DE102005015497B4

DE102005015497B4 - Stabilization of cascaded optical resonators

Info

Publication number: DE102005015497B4
Application number: DE102005015497A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Zanger; Manfred Salzmann
Original assignee: NLG-NEW LASER GENERATION GmbH; NLG New Laser Generation GmbH
Current assignee: Crylas Crystal Laser Systems GmbH
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: DE102005015497A1

Abstract

Laseranordnung zur Erzeugung von frequenzkonvertierter Laserstrahlung, mit
einer Laserstrahlquelle, die einen Fundamentalstrahl mit einer Grundwellenlänge erzeugt, und
einem ersten passiven Resonator, dessen optische Länge mit einer ersten Regelschleife nach dem Modulationsverfahren in Bezug auf die Grundwellenlänge stabilisiert wird, mit einem ersten nichtlinearen Kristall, der elektrooptische Eigenschaften besitzt und mit Elektroden versehen ist und der aus dem Fundamentalstrahl einen ersten frequenzkonvertierten Laserstrahl mit einer intermediären Wellenlänge erzeugt, und
einem zweiten passiven Resonator, dessen optische Länge mit einer zweiten Regelschleife nach dem Modulationsverfahren in Bezug auf die intermediäre Wellenlänge stabilisiert wird, mit einem zweiten nichtlinearen Kristall, der einen zweiten frequenzkonvertierten Laserstrahl mit einer dritten Wellenlänge erzeugt, der von der Laseranordnung emittiert wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass sowohl die Phasenmodulation des Fundamentalstrahls als auch die Phasenmodulation des ersten frequenzkonvertierten Laserstrahls zur Erzeugung der Fehlersignale für die beiden Regelschleifen durch Anlegen einer Wechselspannung mit nur einer Frequenz an die Elektroden...Laser arrangement for generating frequency-converted laser radiation, with
a laser beam source that generates a fundamental beam with a fundamental wavelength, and
a first passive resonator whose optical length is stabilized with respect to the fundamental wavelength with a first control loop according to the modulation method, with a first nonlinear crystal having electro-optical properties and provided with electrodes and which comprises a first frequency-converted laser beam with an intermediate beam from the fundamental beam Wavelength generated, and
a second passive resonator whose optical length is stabilized with a second control loop according to the modulation method with respect to the intermediate wavelength, with a second non-linear crystal producing a second frequency-converted laser beam with a third wavelength emitted by the laser array,
characterized,
that both the phase modulation of the fundamental beam and the phase modulation of the first frequency-converted laser beam to generate the error signals for the two control loops by applying an AC voltage with only one frequency to the electrodes ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung frequenzkonvertierter Laserstrahlung, insbesondere die Frequenzkonversion mittels passiver optischer Resonatoren und die elektronische Regelung der optischen Länge solcher Resonatoren.The The invention relates to an arrangement for generating frequency-converted Laser radiation, in particular the frequency conversion by means of passive optical Resonators and the electronic control of the optical length of such Resonators.

