DE102004046303A1

DE102004046303A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von grünem kohärentem Licht unter Verwendung von gleichen nichtlinearen Kristallen

Info

Publication number: DE102004046303A1
Application number: DE102004046303A
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Koganei Kasai
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2005-05-25
Also published as: JP2005107449A; US7460570B2; US20050141572A1

Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vergleichsweise kleine Vorrichtung, das heißt eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen eines Laserstrahls bereitzustellen, mit der Licht mit hoher Qualität und großer Leistung effizient und stabil erzielt wird. Speziell enthält die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen eines Laserstrahls eine Laserstrahlquelle, einen optischen Resonator, in den der Laserstrahl gegeben wird, und KTP-Kristalle, die in genanntem optischen Resonator vorgesehen sind. Die KTP-Kristalle im optischen Resonator sind ein erster a-axis-cut-KTP-Kristall, in dem ein Lichtstrahl eine a-Achse-Ausbreitung durchführt, und ein zweiter a-axis-cut-KTP-Kristall, der dieselbe Länge wie der erste a-axis-cut-KTP-Kristall aufweist und um 90 DEG auf der a-Achse in Bezug auf den ersten a-axis-cut-KTP-Kristall gedreht ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von grünem kohärentem Licht mittels Frequenzverdopplung (Second Harmonic Generation (SHG)) unter Verwendung eines Halbleiterlasers und von KTP-Kristallen und ein Verfahren zur Erzeugung des grünen kohärenten Lichts.

Beschreibung der verwandten Technik

Grünes kohärentes Licht wird auf zahlreichen Gebieten, zum Beispiel bei optischen Anzeigeeinrichtungen, Bilderzeugungsgeräten, einem Pumpstrahl eines optischen parametrischen Oszillators und so weiter, verwendet. Bis heute wird grünes Licht durch Verwendung von SHG-Licht eines YAG-Lasers oder eines Argonlasers und so weiter erhalten. Diese Laser erfordern aber Vorrichtungen in großem Maßstab und weisen das Problem auf, daß die Qualität von grünem Licht nicht gut ist. Somit wurde eine Technologie zur Erzeugung von kohärentem grünem Licht entwickelt, die einen Halbleiterlaser mit einem KTP-Kristall kombiniert. (Siehe zum Beispiel die Seiten 1192 des 50th Meeting Drafts, The Japan Society of Applied Physics and Related Societies (entsprechend Nichtpatentliteraturhinweis 1).)

1 zeigt ein Schemadiagramm einer herkömmlichen Vorrichtung (nachfolgend als "herkömmliche Vorrichtung" bezeichnet), die kohärentes grünes Licht durch Kombination eines Halbleiterlasers mit einem KTP-Kristall erzeugt. Wie in 1 gezeigt ist, umfaßt eine herkömmliche Vorrichtung 1 einen Halbleiterlaser 2, der Licht mit einer Wellenlänge von 1080nm erzeugt, einen optischen Resonator 3, in dem das Licht von einem Halbleiterlaser abgegeben wird, und einen a-cut-KTP-Kristall 4, der im Strahlengang im optischen Resonator vorgesehen ist. Zwei konkave Spiegel, zum Beispiel 3a und 3b bilden den optischen Resonator (optischen Hohlraum) 3 und diese Spiegel sind zueinander gewandt. Obwohl nicht speziell dargestellt, stellt zusätzlich ein weiteres Beispiel für die herkömmliche Vorrichtung eine Vorrichtung dar, die einen ringartigen optischen Resonator verwendet.

Ein Laserstrahl, der die vom Halbleiterlaser 2 abgegebene Wellenlänge von 1080nm aufweist, wird über den Spiegel 3a in den optischen Resonator 3 gegeben. Er baut sich im optischen Resonator auf, die Intensität steigt und das in den optischen Resonator gegebene Licht erzeugt SHG-Licht durch den nichtlinearen Effekt im KTP-Kristall. Zur effizienten Erzeugung von SHG bei der obengenannten Wellenlänge wird die TYPE II genannte Phasenanpassung durchgeführt und werden die ordentlichen und außerordentlichen Strahlen im KTP-Kristall verwendet, der Brechungsindexanisotropie aufweist. Durch die Brechungsindexanisotropie zum Beispiel des KTP-Kristalls werden die ordentlichen und außerordentlichen Strahlen eine unterschiedlich optische Weglänge in einem KTP-Kristall erfahren, da horizontale Polarisation und vertikale Polarisation unterschiedliche Brechungsindizes des KTP-Kristalls aufweisen. Außerdem erzeugt Licht mit einer Wellenlänge von 1080nm, das im optischen Resonator eingeschlossen und aufgebaut wird, Licht mit einer Wellenlänge von 540nm als SHG-Licht durch den nichtlinearen Effekt im KTP-Kristall. Dieses SHG-Licht wird vom Ausgabespiegel des optischen Resonators ausgegeben.

