DE102004003750A1

DE102004003750A1 - Gekoppelte optische Resonatoren

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Publication number: DE102004003750A1
Application number: DE102004003750A
Authority: DE
Original assignee: Raab Volker Dr
Current assignee: Raab Volker Dr
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-11
Also published as: DE112005000657D2; WO2005076420A1

Abstract

Gekoppelte optische Resonatoren,
a. in deren einem Resonator R1 mit einer optischen Länge L1 und einer Finesse F1 (auch als Güte bezeichnet) die Leistungsüberhöhung für technische Prozesse (insbesondere Frequenzvervielfachung und -mischung) genutzt wird,
b. in einen weitereren Resonator R2 mit einer optischen Länge L2 und einer Finesse F2, der ein optisch verstärkendes Medium enthält, das vorzugsweise ein Halbleiter ist, die Energie von außen zugeführt wird
c. und es möglicherweise weitere angekoppelte Resonatoren gibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
d. die verschiedenen Längen L und Resonatorgüten F so aufeinander abgestimmt sind, dass es immer gemeinsame Resonanzfrequenzen innerhalb des Verstärkungsbereichs des verstärkenden Mediums gibt, auch wenn durch äußere Einflüsse (Vibrationen, Temperaturschwankungen, Stellelemente oder sonstiges) moderate Variationen der optischen Weglängen L auftreten, was insbesondere dadurch realisiert sein kann, dass die Länge L2 des Resonators mit verstärkendem Medium um den Faktor F1 länger ist als L1, also folgende Beziehung gilt: L2...

Description

Stand der Technik
Viele nichtlineare Prozesse der Optik sind von hoher technischer Relevanz, so zum Beispiel die Frequenz-Verdopplung. Dabei erzeugt man Licht bei einer Wellenlänge, um es dann mittels nichtlinearer Kristalle in Licht der halben Wellenlänge, also doppelter Frequenz umzuwandeln. Charakteristisch für nichtlineare Effekte ist dabei, dass sie nicht proportional zur eingestrahlten Intensität sind, sondern mit höherer Potenz davon abhängen. Deshalb sind die Effekte bei geringen Intensitäten äußerst schwach, wachsen aber bei hohen Intensitäten stark an. Somit ist es sinnvoll, die Intensität eines vorhandenen Lichtfelds in einem (Hilfs)-Resonator R1 resonant zu überhöhen. Dazu muss aber das eingestrahlte Licht eine zum Resonator R1 passende Wellenlänge besitzen.
Da inkohärentes Licht zu schwach für nichtlineare Effekte ist, wird praktisch immer Laserlicht als Lichtquelle für nichtlineare Prozesse genutzt. Laserlicht entsteht in einem Laserresonator R2, der ein aktives Material enthält, in dem die von außen zugeführte Energie in Licht umgewandelt wird. Das Licht enthält dann all diejenigen Frequenzen, die den Resonanzen des Laserresonators R2 entsprechen.
Das primäre Problem besteht darin, den Pumpresonator R2, in dem das Laserlicht erzeugt wird, in seiner Frequenz an diejenigen des Hilfsresonators R1 anzupassen, so dass das erzeugte Licht auch wirklich in R1 eindringen kann und nicht am Eingangsspiegel reflektiert wird. Dabei ist zu beachten, dass die von einem Resonator akzeptierten Frequenzen v und Wellenlängen λ = c/ν bestimmt sind durch Frequenzbänder um die Vielfachen des „freien Spektralbereichs" („free spectral range", FSR), deren Bandbreite Δν = FSR/F durch die Finesse F bestimmt ist: i·*FSR – Δν/2 < ν < i·FSR + Δν/2, bzw. |ν/FSR – i| < 1/F jeweils für ein beliebiges aber ganzzahliges i. Mehrere Resonatoren koppeln nur dann gut aneinander, wenn es gemeinsame ν gibt, die die Resonanzbedingung für alle beteiligten Resonatoren erfüllen. Das wird umso schwieriger, je höher die einzelnen Güten, also je schmaler die Bänder und je kürzer die Resonatoren, also je größer die FSR sind. Die FSR lautet für lineare Resonatoren FSR = c/(2L) und für Ringresonatoren FSR = c/L.