Passive optische Resonatoren werden unter anderem zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung eingesetzt. (siehe z. B.: Ashkin et al. „Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing", Journal of Quantum Electronics, QE-2, 1966, Seite 109 und: M. Brieger et al. „Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator", Optics Communications 38, 1981, Seite 423). Dabei wird ein erster Laserstrahl in einen aus Spiegeln und einem nichtlinearen Kristall bestehenden optischen Resonator eingekoppelt, der auf die Frequenz des Laserstrahls resonant abgestimmt ist. Der nichtlineare Kristall wandelt den ersten Laserstrahl teilweise in einen frequenzkonvertierten Laserstrahl um. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um eine Frequenzverdopplung. Die Konversionseffizienz ist in diesem Fall näherungsweise proportional zur Leistung bzw. Intensität des ersten Laserstrahls. Durch den Resonanzfall ergibt sich eine Überhöhung der Intensität des Laserstrahls innerhalb des Resonators und damit eine Erhöhung der Konversionseffizienz im nichtlinearen Kristall. Die Technik der externen, resonanten Frequenzkonversion wurde in den letzten Jahren stetig weiter entwickelt und ist in zahlreichen. Druck schriften beschrieben (siehe z. B. US 5 027 361 , US 5 552 926 , US 5 621 744 , US 5 943 350 , US 6 088 379 , DE 198 14 199 A1 , DE 198 18 612 A1 , DE 100 02 418 A1 , DE 100 63 977 A1 ).Passive optical resonators are used inter alia for the frequency conversion of laser radiation. (See, e.g., Ashkin et al., "Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing", Journal of Quantum Electronics, QE-2, 1966, page 109 and: M. Brieger et al., "Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator ", Optics Communications 38, 1981, page 423). In this case, a first laser beam is coupled into an existing of mirrors and a nonlinear crystal optical resonator, which is tuned resonantly to the frequency of the laser beam. The non-linear crystal partially converts the first laser beam into a frequency-converted laser beam. In most cases this is a frequency doubling. The conversion efficiency in this case is approximately proportional to the power or intensity of the first laser beam. The resonant case results in an increase in the intensity of the laser beam within the resonator and thus an increase in the conversion efficiency in the nonlinear crystal. The technique of external, resonant frequency conversion has been steadily evolving in recent years and is numerous. Descriptions of printing (see, for example, US 5 027 361 . US 5 552 926 . US 5,621,744 . US 5,943,350 . US Pat. No. 6,088,379 . DE 198 14 199 A1 . DE 198 18 612 A1 . DE 100 02 418 A1 . DE 100 63 977 A1 ).

Voraussetzung für eine gleichbleibend hohe Konversionseffizienz einer solchen Anordnung ist die permanente Einhaltung der Resonanzbedingung, d. h. die optische Länge des passiven Resonators muss ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des zu konvertierenden Laserstrahls betragen. Da die Güte (Finesse) eines solchen Resonators üblicherweise Werte zwischen 100 und 300 annimmt, muss die Resonatorlänge mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern oder sogar Bruchteilen von Nanometern konstant gehalten werden. Die Einhaltung einer solchen Bedingung ist wegen allgegenwärtiger Störungen durch thermische Ausdehnung und Akustik nur mit einer entsprechend präzisen und schnellen elektronischen Regelung möglich. Dabei wird die Resonatorlänge mit Hilfe eines Stellgliedes elektronisch gesteuert, wobei das Stellglied z. B. ein auf einem Piezoelement montierter Resonatorspiegel ist, der sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung verschieben lässt.requirement for one Consistently high conversion efficiency of such an arrangement is the permanent compliance with the resonance condition, i. H. the optical Length of the passive resonator must be an integer multiple of the wavelength of the amount to be converted laser beam. As the goodness (finesse) of such a resonator usually values between 100 and 300, the resonator length with an accuracy of a few nanometers or even fractions be kept constant by nanometers. Compliance with such Condition is due to ubiquitous disorders due to thermal expansion and acoustics only with a corresponding precise and fast electronic control possible. The resonator length is with Help of an actuator electronically controlled, wherein the actuator z. B. is mounted on a piezoelectric element resonator mirror, which can be moved by applying an electrical voltage.

Um die Resonanzbedingung zuverlässig einzuhalten, muss das Stellglied Teil eines geschlossenen Regelkreises werden. Hierzu benötigt man zunächst ein Messglied, das mit Hilfe eines geeigneten Detektionverfahrens ein sogenanntes Fehlersignal zur Verfügung stellt. Das vorzugsweise in elektrischer Form vorliegende Fehlersignal soll zumindest in einem beschränkten Bereich näherungsweise proportional zur Abweichung des Ist-Wertes der Resonatorlänge vom Sollwert sein. Bei exakter Resonanz durchläuft das Signal einen einfachen Nulldurchgang, d. h. die Richtungsinformation der Abweichung ist im Vorzeichen des Fehlersignals enthalten.Around the resonance condition reliable to comply with, the actuator must be part of a closed loop become. Needed for this you first a measuring element, which by means of a suitable detection method provides a so-called error signal. That preferably in electrical form present error signal should at least in a limited one Area approximately proportional to the deviation of the actual value of the resonator length from Be setpoint. With exact resonance, the signal goes through a simple Zero crossing, d. H. the direction information of the deviation is contained in the sign of the error signal.