Wie in 1 gezeigt ist, ist der Brechungsindex der Polarisation des ordentlichen Strahls n_o in einem KTP-Kristall und ist die optische Weglänge des ordentlichen Strahls im KTP-Kristall n_o1, vorausgesetzt, daß die Länge des KTP-Kristalls gleich 1 eingestellt ist. Andererseits ist der Brechungsindex der Polarisation des außerordentlichen Strahls n_e und ist die optische Weglänge des außerordentlichen Strahls im KTP-Kristall n_e1.

Damit Licht im optischen Resonator in Resonanz gerät und um eine starke Leistung zu erhalten, müssen stehende Wellen im optischen Resonator erzeugt werden. Genauer gesagt wird eine starke Leistung durch ein Resonanzphänomen erhalten, wenn die optische Länge ein ganzes Vielfaches der Halbwellenlänge ist (jedoch in einem ringartigen Resonator gerät es bei einem ganzen Vielfachen der Wellenlänge in Resonanz). Wenn die Wellenlänge des Laserstrahls von einem Halbleiterlaser auf λ eingestellt ist und die optische Weglänge im optischen Resonator, der keinen KTP-Kristall aufweist, auf L eingestellt ist, lauten die Resonanzbedingungen für die horizontalen und senkrechten Polarisationen, indem m₁ und m₂ zu ganzen Zahlen gemacht werden, jeweils m₁λ/2 = L + (n_o – 1)1 und m₂λ/2 = L + (n_e – 1)1. Da KTP-Kristalle Brechungsindexanisotropie aufweisen, unterscheidet sich n_o von n_e. Damit die obengenannten Resonanzbedingungen erfüllt sind, sollte somit L eingestellt werden und muß auch der Brechungsindex des KTP-Kristalls durch sorgfältige Einstellung der Kristalltemperatur gesteuert werden.

2 zeigt eine Graphik, die die Beziehung zwischen der Resonator(Hohlraum)-Länge und Resonanz im Fall von Änderung der Temperatur unter Verwendung der herkömmlichen Vorrichtung zeigt. 2 zeigt, daß in einer bestimmten herkömmlichen Vorrichtung die optischen Resonatorlänge, bei der der ordentliche Strahl in Resonanz gerät, und die optische Resonatorlänge, bei der der außerordentliche Strahl in Resonanz gerät, übereinstimmen, wenn die Temperatur des Kristalls 66,6°C beträgt. Wenn der optische Resonator mit vorgeschriebener Länge verwendet wird, wird somit ein Resonanzphänomen bei 66°C auftreten. Wenn sich jedoch die Temperatur weit entfernt von 66,6°C befindet, werden die Resonanzlänge, bei der der ordentliche Strahl in Resonanz tritt, und die Resonatorlänge, bei der der außerordentliche Strahl in Resonanz tritt, nicht übereinstimmen. Ein zulässiger Temperaturbereich wird als ungefähr 1/100°C oder weniger angesehen. Wie in 2 gezeigt ist, werden Resonanzbedingungen bei 64,6°C und 68,6°C nicht eingehalten, die 2°C von der optimalen Temperatur 66,6°C entfernt liegen. Außerdem kann die Resonanz bei 62,6°C und 70,6°C, die 4°C entfernt von der optimalen Temperatur liegen, nicht simultan erhalten werden, da die Resonatorlänge, bei der der ordentliche Strahl in Resonanz tritt, und die Resonatorlänge, bei der der außerordentliche Strahl in Resonanz tritt, ganz verschieden sind. Somit bestand bei der herkömmlichen Vorrichtung im Fall des simultanen Erzielens von Resonanz mit den ordentlichen und außerordentlichen Strahlen das Problem, daß die Temperatur des KTP-Kristalls präzise gesteuert werden mußte.