Zwei gängige Verfahren der Resonanz-Erfüllung existieren. Erstens der Einbau des nichtlinearen Mediums in den Resonator R2 unter Verzicht auf einen zweiten Resonator R1. Und zweitens der Aufbau zweier Resonatoren und einer elektronischen und elektrooptischen oder elektromechanischen Regelschleife, die eine kontinuierliche Anpassung der Resonanzfrequenzen aneinander vornimmt, wenn äußere Einflüsse (Temperaturdrift, Vibration, Stromänderung) die optischen Wege verändert haben.
Der Einbau des nichtlinearen Mediums in den Pumpresonator ist nicht praktikabel, wenn das aktive Medium ein kantenemittierender Halbleiter ist, da die maximal zulässige Leistungsdichte solcher Halbleitermaterialien keine sinnvolle Leistungsüberhöhung zulässt, so dass sich dieses Verfahren allenfalls für Festkörperlaser und Vertikalemitter eignet. Das Verfahren mit aktiver Regelschleife ist auch für Halbleiter-Emitter praktikabel und existiert kommerziell. Allerdings ist der Aufwand außerordentlich hoch. Außerdem lässt dieses Verfahren jeweils nur eine Wellenlänge zu. Letzteres ist unpraktikabel für Projektionseinrichtungen, da schmalbandiges Licht zu Interferenzeffekten führt. Diese, als „Speckle" bezeichneten Effekte führen zu einem unruhigen und grobkörnigen Bild.
Problem
Das zu lösende Problem besteht also darin, eine Anordnung oder ein Verfahren zu finden, das die aktive Regelschleife bei Systemen mit Kantenemittern entbehrlich macht, indem sich die Resonatoren R1 und R2 selbsttätig gemeinsame Resonanzfrequenzen „suchen" und auf diesen oszillieren. Dieser Prozess soll möglichst auch mit mehreren Frequenzen gleichzeitig funktionieren.
Lösung
Die Lösung des Problems beruht darauf, den Pumpresonator R2 lang genug und mit geringer Güte zu bauen.
Die gekoppelten Resonatoren müssen so eingestellt werden, dass ihre jeweiligen Resonanzen sich nicht gegenseitig beeinflussen können. Ausserdem muss sichergestellt werden, dass es unter allen Umständen eine Wellenlänge gibt, die für beide Resonatoren gleichzeitig resonant ist. Diese Voraussetzungen verknüpfen die freien Spektralbereiche („free spectral range", FSR) und die Güten F der beiden gekoppelten Resonatoren. Erfüllbar sind diese Bedingungen, wenn der pumpende Resonator R2 mindestens um das Verhältnis der Güte F1 länger ist als der leistungsüberhöhende Resonator R1. Dies wird klar, wenn man bedenkt, dass eine Wellenlänge innerhalb der i-ten Resonanz eines Resonators folgende Bedingung erfüllt: (i – 1/F)·FSR < λ < (i + 1/F)·FSR. Diese Wellenlängen-Formel besagt, dass die Umlauflänge des überhöhenden Resonators R1 bis auf höchstens λ/F1 einem Vielfachen der Wellenlänge λ entspricht, pro Umlauf also bis zu 2π/F1 Phasendifferenz auftreten kann. Wenn dieses Licht aus dem ankoppelnden Spiegel austritt, durch das Verstärkungsmedium läuft und zum Resonator R1 zurückkehrt, muss es laut Voraussetzung mindestens einen Weg L1·F1 < L2 zurücklegen. Es kumuliert sich also eine Phasendifferenz von bis zu 2π/F1·F1 = 2π. Das entspricht genau der Resonanzbedingung des Resonators R2. Mit anderen Worten lässt sich so über eine Anpassung der optischen Längen an die Resonatorgüten ein System schaffen, das auch unter (schwach) variierenden äußeren Bedingungen, beispielsweise thermischen Ausdehnungen, immer eine gemeinsame Resonanzfrequenz besitzt, ohne dass eine aktive Regelung eines der beiden Ringe notwendig würde. Dies zeichnet es gegenüber herkömmlichen Konzepten aus, die aktiv geregelte Kontrollmechanismen voraussetzen und in die jeweiligen FSR eingreifen, indem die optische Länge von mindestens einem Resonator variiert wird.