Zur Gewinnung des Fehlersignals für die Regelung von passiven Resonatoren haben sich vor allem zwei Verfahren durchgesetzt. Das erste ist das Verfahren von Hänsch und Couillaud (siehe Hänsch et al. „Laser Frequency Stabilization by Polarization Spectroscopy of a Reflecting Reference Cavity", Optics Communications 35, 441–444 (1980) und US 4 451 923 ), im folgenden Polarisationsverfahren genannt. Bei diesem Verfahren wird der Polarisationszustand des am Einkoppelspiegel des Resonators reflektierten Laserstrahls detektiert. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist der relative große Fangbereich, d. h. der Bereich von Resonatorzuständen, bei denen ein auswertbares (von Null verschiedenes) Fehlersignal vorliegt. Ebenfalls vorteilhaft ist der geringe elektronische Aufwand, der für dieses Verfahren benötigt wird. Dem steht ein relativ hoher optischer Bauteil- und Justieraufwand gegenüber. Ein weiterer Nachteil ist die aus der Differenzbildung zweier Signale von relativ hohem Niveau resultierende Nullpunktsdrift des Fehlersignals.To obtain the error signal for the control of passive resonators, two methods have prevailed in particular. The first is the method of Hänsch and Couillaud (see Hänsch et al., "Laser Frequency Stabilization by Polarization Spectroscopy of a Reflecting Reference Cavity", Optics Communications 35, 441-444 (1980) and U.S. 4,451,923 ), hereinafter called polarization method. In this method, the polarization state of the laser beam reflected at the coupling-in mirror of the resonator is detected. An advantage of this method is the relatively large capture range, ie the range of resonator states in which there is an evaluable (non-zero) error signal. Also advantageous is the low electronic complexity required for this method. This is offset by a relatively high optical component and adjustment effort. Another disadvantage is the zero point drift of the error signal resulting from the difference between two signals of a relatively high level.

Das zweite Verfahren, im folgenden Modulationsverfahren genannt, stammt von Pound, Drever und Hall (siehe Drever et al. "Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator", Appl. Phys. B 31, 97–105 (1983)). Der Laserstrahl durchläuft vor der Einkopplung in den Resonator einen elektrooptischen Phasenmodulator, der dem Laserstrahl eine Phasenmodulation aufprägt. Die Modulationsfrequenz Ω liegt im allgemeinen im Bereich zwischen 10 MHz und einigen 100 MHz. Im Frequenzspektrum des Laserstrahls erscheinen neben der optischen Trägerfrequenz ν₀ zusätzliche Seitenbänder der Ordnung m mit Frequenzen νm = ν0 ± m·Ω, m = 1, 2, 3... The second method, referred to in the following modulation scheme, is from Pound, Drever and Hall (see Drever et al., "Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator", Appl. Phys. B 31, 97-105 (1983)). Before being coupled into the resonator, the laser beam passes through an electro-optical phase modulator, which imposes a phase modulation on the laser beam. The modulation frequency Ω is generally in the range between 10 MHz and several 100 MHz. In the frequency spectrum of the laser beam appear next to the optical carrier frequency ν ₀ additional sidebands of the order m with frequencies ν m = ν 0 ± m · Ω, m = 1, 2, 3 ...