3 zeigt eine Graphik, die die Beziehung zwischen der SHG-Lichtausgabe des Laserstrahls nur durch den nichtlinearen Kristall ohne einen optischen Resonator und die SHG-Lichtleistung des Laserstrahls von der herkömmlichen Vorrichtung mit einem a-cut-KTP-Kristall in einem optischen Resonator zeigt. In 3 stellt eine gepunktete Linie die SHG-Lichtleistung des Laserstrahls nur vom nichtlinearen Kristall dar und Kreise stellen die SHG-Lichtleistung des Laserstrahls dar, die durch Plazieren eines a-cut-KTP-Kristalls im optischen Resonator erhalten wird. Wenn der nichtlineare Kristall im optischen Resonator plaziert wird, werden, wie vorangehend erläutert, nur bei speziellen Temperaturen Resonanzphänomene mit den ordentlichen und außerordentlichen Strahlen simultan auftreten, wird starkes SHG-Licht erzielt und wird mit Ausnahme bei den speziellen Temperaturen keine SHG-Lichtleistung erzielt.

3 zeigt, daß, obwohl die maximale Leistung des SHG (einfacher Weg) einer a-cut-KTP-Kristall-Einheit bei ungefähr 62°C erzielt wird, selbst wenn es funktioniert, grünes kohärentes Licht unter Verwendung einer herkömmlichen Vorrichtung zu erhalten, die Resonanz nicht bei 62°C eintritt, die die Temperatur ist, die die maximale Leistung von SHG-Licht ergibt. Andererseits zeigt 3, daß, da die ordentlichen und außerordentlichen Strahlen bei ungefähr 39°C, ungefähr 52°C und ungefähr 67°C in Resonanz treten, SHG-Lichtleistung vom optischen Resonator mit dem obengenannten a-cut-KTP-Kristall erzielt wird. Diese Temperaturen unterscheiden sich jedoch von der Temperatur, bei der die maximale Effizienz des nichtlinearen Kristalls selbst erlangt wird (der obengenannte a-cut-KTP-Kristall liegt bei ungefähr 62°C). Somit bestand im Fall von Erhalten von SHG-Licht unter Verwendung der herkömmlichen Vorrichtung das Problem, daß die Leistung von SHG-Licht nicht effizient groß wurde. Außerdem bestand auch das Problem, daß, wenn die Temperatur eines Kristalls nicht innerhalb von ungefähr 1/100°C oder weniger stabilisiert wurde, keine stabile SHG-Lichtleistung erzielt wurde.

[Nicht-Patentliteraturhinweis 1] Seite 1192 von 50th Meeting Drafts, The Japan Society of Applied Physics and Related Societies.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vergleichsweise kleine Vorrichtung, das heißt, die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen eines Laserstrahls bereitzustellen, mit der Licht mit hoher Qualität und großer Leistung effizient erzielt wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vergleichsweise kleine Vorrichtung, das heißt eine Vorrichtung zur Erzeugung von grünem kohärentem Licht bereitzustellen, mit der hohe Qualität und große Leistung effizient erzielt wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur effizienten Erzeugung der zweiten Harmonischen bereitzustellen, die eine hohe Qualität und große Leistung aufweisen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizientes Verfahren zur Erzeugung von grünem kohärentem Licht bereitzustellen, das eine hohe Qualität und große Leistung aufweist.

Zur Lösung zumindest einer oder mehrerer der obengenannten Aufgaben enthält die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung, das heißt eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Laserstrahlquelle eine Laserstrahlquelle, einen optischen Resonator, in den genannter Laserstrahl gegeben wird (zum Beispiel ein Fabry-Perot-artiger Resonator, ein ringartiger Resonator etc.), und nichtlineare optische Kristalle in genanntem optischen Resonator, worin die nichtlinearen optischen Kristalle, die zwei nichtlineare optische Kristalle mit derselben Länge sind, im Strahlengang des optischen Resonators so vorgesehen sind, daß einer um 90 Grad in Bezug auf den anderen auf der optischen Achse gedreht werden kann. Zusätzlich wird in dieser Beschreibung die Phrase "nichtlineare optische Kristalle weisen dieselbe Länge auf" nicht nur verwendet, wenn die Formen von zwei nichtlinearen optischen Kristallen vollständig dieselben sind, sondern auch wenn die Formen voneinander abweichen.

