiten optisch nichtlinearen Kristall C4 wird zwischen den beiden Kristallen C3 und C4 ein doppelbrechender Kristall 12 zur Kompensation des räumlichen und des zeitlichen Walk-Off in dem Kristall C3 angeordnet. Der doppelbrechende Kristall 12 weist wiederum entweder eine solche Materialzusammensetzung auf oder ist derart orientiert angeordnet, dass die beiden Laserstrahlen 2 und 7 keiner nichtlinearen Frequenzkonversion unterliegen und aus dem Kristall 12 mit unveränderten Frequenzen wieder austreten. Der Kristall 12 ist allerdings derart angeordnet, dass der außerordentlich polarisierte Laserstrahl, hier die zweite Harmonische 7, einen räumlichen Walk-Off in entgegengesetzter Richtung wie in dem ersten Kristall C3 erleidet, so dass beide Laserstrahlen koaxial aus dem doppelbrechenden Kristall 12 austreten. Zur Kompensation des zeitlichen Walk-Off werden die hier nicht dargestellten Impulse mit Hilfe des doppelbrechenden Kristalls 12 zeitlich so verschoben, dass in dem Kristall C4 eine optimale nichtlineare Wechselwirkung ermöglicht wird.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So können Umwandlungen bei anderen Frequenzen und mit anderen Kristallen erfolgen. Wesentlich für die Erfindung ist die nichtlineare Frequenzkonversion zweier Laserstrahlen, von denen einer in einem der Kristalle einen Walk-Off erleidet. Der doppelbrechende Kristall kann auch aus anderen Materialien bestehen, wofür beispielhaft der Kristall α-BBO genannt werden kann.
  • Auch die Verwendung zusätzlicher fokussierender Optiken ist möglich. Die dabei erforderlichen Modifikationen können in fachgemäßer Weise vorgenommen werden und beeinträchtigen nicht die Ausnutzung der erfinderischen Idee.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Frequenzkonversion einer Laser- Grundfrequenz in andere Frequenzen mit nacheinander angeordneten optisch nichtlinearen Kristallen, von denen ein erster Kristall zur Erzeugung einer ersten neuen Frequenz und ein zweiter Kristall zur Erzeugung einer zweiten neuen Frequenz durch Frequenzmischung vorgesehen sind, und ein in dem ersten Kristall erzeugtes Laserstrahlenpaar Laserstrahlen mit zueinander senkrechter Polarisation aufweist, von denen einer als außerordentlich polarisierter Laserstrahl einem Walk-Off in einem der beiden optisch nichtlinearen Kristallen unterliegt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden optisch nichtlinearen Kristallen ein von dem Laserstrahlenpaar durchsetzter doppelbrechender Kristall angeordnet ist, bei dem nichtlineare optische Eigenschaften vermieden sind, wodurch das Laserstrahlenpaar aus dem doppelbrechenden Kristall mit unveränderten Frequenzen austritt, und dass der außerordentlich polarisierte Laserstrahl in dem doppelbrechenden Kristall einem Walk-Off unterliegt, der dem in einem der beiden Kristalle auftretenden Walk-Off entgegengesetzt gerichtet ist.
2. Festkörperlaser mit resonatorextern angeordneten optisch nichtlinearen Kristallen zur Frequenzkonversion einer Laser-Grundfrequenz in andere Frequenzen, von denen ein erster Kristall mit nichtkritischer Phasenanpassung zur Erzeugung einer ersten neuen Frequenz und ein zweiter Kristall mit kritischer Phasenanpassung zur Erzeugung einer zweiten neuen Frequenz durch Frequenzmischung vorgesehen sind, wobei ein in dem ersten Kristall erzeugtes Laserstrahlenpaar Laserstrahlen mit zueinander senkrechter Polarisation aufweist, von denen einer als außerordentlich polarisierter Laserstrahl einem Walk-Off in dem zweiten Kristall unterliegt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden optisch nichtlinearen Kristallen ein von dem Laserstrahlenpaar durchsetzter doppelbrechender Kristall angeordnet ist, bei dem nichtlineare optische Eigenschaften vermieden sind, wodurch das Laserstrahlenpaar aus dem doppelbrechenden Kristall mit unveränderten Frequenzen austritt, und dass der außerordentlich polarisierte Laserstrahl in dem doppelbrechenden Kristall einem Walk-Off unterliegt, der dem Walk-Off in dem Kristall zur Frequenzmischung entgegengesetzt gerichtet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelbrechende Kristall zum Ausgleich des räumlichen und zeitlichen Walk-Off einer gepulsten Laserstrahlung vorgesehen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelbrechende Kristall zum Ausgleich des räumlichen Walk-Off vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den räumlichen Walk-Off bestimmte gegenseitige Versatz der beiden Laserstrahlen bei deren Austritt aus dem doppelbrechenden Kristall durch die Wahl des kristallinen Materials, des Winkels zwischen der optischen Kristallachse und der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen sowie der optischen Weglänge derart eingestellt ist, dass in dem Kristall zur Frequenzmischung eine maximale Strahlüberlappung erzeugt wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz, mit dem die beiden Laserstrahlen aus dem doppelbrechenden Kristall aus- und in den Kristall zur Frequenzmischung eintreten, annähernd gleich dem Versatz ist, der für diese Laserstrahlen in den Kristall zur Frequenzmischung erzeugt wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelbrechende Kristall nur zum Ausgleich eines zeitlichen Walk-Off-Effektes einer gepulsten Laserstrahlung vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelbrechende Kristall aus einem Material mit einer für die beiden Laserstahlen unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeit besteht und eine optische Weglänge aufweist, mit der eine Laufzeitdifferenz für die beiden in dem Kristall zur Frequenzmischung zu überlagernden Laserstrahlenimpulse ausgeglichen wird.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelbrechende Kristall ein negativ einachsiger Kristall ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelbrechende Kristall ein positiv einachsiger Kristall ist.
11. Einrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen aus einer Laserstrahlung mit einer Lasergrundfrequenz mit einem nichtkritisch phasenangepassten optisch nichtlinearen Kristall, dadurch gekennzeichnet, dass dem optisch nichtlinearen Kristall ein doppelbrechender Kristall nachgeordnet ist, in den die Laserstrahlen der Lasergrundfrequenz und der zweiten Harmonischen kollinear eintreten und durch den die beiden, mit unveränderten Frequenzen austretenden Laserstrahlen aufgrund unterschiedlicher Ausbreitungseigenschaften in dem doppelbrechenden Kristall einen räumlich und zeitlich wirksam einstellbaren Versatz zueinander aufweisen.
12. Einrichtung zur Frequenzmischung bei kollinear verlaufenden Laserstrahlen mit zueinander senkrechter Polarisation und mit einem optisch nichtlinearen Kristall, in dem einer der beiden Laserstrahlen als außerordentlich polarisierter Laserstrahl einem Walk- Off unterliegt, dadurch gekennzeichnet, dass dem optisch nichtlinearen Kristall ein von den Laserstrahlen durchsetzter doppelbrechender Kristall vorangestellt ist, bei dem nichtlineare optische Eigenschaften vermieden sind, wodurch die Laserstrahlen mit unveränderten Frequenzen aus dem doppelbrechenden Kristall austreten und aufgrund unterschiedlicher Ausbreitungseigenschaften in dem doppelbrechenden Kristall einen räumlich und zeitlich wirksam einstellbaren Versatz zueinander aufweisen, mit dem eine Korrektur des Walk-Off in dem Kristall zur Frequenzmischung erfolgt.
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