Die Intensitäten I_m der Seitenbänder sind gegeben durch Im = I·Jm 2(Δϕ) The intensities I _{m of} the sidebands are given by I m = I · J m 2 (Δφ)

Dabei ist I die Intensität des eingestrahlten Laserlichtes, Δϕ die Modulationstiefe und J_m die Sesselfunktion der Ordnung m. Im allgemeinen wird bei diesem Verfahren eine Modulationstiefe nicht über 0.2 rad verwendet, was zu Seitenbändern unter 1% in der ersten Ordnung und vernachlässigbarer Intensität in den höheren Ordnungen führt. Die Modulationsfrequenz Ω ist in Bezug auf die Güte des optischen Resonators so gewählt, dass die Seitenbänder außerhalb der Resonatorbandbreite liegen, so dass die Seitenbandfrequenzen nicht in den Resonator gelangen, sondern im wesentlichen am Resonatoreinkoppelspiegel reflektiert werden. Mit einem ausreichend schnellen Photodetektor wird die Intensität des vom Resonator reflektierten Laserstrahls registriert. Da dieser Strahl sich aus dem direkt reflektierten Strahl und dem mehrfach im Resonator umlaufenden Strahl kohärent zusammensetzt, wird mit dem Photodetektor eine Intensitätsmodulation mit der Frequenz Ω registriert, deren Phasenlage sich ändert, je nachdem ob der Resonator optisch in Resonanz ist oder nicht. Mit Hilfe eines in der HF-Technik gebräuchlichen, doppelt-symmetrischen Mischers wird dieses Signal mit der an den Phasenmodulator angelegten Modulationsspannung aus einem Hochfrequenzgenerator (Referenzsignal) verglichen. Das Ausgangssignal des Mischers enthält nach Filterung durch ein Tiefpassfilter nur noch den Differenzfrequenzanteil des Mischsignals. In der Umgebung der Resonanz stellt das Differenzsignal ein Maß für die Phasendifferenz der beiden gemischten Signale und weist bei exakter Resonanz einen Nulldurchgang auf. Die Phasendifferenz ist ihrerseits ein Maß für die Abweichung der Resonatorlänge vom exakten Resonanzfall. Daher kann das Differenzfrequenzsignal als Fehlersignal für eine Regelschleife zur Regelung der Resonatorlänge über ein entsprechendes Stellelement verwendet werden. Die auf den ersten Blick als nachteilig erscheinende Erzeugung von Seitenbändern bewirkt in Wirklichkeit keine Verschlechterung der spektralen Reinheit des konvertierten Laserstrahls, da die Seitenbandfrequenzen durch die Filterwirkung des Resonators ausgeblendet werden. Dieses Verfahren zeichnet sich gegenüber dem ersten Verfahren durch eine geringere Nullpunktsdrift, einen geringeren optischen Bauteilbedarf und einen verschwindend geringen Justieraufwand aus. Allerdings ist der elektronische Aufwand bei diesem Verfahren etwas größer.Here, I is the intensity of the irradiated laser light, Δφ is the modulation depth and J _{m is} the chair function of order m. In general, this method uses a modulation depth not exceeding 0.2 rad, resulting in sidebands less than 1% in of the first order and of negligible intensity in the higher orders. The modulation frequency Ω is chosen with respect to the quality of the optical resonator so that the sidebands lie outside the resonator bandwidth, so that the sideband frequencies do not enter the resonator, but are essentially reflected at the resonator coupling mirror. With a sufficiently fast photodetector, the intensity of the laser beam reflected by the resonator is registered. Since this beam is coherently composed of the directly reflected beam and the beam circulating several times in the resonator, the photodetector registers an intensity modulation with the frequency Ω whose phase angle changes depending on whether the resonator is optically in resonance or not. By means of a commonly used in RF technology, double-balanced mixer, this signal is compared with the applied to the phase modulator modulation voltage from a high frequency generator (reference signal). The output of the mixer after filtering by a low-pass filter only contains the difference frequency component of the mixed signal. In the vicinity of the resonance, the difference signal provides a measure of the phase difference of the two mixed signals and has a zero crossing at the exact resonance. The phase difference is in turn a measure of the deviation of the resonator length from the exact resonance case. Therefore, the difference frequency signal can be used as an error signal for a control loop for controlling the resonator length via a corresponding actuator. The generation of sidebands, which at first sight seems to be disadvantageous, in reality does not cause a deterioration in the spectral purity of the converted laser beam, since the sideband frequencies are masked out by the filter effect of the resonator. Compared to the first method, this method is characterized by a lower zero-point drift, a lower optical component requirement and a negligible adjustment effort. However, the electronic effort in this process is slightly larger.