Es wird möglich, dieselbe optische Weglänge für beide horizontale und senkrechte Polarisationen, die ihren Ursprung in der Brechungsindexanisotropie eines nichtlinearen optischen Kristalls haben, zu erzeugen, indem die zwei nichtlinearen optischen Kristalle mit derselben Länge im Strahlengang von genanntem optischen Resonator so bereitgestellt werden, daß einer um 90 Grad in Bezug auf den andern auf der optischen Achse gedreht werden kann. Dadurch kann die simultane Resonanz beider Polarisationen ohne Steuerung der Temperatur leicht erhalten werden. Das heißt, daß gemäß der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung die Resonanzbedingung des optischen Resonators und die Phasenanpassungsbedingung von nichtlinearen optischen Kristallen leicht und simultan optimiert werden können und sie leicht auf Bedingungen mit maximaler Leistung von SHG gesteuert werden kann. Außerdem wird gemäß der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung die hohe Qualität und große Leistung effizient erzielt.

Zusätzlich ist möglich, zwei oder mehr Sätze von Paaren von zwei nichtlinearen optischen Kristallen im optischen Resonator unter Verwendung desselben Prinzips anzuordnen. Außerdem können die zwei oder mehr nichtlinearen optischen Kristalle im optischen Resonator so angeordnet werden, daß die optischen Weglängen der horizontalen Polarisation und vertikalen Polarisation, die von der Brechungsindexanisotropie von nichtlinearen optischen Kristallen herrühren, dieselben sind. In einem derartigen Fall kann derselbe Effekt erzielt werden, indem zwei nichtlineare optische Kristalle mit derselben Länge angeordnet werden.

Zur Lösung zumindest eines oder mehrerer der obengenannten Aufgaben enthält die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung, das heißt eine Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Laserstrahlquelle eine Laserstrahlquelle, einen optischen Resonator, in den genannter Laserstrahl gegeben wird, und KTP-Kristalle, die in genanntem optischen Resonator vorgesehen sind, worin die KTP-Kristalle in genanntem optischen Resonator ein erster a-axis-cut-KTP-Kristall sind, in dem Licht eine Ausbreitung entlang der a-Achse durchführt, und ein zweiter a-axis-cut-KTP-Kristall, der dieselbe Länge wie genannter erster a-axis-cut-KTP-Kristall aufweist und um 90 Grad auf der a-Achse in Bezug auf genannten ersten a-axis-cut-KTP-Kristall gedreht ist. Außerdem ist die Laserstrahlquelle vorzugsweise ein Halbleiterlaser.

Da die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung den ersten a-axis-cut-KTP-Kristall, der die Gestalt eines quadratischen Stabs aufweist, und den zweiten a-axis-cut-KTP-Kristall aufweist, der dieselbe Länge wie der erste a-axiscut-KTP-Kristall aufweist und um 90 Grad auf der a-Achse in Bezug auf genannten ersten a-axis-cut-KTP-Kristall gedreht ist, kann die Resonanz beider Polarisationen, indem dieselbe optische Weglänge für die horizontale Polarisation und vertikale Polarisation erzeugt wird, die von der Brechungsindexanisotropie eines KTP-Kristalls herrühren, leicht erzielt werden, ohne die Temperatur zu steuern. Das heißt, daß gemäß der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung die Resonanzbedingung des optischen Resonators und die Phasenanpassungsbedingung der KTP-Kristalle leicht und simultan optimiert werden können und sie leicht auf Bedingungen mit maximaler Leistung von SHG-Licht gesteuert werden kann. Wenn ein Halbleiterlaser als eine Laserstrahlquelle verwendet wird, kann außerdem mit einer vergleichsweise kleinen Vorrichtung grünes kohärentes Licht effektiv erzielt werden, das hohe Qualität und große Leistung aufweist.

Die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise einen ersten a-axis-cut-KTP-Kristall und einen zweiten a-axis-cut-KTP-Kristall auf, die durch Verschmelzung oder optischen Kontakt vereint sind. Wenn der erste a-axis-cut-KTP-Kristall und der zweite a-axis-cut-KTP-Kristall durch Verschmelzung und optischen Kontakt vereint sind, ist es somit möglich, einen optischen Resonator mit geringen Abmessungen herzustellen, und ist es möglich, die Vorrichtung selbst mit geringen Abmessungen herzustellen. Da es nicht notwendig ist, den Winkel von Kristallen nacheinander einzustellen, ist sie außerdem leicht zu handhaben.