Erreichte Vorteile
Die vorgeschlagene Lösung ist effizient, da sie im wesentlichen mit den gleichen optischen Komponenten auskommt, wie die existierenden Lösungen, aber auf viele Komponenten verzichten kann.
Die vorgeschlagene Lösung ist einfach, da sie vollkommen passiv, also ohne komplizierte und fehleranfällige Regelschleifen auskommt und auch alle Wandlerverfahren von optischen in elektronische und zurück einsparen kann.
Die vorgeschlagene Lösung ist flexibel, da sie auf eine große Zahl von unterschiedlichen Halbleiterstrukturen anwendbar ist. Zudem können viele Halbleiter auch an derartige Anwendungen angepasst werden.
Die vorgeschlagene Lösung ist für vielfältige Prozesse einsetzbar, die hohe optische Leistungen benötigen.
Die vorgeschlagene Lösung ist in der Lage, bei geeignet gewählten FSR und Verstärkungsprofilen auf mehreren Wellenlängen gleichzeitig zu operieren. Dadurch wird die Kohärenz des entstehenden Lichts teilweise zerstört, was für viele technische Anwendungen (insbesondere Projektions-Apparaturen) von hoher Wichtigkeit ist.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung
Dieser prinzipielle Aufbau bewirkt, dass sich der pumpende Laser selbsttätig an die Wellenlänge des leistungsüberhöhenden Resonators anpassen kann. Dadurch werden aktive Regelschleifen überflüssig. In der Praxis sind einige weitere Aspekte zu berücksichtigen, die unter anderem anhand der 1 und 2 erläutert werden sollen:

a) Der treibende lichterzeugende Resonator R2 muss in Maßen durchstimmbar sein, damit er sich an die Wellenlänge des leistungsüberhöhenden Resonators R1 anpassen kann.
b) Der leistungsüberhöhende Resonator R1 muss ein Rückkopplungs-Signal liefern, das dem treibenden Resonator R1 die notwendige Wellenlänge vorgibt.
c) Der Resonator R1 muss als Filter wirken und Wellenlängen, die nicht resonant sind, aus dem Gesamtsystem entfernen. Insbesondere dürfen nicht-resonante Wellenlängen nicht in das verstärkende Medium zurückkoppeln.
d) Wünschenswert ist es, wenn Licht im Resonator R1 vorzugsweise nur in einer Richtung umläuft, da dann beispielsweise der nichtlineare Kristall auch frequenzverdoppeltes Licht nur in einer Richtung emittiert.
e) Hinzu kommen alle Aspekte, die generell für nichtlineare optische Prozesse gelten: hohe Eingangs-Lichtleistungen, gute Strahlqualität, angepasste

Fokussierung, genaue Justage aller optischer Komponenten.
Diese genannten Anforderungen lassen sich schrittweise in ein Resonatordesign umsetzen. So folgt aus Forderung c), dass der Ankoppelspiegel (3b) unter einem Winkel im Strahlengang stehen muss. Handelt es sich beim Resonator R1 in diesem Fall um eine lineare Anordnung, so würde sowohl Bedingung d) verletzt, als auch hohe Resonatorverluste auftreten, da ein schräger Einfall zu „walk-off" führt, also einer seitwärts-Drift des Feldes im Resonator R1.
Zusammen genommen sollte der Resonator R1 also ein Ringresonator sein. Ein solcher Ringresonator kann ein Rückkoppel-Signal prinzipiell über jeden seiner Umlenkspiegel (3b, 3c, 5b, 8a, 8b) liefern. Der Einkoppelspiegel ist hier aber wiederum auszuschließen, da anderenfalls gemäß Bedingung c) das Rückkoppel-Licht nicht vom nichtresonanten Licht zu unterscheiden wäre. Deshalb ist ein zweiter Umlenkspiegel (3c) teildurchlässig zu wählen. Damit dieses Rückkoppel-Signal wieder zum verstärkenden Medium (1) gelangt, muss es entweder wieder zurück durch den Verdoppler-Ring (Widerspruch zu d)), oder auf einem anderen Weg geführt werden. Die zweite Variante bedeutet dann, dass auch der treibende Resonator einen Ringresonator bildet, nämlich längs (4b, 5b). Zusammen genommen handelt es sich also um zwei Ringresonatoren, die ein gemeinsames Stück optischen Weg besitzen, nämlich genau den Teil, der zwischen Einkoppel- und Rückkoppelspiegel des Verdopplungs-Rings liegt, also die Strecke zwischen den Spiegeln (3b) und (3c).