In US 5 552 926 wird das Modulationsverfahren zur Regelung der optischen Länge eines passiven Resonators verwendet. Zur Frequenzkonversion des Laserstrahls wird hier ein nichtlinearer Kristall im Resonator verwendet, der zusätzlich lineare elektrooptische Eigenschaften besitzt, d. h. dass die linearen elektrooptischen Koeffizienten r_ij des Kristalls für die verwendete Laserstrahlrichtung in Bezug auf die Kristallachsen von Null verschieden sind. Die Modulationsspannung wird hier direkt an den nichtlinearen Kristall angelegt, so dass auf den externen Phasenmodulator verzichtet werden kann. Zusätzlich wird der Kristall noch als Stellglied für die Resonatorlängenänderung genutzt. Das Stellsignal des Reglers wird also an die Elektroden des Kristalls angelegt, um die optische Resonatorlänge durch den elektrooptischen Effekt im Kristall zu regeln.In US 5 552 926 For example, the modulation method is used to control the optical length of a passive resonator. For the frequency conversion of the laser beam, a nonlinear crystal is used in the resonator, which additionally has linear electro-optical properties, ie that the linear electro-optical coefficients r _{ij of} the crystal for the laser beam direction used are different from zero with respect to the crystal axes. The modulation voltage is here applied directly to the non-linear crystal, so that it is possible to dispense with the external phase modulator. In addition, the crystal is still used as an actuator for the resonator length change. The control signal of the regulator is thus applied to the electrodes of the crystal in order to control the optical resonator length by the electro-optical effect in the crystal.

Zur Erzeugung von Laserstrahlung im ultravioletten Spektralbereich kann es angebracht sein, zwei Frequenzkonversionsstufen zu verwenden. Für Laserstrahlung im blauen und ultravioletten Spektralbereich, insbesondere für kontinuierliche Laserstrahlung, gibt es vielfache Anwendungen in Forschung und Industrie. So kann z. B. aus einer infraroten Laserquelle mit einer Wellenlänge von 1064 nm durch zweimalige Frequenzverdopplung Laserstrahlung mit 266 nm erzeugt werden. Die beiden Frequenzkonversionsstufen können durch unterschiedliche Verfahren realisiert werden, z. B. wie in US 5 696 780 , wo die erste Konversionsstufe „intracavity", d. h. innerhalb des Laserresonators, die zweite Konversionsstufe jedoch „extracavity", d. h. in einem externen passiven Resonator, stattfindet. Stattdessen können auch beide Konversionsprozesse extern in zwei kaskadierten passiven Resonatoren erfolgen, wie z. B. in US 5 206 868 beschrieben. Ein primärer, Laserstrahl mit einer Grundwellenlänge, im folgenden Fundamentalstrahl genannt, aus einer Laserquelle wird in einen ersten passiven Resonator eingekoppelt, der mit einer ersten Regelschleife in Resonanz mit der Grundwellenlänge des Fundamentalstrahls gehalten wird. Ein erster nichtlinearer Kristall im ersten passiven Resonator erzeugt einen ersten frequenzkonvertierten Laserstrahl mit einer intermediären Wellenlänge, der aus dem ersten Resonator ausgekoppelt wird und in einen zweiten passiven Resonator mit einem zweiten nichtlinearen Kristall eingekoppelt wird. Der zweite nichtlineare Kristall erzeugt einen zweiten frequenzkonvertierten Laserstrahl mit einer dritten Wellenlänge, der als die Nutzstrahlung die Laseranordnung verlässt. In den meisten Fällen wird die dritte Wellenlänge im UV Bereich liegen. Der zweite passive Resonator muss mit einer zweiten Regelschleife in Resonanz mit der intermediären Wellenlänge des ersten frequenzkonvertierten Laserstrahls gehalten werden. Die inetrmediäre Wellenlänge wird in den meisten Fällen eine Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich sein.To generate laser radiation in the ultraviolet spectral range, it may be appropriate to use two frequency conversion stages. For laser radiation in the blue and ultraviolet spectral range, in particular for continuous laser radiation, there are multiple applications in research and industry. So z. B. from an infrared laser source with a wavelength of 1064 nm by two-fold frequency doubling laser radiation generated at 266 nm. The two frequency conversion stages can be realized by different methods, for. B. as in US 5,696,780 , where the first conversion stage "intracavity", ie within the laser cavity, the second conversion stage but "extracavity", ie in an external passive resonator takes place. Instead, both conversion processes can be done externally in two cascaded passive resonators, such. In US 5,206,868 described. A primary, laser beam with a fundamental wavelength, referred to below as the fundamental beam, from a laser source is coupled into a first passive resonator, which is held with a first control loop in resonance with the fundamental wavelength of the fundamental beam. A first nonlinear crystal in the first passive resonator generates a first frequency-converted laser beam having an intermediate wavelength that is coupled out of the first resonator and coupled into a second passive resonator having a second non-linear crystal. The second non-linear crystal generates a second frequency-converted laser beam having a third wavelength, which leaves the laser array as the useful radiation. In most cases, the third wavelength will be in the UV range. The second passive resonator must be held in resonance with the intermediate wavelength of the first frequency-converted laser beam with a second control loop. The intramolecular wavelength will in most cases be a wavelength in the visible spectral range.