Zur Lösung mindestens einer oder mehrer der obengenannten Aufgaben verwendet das Verfahren zur Erzeugung der zweiten Harmonischen eines Laserstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die eine Laserstrahlquelle, einen optischen Resonator, in den genannter Laserstrahl gegeben wird, und nichtlineare optische Kristalle enthält, die in genanntem optischen Resonator vorgesehen sind, worin die nichtlinearen optischen Kristalle aus mindestens zwei nichtlinearen Kristallen bestehen, die dieselbe Länge aufweisen und von denen einer um 90 Grad in Bezug auf den anderen auf der optischen Achse gedreht ist. Der Laserstrahl wird in den Eingabespiegel gegeben, der Teil des optischen Resonators ist, und ein Strahl mit zweiter Harmonischer wird vom Ausgabespiegel ausgegeben, der auch Teil des optischen Resonators ist.

Da genannter Prozeß gemäß dem Verfahren zur Erzeugung der zweiten Harmonischen des Laserstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert ist, kann ein Strahl mit zweiter Harmonischer, der hohe Qualität und große Leistung aufweist, effizient erzielt werden.

Zur Lösung zumindest einer oder mehrerer der obengenanten Aufgaben verwendet das Verfahren zur Erzeugung der zweiten Harmonischen des Laserstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die einen ersten a-axis-cut-KTP-Kristall und einen zweiten a-axis-cut-KTP-Kristall enthält, der dieselbe Länge wie der erste a-axis-cut-KTP-Kristall aufweist und um 90 Grad auf der a-Achse in Bezug auf genannten ersten a-axis-cut-KTP-Kristall im optischen Resonator gedreht ist. Der Laserstrahl wird in den Eingabespiegel gegeben, der Teil des optischen Resonators ist, und der Strahl mit der zweiten Harmonischen wird vom Ausgabespiegel ausgegeben, der auch Teil des optischen Resonators ist.

Da genannter Prozeß gemäß dem Verfahren zur Erzeugung der zweiten Harmonischen des Laserstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert ist, kann grünes kohärentes Licht, das hohe Qualität und große Leistung aufweist, effizient erzielt werden.