Die notwendige Länge L2 des Resonators R2 lässt sich einfach erhalten, indem das Licht durch eine Faser (6) geleitet wird, die platzsparend lange optische Wege ermöglicht.
Zwei weitere Bedingungen an die gekoppelten Resonatoren sind zudem erläuterungswürdig:
die gewünschte Umlaufrichtung und die sogenannte Impedanzanpassung. Um möglichst viel Licht in den verdoppelnden Resonator einkoppeln zu können, müssen die Reflektivitäten des Eintritts- und des Austrittsspiegels (3b, 3c) an die Konversionseffizienz und die resonatorinternen Verluste angepasst werden: das Produkt aus Verlustfaktor V, Konversionsfaktor (1 – η) und Rückkopplungsgrad R_FB an Spiegel (3c) muss gleich der Einkoppelreflektivität R_in = V·(1 – η)·R_FB an Spiegel (3b) sein, da anderenfalls ein Teil des Lichts vom Eintrittsspiegel wegreflektiert wird. Zweitens besitzen ohne weitere Maßnahmen beide Umlaufrichtungen durch die gekoppelten Ringe im wesentlichen die selben Verluste, so dass sich ein Gleichgewicht einstellen würde, in dem gleich viel Licht in beiden Richtungen zirkuliert. Das ist gemäß Bedingung d) nicht wünschenswert. Abhilfe lässt sich mit Hilfe einer optischen Diode (2) schaffen, die Licht nur in einer Richtung passieren lässt. Wenn diese optische Diode varmieden warden soll kann altarnativ an einem (im prinzin beliebigen) teildurchlässigen Umlenkspiegel (3a in 1) ein Hilfsspiegel (4a) angebracht werden, der nur Licht der einen Umlaufrichtung zurück in den Resonator lenkt. Dadurch bekommt die umgekehrte Umlaufrichtung geringere Verluste und wird entsprechend stärker ausgeprägt anschwingen. So lässt sich zumindest das Verhältnis der beiden Anteile günstig beeinflussen. Durchaus sinnvoll kann es sein, durch zusätzliche Fequenzselektive Elemente (4a, 4b, 4c), wie z. B. Etalons, Gitter, Bragg-Gitter, Faser-Bragg-Gitter, o.dgl. eine weitere Einschränkung der möglichen anschwingenden Frequenzen zu bewirken. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Verstärkungsmedium sehr breitbandig ist, aber nur bestimmte Wellenlängen oder Durchstimmbarkeit erwünscht sind. In Fällen, in denen mehrere Moden gleichzeitig anschwingen sollen, kann durch Wahl dieser Elemente die Zahl der Moden vorgewählt werden.
In der Praxis werden praktisch immer zusätzliche Linsen (17) benötigt, um einen stabilen Betrieb zu ermöglichen. Auch Blenden (18) können die Qualität der Apparatur verbessern.
Je nach nichtlinearem Prozess (7) kann es sinnvoll oder notwendig sein, einige oder alle Spiegel (5d, 8a, 8b) teildurchlässig auszuführen, um Nutzlicht auszukoppeln (z. B. bei Frequenzverdopplung) oder Hilfslicht einzustrahlen (z. B. bei parametrischer Verstärkung oder nichtlinearen Messverfahren).
Wenn in den Aufbauten Elemente (16) vorhanden sind, die die optische Länge der Resonatoren beeinflussen können, so wird dadurch ebenfalls eine gewisse Durchstimmbarkeit gewährleistet. Insbesondere in Kombination mit selektiven Elementen (4) kann so auch modensprung-freies Durchstimmen erzielt werden.