Die Verwendung zweier unabhängiger Regelschleifen ist notwendig, da die beiden Resonatoren im allgemeinen unterschiedlichen äußeren Störungen unterliegen. Daher muss auch für jeden Resonator separat ein Fehlersignal generiert werden, das als Eingangssignal für die jeweilige Regelung dient. Nach dem bisherigen Stand der Technik bedeutet dies, dass für jeden Resonator separat ein Verfahren wie z. B. das Polarisations- oder das Modulationsverfahren mit jeweils dem vollen Aufwand angewendet werden muss. Wird für beide Resonatoren das normalerweise favorisierte Modulationsverfahren angewendet, so muss die Regelung des zweiten passiven Resonators über eine eigene Modulationseinrichtung verfügen, d. h. einen mit Elektroden versehenen elektrooptischen Kristall, da die Modulation der ersten Stufe vom ersten passiven Resonator vollständig herausgefiltert wird. Dabei ergibt sich im allgemeinen die Schwierigkeit, dass Interferenzen von höheren Harmonischen der beiden Modulationsfrequenzen Störsignale erzeugen können. Die beiden Modulationsfrequenzen müssen daher sorgfältig ausgewählt werden, so dass keine gemeinsamen Vielfache der Grundfrequenzen auftreten. Demzufolge sind auch zwei unabhängige Hochfrequenzgeneratoren mit den zugehörigen Verstärkerstufen erforderlich, die ausreichend Spannung für die Kristallelektroden liefern.The use of two independent control loops is necessary because the two resonators are generally subject to different external disturbances. Therefore, an error signal must also be generated separately for each resonator, which serves as an input signal for the respective control. In the prior art, this means that for each resonator separately a method such. B. the polarization or the modulation method with each of the full effort must be applied. If the normally favored modulation method is used for both resonators, then the regulation of the second passive resonator must have its own modulation device, ie an electro-optical crystal provided with electrodes, since the modula tion of the first stage is completely filtered out by the first passive resonator. This generally results in the difficulty that interferences of higher harmonics of the two modulation frequencies can generate interference signals. The two modulation frequencies must therefore be carefully selected so that no common multiples of the fundamental frequencies occur. Consequently, two independent high frequency generators with the associated amplifier stages are required, which provide sufficient voltage for the crystal electrodes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Resonatorlängenstabilisierung zweier kaskadierter passiver Resonatoren anzugeben, das mit einem geringeren Aufwand auskommt, als es dem Stand der Technik entspricht und durch Vermeidung gegenseitiger Störungen der beiden Regelschleifen sogar zuverlässiger arbeitet. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass nur ein elektrooptischer Kristall und nur ein Hochfrequenzgenerator verwendet wird, um die Phasenmodulation sowohl des Fundamentalstrahls als auch des ersten frequenzkonvertierten Strahls zu bewirken und trotzdem zwei Fehlersignale für zwei unabhängige Regelschleifen zu erhalten. Der elektrooptische Kristall wird hierzu in den ersten passiven Resonator eingesetzt, so dass sowohl der Fundamentalstrahl als auch der erste frequenzkonvertierte Strahl den elektrooptischen Kristall durchlaufen. Der elektrooptische Kristall muss vom Material und Schnitt her