Da die vorliegende Erfindung die obengenannte Konstruktion enthält, kann die Resonanz beider Polarisationen ohne Steuerung der Temperatur leicht erzielt werden, indem dieselbe optische Weglänge für die horizontale Polarisation und vertikale Polarisation erzeugt wird, die von der Brechungsindexanisotropie von KTP-Kristallen herrühren. Das heißt, daß gemäß der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung die Resonanzbedingung des optischen Resonators und die Phasenanpassungsbedingung der KTP-Kristalle leicht und simultan optimiert werden können und daß sie leicht auf die Bedingungen maximaler Leistung von SHG-Licht gesteuert werden können. Das heißt, daß es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, eine Vorrichtung zur Erzeugung von grünem kohärentem Licht und ein Verfahren bereitzustellen, die das grüne kohärente Licht, das hohe Qualität und große Leistung aufweist, effizient erzielen können, indem ein Halbleiterlaser und ein KTP-Kristall verwendet werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schemadiagramm, das eine grundlegende Struktur von herkömmlichen Vorrichtungen zum Erhalten von grünem kohärentem Licht unter Verwendung eines Halbleiterlasers und eines KTP-Kristalls zeigt;
2 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen der Länge eines Resonators und den Hohlraumresonanzkurven für zahlreiche Kristalltemperaturen mit einer herkömmlichen Vorrichtung zeigt;
3 ist eine Graphik, die die Beziehung zwischen der SHG-Lichtleistung des Laserstrahls, der durch den nichtlinearen Kristall ohne einen optischen Resonator erzeugt wird, und der SHG-Lichtleistung des Laserstrahls durch die herkömmliche Vorrichtung zeigt, wobei ein a-cut-KTP-Kristall im optischen Resonator plaziert ist;
4 ist ein Schemadiagramm, das eine grundlegende Struktur für zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Laserstrahlquelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist die Graphik, die die Resonanzbedingung von ordentlichen und außerordentlichen Strahlen zeigt; und
6 ist die Graphik, die die Leistungscharakteristik der Erzeugung der zweiten Harmonischen unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
4 ist ein Schemadiagramm, das eine grundlegende Struktur einer Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Laserstrahlquelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 4 gezeigt ist, umfaßt die Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß dieser Ausführungsform, das heißt eine Vorrichtung zur Erzeugung Frequenzverdopplung eines Laserstrahls eine Laserstrahlquelle 2, einen optischen Resonator 3, in den der Laserstrahl gegeben wird, und nichtlineare optische Kristalle (zum Beispiel KTP-Kristalle) 4, die im optischen Resonator vorgesehen sind, worin die KTP-Kristalle im optischen Resonator der erste a-axis-cut-KTP-Kristall 4a, in dem ein Lichtstrahl eine a-Achse-Ausbreitung durchführt und der zweite a-axis-cut-KTP-Kristall 4b sind, der dieselbe Länge wie genannter erster a-axis-cut-KTP-Kristall aufweist (Zum Beispiel kann die Form dieselbe wie der erste a-axis-cut-KTP-Kristall sein und stellt ein Beispiel für die Form gewöhnlich ein quadratischer Stab dar.) und um 90 Grad auf der a-Achse zum ersten a-axis-cut-KTP-Kristall gedreht ist. Obwohl eine Fabry-Perot-artige Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen in 4 gezeigt ist, sind zusätzlich bekannte externe resonatorartige Vorrichtungen zur Erzeugung der zweiten Harmonischen in der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten.
Die Beispiele für eine Laserquelle 2 sind ein Festkörperlaser, ein Gaslaser, ein Farbstofflaser und ein Halbleiterlaser. Das bevorzugte Beispiel stellt ein Halbleiterlaser dar, und ein Infrarotlaserstrahl wird zum Erhalten von grünem SHG-Licht verwendet.
Es können bekannte optische Resonatoren, die für SHG verwendet werden, für einen optischen Resonator 3 verwenden, und es besteht keine spezielle Beschränkung. Die Beispiele für die optischen Resonatoren sind der Fabry-Perot-artige Resonator, der aus einem Eingabespie gel und einem Ausgabespiegel besteht, und ein ringartiger Resonator. Ein Beispiel für einen Eingabespiegel stellt ein Spiegel dar, der die Durchlässigkeit zur Kopplung eines Laserstrahls mit dem Resonator aufweist und als ein hochreflexionsfähiger Spiegel für SHG-Licht dient. Ein Beispiel für einen Ausgabespiegel stellt ein Spiegel dar, der als ein hochreflexionsfähiger Spiegel für Grundschwingungslicht dient und Eindringen von SHG-Licht ermöglicht. Derselbe Abstand wie bei bekannten optischen Resonatoren wird für einen Abstand zwischen einem Eingabespiegel und einem Ausgabespiegel verwendet und er hängt auch vom Krümmungsradius der Spiegel ab, wobei der Abstand genauer gesagt im Bereich von 20mm bis 100mm liegt. Zusätzlich liegt die optische Länge speziell im Falle eines ringartigen Resonators im Bereich von 30cm bis 100cm.