Ausführungsbeispiele
Ein praxisnaher Aufbau zur Erzeugung blauen Lichts ist in 2 dargestellt. Ein Breitstreifenlaser (1) mit antireflex-beschichteter Auskoppel-Facette (15) dient als Verstärkermedium bei einer Wellenlänge von 930 nm. Dieser Laser ist in V-Geometrie betrieben. Das ein- und austretende Licht wird durch die Linse (17b) kollimiert und etwas abgelenkt. Über Spiegel (5a) wird das austretende Licht zum Eintrittsspiegel (3b) des kleinen Resonators R1 mit hoher Güte geleitet. Dort kann es resonant über die Spiegel (3c, 5d, 8b, 3b) umlaufen. Eine Frequenzverdopplung in einem Kalium-Niobat-Kristall (7) generiert blaues Licht (10) bei einer Wellenlänge von 465 nm, das durch den Spiegel (8b) austritt. Die Linse (17e) sorgt für eine stabile Mode innerhalb des Resonators R1. Das Rückkoppellicht, das den Resonator R1 durch den Spiegel (3c) verlässt, hat somit eine zum Resonator R1 passende Wellenlänge. Es kehrt über den Spiegel (5b), das Etalon (4c) zur zusätzlichen Frequenzselektion, die Spiegel (5c) und (3a) und das Gitter (4b) zum verstärkenden Medium (1) zurück. Die Linsen (17c, 17d) dienen in Kombination mit den Blenden (18a, 18b) und dem Gitter (4b) einer weiteren Frequenzselektion. Der Resonator R1 besitzt eine Güte F1 = 30 und eine Länge L1 = 10 cm. Der Resonator R2 ist etwas mehr als 3 m lang, so dass die Bedingung L2 > L1·F1 erfüllt ist.
Eine zweckmäßige Modifikation dieses Aufbaus ist in 3 dargestellt. Sie könnte z. B. darin bestehen, den Breitstreifenlaser durch einen Trapezverstärker zu ersetzten, der eingangsseitig stumpf an eine Faser angekoppelt wird. Dadurch erzielt man einen langen Resonator R2, der aus verhältnismäßig wenigen Komponenten besteht.

Claims

Gekoppelte optische Resonatoren, a. in deren einem Resonator R1 mit einer optischen Länge L1 und einer Finesse F1 (auch als Güte bezeichnet) die Leistungsüberhöhung für technische Prozesse (insbesondere Frequenzvervielfachung und -mischung) genutzt wird, b. in einen weitereren Resonator R2 mit einer optischen Länge L2 und einer Finesse F2, der ein optisch verstärkendes Medium enthält, das vorzugsweise ein Halbleiter ist, die Energie von außen zugeführt wird c. und es möglicherweise weitere angekoppelte Resonatoren gibt, dadurch gekennzeichnet, dass d. die verschiedenen Längen L und Resonatorgüten F so aufeinander abgestimmt sind, dass es immer gemeinsame Resonanzfrequenzen innerhalb des Verstärkungsbereichs des verstärkenden Mediums gibt, auch wenn durch äußere Einflüsse (Vibrationen, Temperaturschwankungen, Stellelemente oder sonstiges) moderate Variationen der optischen Weglängen L auftreten, was insbesondere dadurch realisiert sein kann, dass die Länge L2 des Resonators mit verstärkendem Medium um den Faktor F1 länger ist als L1, also folgende Beziehung gilt: L2 ≥ L1·F1,
Gekoppelte optische Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei mindestens einem Resonator um einen Ringresonator handelt.
Gekoppelte optische Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren R1 und R2 beide Ringresonatoren sind, die einen Teil ihrer optischen Wege gemeinsam haben, und für Resonator R1 die sogenannte „Impedanzanpassung" gilt, also für die Reflektivitäten R_ein und R_rück der Koppelspiegel und die Resonatorverluste V, sowie die Konversionseffizienz η des nichtlinearen Prozesses (mindestens) näherungsweise gilt: Rein R_ein = R_rück·V·(1 – η).
Gekoppelte optische Resonatoren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem verstärkenden Medium um einen kantenemittierenden Halbleiter in Breitstreifen- oder Trapezgeometrie („tapered amplifier", „tapered laser") handelt.