geeignet sein, zwei Lichtwellen mit unterschiedlicher Polarisation und Wellenlänge zu modulieren. In einer bevorzugten Anordnung wird der erste nichtlinearer Kristall im ersten passiven Resonator sowohl zur Frequenzkonversion als auch zur Phasenmodulation der beiden Lichtwellen benutzt. Das Material und der Schnitt des nichtlinearen Kristalls müssen dann so gewählt sein, dass für die Wellenlänge des Fundamentalstrahls Phasenanpassung vorliegt und dass das angelegte elektrische Feld die Brechungsindizes sowohl des ordentlichen Strahls als auch des außerordentlichen Strahls ändert. Es genügt dabei nicht, dass die dem Fundamentalstrahl aufgeprägte Modulation sich durch nichtlineare Frequenzkonversion auf den frequenzkonvertierten Strahl überträgt. Wegen der geringen Frequenzbandbreite des optischen Resonators werden die Seitenbänder der Fundamentalstrahlung stark gedämpft. Bei dem am häufigsten verwendeten Konversionsprozess der Frequenzverdopplung besteht eine quadratische Abhängigkeit der frequenzverdoppelten Strahlung von der Fundamentalstrahlung. Daher haben die durch Frequenzverdopplung entstehenden Seitenbänder eine verschwindend geringe Intensität. Nur die durch direkte Modulation der konvertierten Strahlung im Kristall entstehenden Seitenbänder haben eine für die erfindungsgemäße Verwendung ausreichende Intensität. Dies ist jedoch nicht bei jedem Kristallmaterial und jedem Schnittwinkel der Fall.task The invention is a method for resonator length stabilization specify two cascaded passive resonators, with a lower Expense requires, as it corresponds to the state of the art and by Avoidance of mutual interference the two control loops even more reliable works. The task is solved by that only an electro-optic crystal and only a high-frequency generator is used to phase modulate both the fundamental beam as well as the first frequency-converted beam and nevertheless two error signals for two independent To receive control loops. The electro-optical crystal is this used in the first passive resonator, so that both the Fundamental beam as well as the first frequency-converted beam go through the electro-optical crystal. The electro-optical crystal must be suitable for the material and cut, two light waves to modulate with different polarization and wavelength. In a preferred arrangement is the first non-linear crystal in the first passive resonator for both frequency conversion and phase modulation used the two light waves. The material and the cut of the nonlinear crystal must then chosen be that for the wavelength of the fundamental beam is phase matching and that the applied electric field the refractive indices of both the ordinary ray as also of the extraordinary Beam changes. It is sufficient not that the modulation imposed on the fundamental beam transmits to the frequency converted beam by non-linear frequency conversion. Because of the low frequency bandwidth of the optical resonator the sidebands the fundamental radiation strongly damped. The most common used conversion process of frequency doubling is a quadratic dependence the frequency-doubled radiation from the fundamental radiation. Therefore, the sidebands resulting from frequency doubling have a vanishingly low intensity. Just by direct modulation of the converted radiation in the crystal resulting sidebands have one for the use according to the invention sufficient intensity. However, this is not true for every crystal material and cutting angle the case.