In einer gewünschten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Abstand eines optischen Resonators zum Beispiel durch Änderung der Position von entweder einem Eingabespiegel oder einem Ausgabespiegel oder beiden eingestellt. Genauer gesagt, erzielen Beispiele für die erwünschte Ausführungsform die gewünschte Position von Spiegeln durch Anbringen eines piezoelektrischen Elements an einem der Spiegel und elektrische Rückkopplung mit einem externen Ausgabefehlersignal und Erzielen der gewünschten Position der Spiegel durch Verwendung von optischer Rückkopplung.
Ein nichtlinearer optischer Kristall 4 ist ein Kristall, der Brechungsindexanisotropie aufweist. Beispiele für nichtlineare optische Kristalle sind ein BBO-Kristall, ein LBO-Kristall, ein KTP-Kristall, ein KNbO₃-Kristall etc. Für einen Laserstrahl, der eine Wellenlänge von 1080nm aufweist, wird ein KTP-Kristall bevorzugt, und ein a-axis-cut-KTP-Kristall wird noch mehr bevorzugt. Ein a-axis-cut-KTP-Kristall bedeutet, daß der KTP-Kristall so geschnitten ist, daß die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls mit einer a-Achse des KTP-Kristalls übereinstimmen könnte. Bei Verwendung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 994nm ist ein b-axis-cut-KTP-Kristall erwünscht. Im Falle eines KnbO₃-Kristalls wird der a-axis-cut-Kristall durch Temperaturabstimmung um 180°C mit dem Laserstrahl in der Nähe der Wellenlänge von 1060nm hinsichtlich der Phase angepaßt. In ähnlicher Weise wird im Falle von KNbO₃-Kristall der b-axis-cut-Kristall durch Temperaturabstimmung um –40°C mit dem Laserstrahl in der Nähe der Wellenlänge von 840nm in der Phase angepaßt. Im Falle von Temperaturabstimmung hängt die Wellenlänge des Laserstrahls von der Kristalltemperatur für Phasenanpassung ab.
Die Länge eines nichtlinearen Kristalls liegt im Bereich von praktisch 2mm bis 20mm. Ein KTP-Kristall wird durch bekannte Verfahren hergestellt und kann zum Beispiel durch das Verfahren des offengelegten japanischen Patents Hei5-97585 hergestellt sein.
Ein Beispiel für die Kristalltemperatur von KTP ist 62°C, und sie wird so eingestellt, daß die maximale Leistung geliefert werden kann. Zur Steuerung der Temperatur eines KTP-Kristalls können bekannte Temperatursteuersysteme verwendet werden. Ein System, das ein Peltierelement verwendet, stellt zum Beispiel eine Art eines derartigen Temperatursteuersystems dar. Zusätzlich stellt ein Temperatursteuersystem durch einen Ofen unter Verwendung eines Heizgeräts auch ein anderes Beispiel dar.
Unten wird der Prozeß erläutert, der SHG-Licht unter Verwendung der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 4 erläutert. Jede Länge des ersten a-axis-cut-KTP-Kristalls 4a und des zweiten a-axis-cut-KTP-Kristalls 4b ist auf 1/2 eingestellt. Ein Halbleiterlaser 2 gibt zum Beispiel einen Laserstrahl bei der Wellenlänge von 1080nm aus. Dieser Laserstrahl wird in den optischen Resonator 3 über den Eingabespiegel 3a gegeben und tritt durch den ersten a-axis-cut-KTP-Kristall (der nachfolgend auch als der erste Kristall bezeichnet wird) 4a. Im ersten Kristall ist der Brechungsindex für die Polarisation des ordentlichen Strahls n_o und wird die optische Weglänge des ordentlichen Strahls im ersten Kristall zu n_o1/2. Andererseits ist der Brechungsindex für die Polarisation des außerordentlichen Strahls n_e und wird die optische Weglänge des außerordentlichen Strahls im ersten Kristall zu n_e1/2.
Der Laserstrahl, der den ersten Kristall 4a passiert, passiert den zweiten a-axis-cut-KTP-Kristall (nachfolgend auch als der zweite Kristall bezeichnet) 4b. Im zweiten Kristall ist der Brechungsindex für die Polarisation, die der ordentliche Strahl im ersten Kristall war, n_e und ist die optische Weglänge dieser Polarisation im zweiten Kristall n_o1/2. Andererseits ist der Brechungsindex im zweiten Kristall der Polarisation, die der außerordentliche Strahl im ersten Kristall war, n_o und wird die optische Weglänge der Polarisation im zweiten Kristall n_o1/2. Die optischen Weglängen beider Polarisationen die die ersten und zweiten Kristalle passieren, werden gleichermaßen (n_e1 + n_o1)/2.
5 zeigt die Resonanzkurve der ordentlichen und außerordentlichen Strahlen als eine Funktion der optischen Resonatorlänge. 5 zeigt, daß in der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung die simultane Resonanz der ordentlichen und außerordentlichen Strahlen durch Einstellung der Länge des Resonators erzielt werden, da die optische Weglänge der zwei orthogonalen Polarisationen, die bei der TYPE-II-Phasenanpassung verwendet werden, unabhängig von der Brechungsindexanisotropie des nichtlinearen optischen Kristalls gleich ist.