Gekoppelte optische Resonatoren nach Anspruch 1 bis 4, die eines oder mehrere der folgenden Elemente enthalten: a. eine optische Diode, auch als optischer Isolator bezeichnet, zur Selektion einer speziellen Umlaufrichtung; b. Gitter, Bragg-Gitter, Etalons oder sonstige wellenlängenselektive Elemente zur zusätzlichen Beschränkung der Oszillationsfrequenz(en); c. nichtlineare Kristalle zur Nutzung nichtlinearer optischer Effekte, insbesondere i. Frequenzverdopplung, ii. Frequenzvervielfachung, iii. Frequenzmischung, iv. optisch parametrische Verstärkung, v. optisch parametrische Oszillation; d. Substanzen, die bei den entstehenden Intensitäten nichtlineare physikalische Effekte zeigen, insbesondere i. Raman-Streuung zur Frequenzkonversion, ii. Brillouin-Streuung zur Frequenzkonversion oder Phasenkonjugation, iii. nichtlineare Absorption zur optischen Leistungsbegrenzung oder Moden-Kopplung; e. ein Messvolumen, in dem sich eine mit Licht zu vermessende Substanz befindet; f. eine optische Faser, insbesondere zur Realisierung langer optischer Wege im Resonator R2; g. Faltspiegel und dergleichen, die lange optische Wege auf kleinem Raum realisieren; h. Stellelemente, die die optische Länge mindestens eines Resonators verändern können, insbesondere elektrooptische oder mechanische Komponenten; i. weitere optische Elemente, insbesondere Linsen, Spiegel, Blenden;
Verfahren zur Erzeugung hoher optischer Intensitäten zur Nutzbarmachung nichtlinearer optischer Prozesse durch a. resonante Leistungsüberhöhung mittels eines optischen Resonators R1, b. pumpen dieses Resonators mitels eines zweiten Resonators R2, c. geeignete nichtlineare Kristalle oder Substanzen für die gewünschten Prozesse, insbesondere i. Frequenzverdopplung, ii. Frequenzvervielfachung, iii. Frequenzmischung, iv. optisch parametrischer Verstärkung, v. optisch parametrischer Oszillation, vi. Raman-Effekte zur Frequenzkonversion, vii. Brillouin-Streuung zur Frequenzkonversion oder Phasenkonjugation, viii. nichtlineare Absorption zur optischen Leistungsbegrenzung oder Moden-Kopplung und d. gegebenenfalls weitere Resonatoren, dadurch gekennzeichnet, dass e. der Resonator R1 einen Teil seines Lichts in den Resonator R2 zurück gibt, so dass Resonator R2 auf dieser/diesen durch R1 vorgegebenen Wellenlänge(n) schwingt; f. der Resonator R2 so dimensioniert ist, dass er immer Eigenmoden innerhalb der Resonanzlinien des Resonators R1 besitzt, was durch ausreichende optische Länge realisiert werden kann; g. die Resonatoren R1 und R2 so miteinander gekoppelt sind, dass Licht, das aus dem aktiven Material von Resonator R2 austritt, nicht wieder in das aktive Material zurückkehren kann, ohne durch mindestens einen Teil des Resonators R1 gelaufen zu sein, was sich insbesondere durch die Gestaltung von R1 und R2 jeweils als Ringresonator erzielen lässt;
Verfahren nach Anspruch 6, in dem für die optischen Komponenten des Resonators R1 Impedanzanpassung gilt, also R_ein = R_rück·V·(1 – η).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 zur Erzeugung frequenzverdoppelten Lichts gleichzeitig bei mehreren Wellenlängen, insbesondere zur Vermeidung von Speckles und anderen Kohärenzeffekten für Projektionsapparaturen, zu erzielen durch Dimensionierung aller Resonatoren so, dass in den Resonatoren R1 und R2 mehrere Wellenlängen gleichzeitig oszillieren können, was sich insbesondere dadurch erreichen lässt, dass die freien Spektralbereiche der Resonatoren R1 und R2 kleiner sind als die Verstärkungsbandbreite des verstärkenden Mediums.
Verfahren nach Ansprüchen 6 bis 8, in dem mehrstufig die Frequenzen des Lichts geändert werden.