6 ist eine Graphik, wie die Leistungscharakteristik der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wenn die Länge des Resonators gesteuert wird, wird die simultane Resonanz der ordentlichen und außerordentlichen Strahlen in der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung, wie vorangehend erläutert, in beliebiger Temperatur erzielt. Somit wird mit der Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen gemäß der vorliegenden Erfindung, verglichen mit vorher, SHG-Licht, das eine stabile und große Leistung aufweist, effizient erzielt, da SHG-Licht bei der Kristalltemperatur (in der Graphik befindet sich diese bei ungefähr 62°C) erzeugt wird, was die maximale SHG-Leistung eines Halbleiterlasers liefert.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird grünes kohärentes Licht, das hohe Qualität und große Leistung aufweist, effizient erzielt. Dieses kohärente Licht wird als das Pumplicht von optischen parametrischen Oszillatoren verwendet. Da grünes Licht mit einer einfachen und kleinen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt wird, kann sie für Anzeigeeinrichtungen der nächsten Generation, Bildverarbeitungsgeräte, etc. verwendet werden. Da ein Halbleiterlaser als eine Lichtquelle verwendet wird, werden im Vergleich zum SHG-Licht des YAG-Lasers und des Argonlasers, die als grünes kohärentes Licht herkömmlich verwendet worden sind, der Preis der Vorrichtung und die Betriebskosten reduziert.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Laserstrahlquelle, umfassend: eine Laserstrahlquelle; einen optischen Resonator, in den der Laserstrahl gegeben wird; und nichtlineare optische Kristalle, die im optischen Resonator vorgesehen sind, worin genannte nichtlineare optische Kristalle zwei nichtlineare optische Kristalle mit derselben Länge sind und im Strahlengang des optischen Resonators so vorgesehen sind, daß der eine von genannten nichtlinearen optischen Kristallen um 90 Grad in Bezug auf den anderen auf der optischen Achse gedreht ist.
Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Laserstrahlquelle, umfassend: einen Laserstrahlquelle; einen optischen Resonator, in den der Laserstrahl gegeben wird; und KTP-Kristalle, die im optischen Resonator vorgesehen sind, worin die KTP-Kristalle im optischen Resonator ein erster a-axis-cut-KTP-Kristall, in dem Licht eine a-Achse-Ausbreitung durchführt, und ein zweiter a-axis-cut-KTP-Kristall sind, der dieselbe Länge wie der erste a-axis-cut-KTP-Kristall aufweist und um 90 Grad in Bezug auf den ersten a-axis-cut-KTP-Kristall auf der a-Achse gedreht ist.
Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Laserstrahlquelle gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Laserstrahlquelle ein Halbleiterlaser ist.
Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Laserstrahlquelle gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste a-axis-cut-KTP-Kristall und der zweite a-axis-cut-KTP-Kristall durch eines von Verschmelzung und optischen Kontakt vereint sind.
Verfahren zur Erzeugung von Licht aus der zweiten Harmonischen eines Laserstrahls unter Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die eine La serstrahlquelle, einen optischen Resonator, in den genannter Laserstrahl gegeben wird, und nichtlineare optische Kristalle enthält, die im optischen Resonator vorgesehen sind, umfassend die Schritte: Projizieren eines Laserstrahls auf einen Eingabespiegel des optischen Resonators; und Ausgeben von Licht aus der zweiten Harmonischen des Laserstrahls von einem Ausgabespiegel des optischen Resonators, worin mindestens zwei nichtlineare Kristalle mit derselben Länge als genannte nichtlineare optische Kristalle verwendet werden und einer davon um 90 Grad auf einer optischen Achse gedreht ist.
Verfahren zur Erzeugung von Licht aus der zweiten Harmonischen eines Laserstrahls unter Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, die einen ersten a-axis-cut-KTP-Kristall und einen zweiten a-axis-cut-KTP-Kristall enthält, der dieselbe Länge wie der erste a-axis-cut-KTP-Kristall aufweist und um 90 Grad auf einer a-Achse zu genanntem ersten a-axis-cut-KTP-Kristall in einem optischen Resonator gedreht ist, umfassend die Schritte: Projizieren eines Laserstrahls auf einen Eingabespiegel des optischen Resonators; und Ausgeben von Licht aus der zweiten Harmonischen des Laserstrahls von einem Ausgabespiegel des optischen Resonators.