Die Erfindung wird in den folgenden bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert:
Gemäß 1 wird der von der Laserstrahlquelle 1 emittierte Fundamentalstrahl 2 über eine erste Anpassungslinse 16 (Mode-matching-Linse) in den ersten passiven Resonator 3 eingekoppelt. Dabei ist die in der Darstellung gewählte Dreieckform des Resonators mit drei-Spiegeln- und einem ersten nichtlinearen Kristall 9 nicht zwingend erforderlich, sondern als Beispiel zu verstehen. Jede andere Form eines passiven Resonators mit einem nichtlinearen Kristall ist für die Erfindung ebenfalls verwendbar. Die Verwendung eines Piezoelementes 7 als Stellelement zur Einstellung der Resonatorlänge durch Translation eines Spiegels ist ebenfalls beispielhaft gemeint. Jedes andere Stellelement, das die Anforderungen bezüglich Präzision und Schnelligkeit erfüllt, ist ebenso einsetzbar. Der vom ersten nichtlinearen Kristall 9 erzeugte erste frequenzkonvertierte Laserstrahl 4 wird über eine zweite Anpassungslinse 17 in den zweiten passiven Resonator 5 mit einem zweiten nichtlinearen Kristall 10 eingekoppelt. Auch dieser Resonator muss nicht zwingend die in der Darstellung verwendete beispielhafte Form besitzen. Der vom zweiten nichtlinearen Kristall 10 erzeugte zweite frequenzkonvertierte Laserstrahl 6 stellt die Nutzstrahlung der Anordnung dar.The invention is explained in more detail in the following preferred embodiments:
According to 1 becomes that of the laser beam source 1 emitted fundamental ray 2 via a first adjustment lens 16 (Mode-matching lens) in the first passive resonator 3 coupled. In this case, the triangular shape chosen in the illustration is the resonator with three-mirrored and a first nonlinear crystal 9 not mandatory, but to be understood as an example. Any other form of passive non-linear crystal resonator is also useful in the invention. The use of a piezo element 7 as an actuator for adjusting the resonator length by translation of a mirror is also meant by way of example. Any other actuator that meets the requirements for precision and speed can also be used. The first nonlinear crystal 9 generated first frequency-converted laser beam 4 is via a second adjustment lens 17 in the second passive resonator 5 with a second nonlinear crystal 10 coupled. This resonator does not necessarily have to have the exemplary shape used in the illustration. The second nonlinear crystal 10 generated second frequency-converted laser beam 6 represents the useful radiation of the arrangement.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der erste nichtlineare Kristall 9 mit Elektroden versehen ist, mit deren Hilfe ein elektrisches Feld an den Kristall angelegt werden kann. Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass der erste nichtlineare Kristall 9 elektrooptische Eigenschaften besitzt, und zwar derart, dass beim Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an den Kristall sowohl die Phase des im Resonator umlaufenden Fundamentalstrahls, als auch des ersten frequenzkonvertierten Laserstrahls 4 mit der Frequenz des Wechselfeldes moduliert wird. Es ist hierfür erforderlich, dass die bei der gewählten Orientierung der Kristallachsen maßgeblichen elektrooptischen Koeffizienten r_ij nicht Null sind. Da die Achsenorientierung in Hinblick auf optimale Konversionseffizienz ausgewählt wird, ist dies nicht bei jedem Kristallmaterial der Fall. Ein Kristallmaterial, was sowohl eine effiziente Frequenzkonversion ermöglicht, als auch hohe Werte der entsprechenden elektrooptischen Eigenschaften besitzt, ist z. B. Kaliumniobat (KNbO₃). Die Elektroden können bei einem winkelangepassten KNBO₃-Kristall z. B. so angebracht werden, dass das elektrische Feld senkrecht zur Laserstrahlrichtung und senkrecht zur Polarisation des Fundamentalstrahls steht. Dieser Orientierung des elektrischen Feldes ermöglicht transversalen elektrooptischen Effekt sowohl für der ordentlichen Strahl (in diesem Fall der Fundamentalstrahl 2), als auch für den außerordentlichen Strahl (frequenzkonvertierter Strahl 4). Die Orientierung der Kristallachsen und der verschiedenen Felder ist in 2 für das Beispiel des Kristallmaterials Kaliumniobat dargestellt. Durch die Nutzung des ersten nichtlinearen Kristalls als elektrooptischer Modulator können zwei Laserstrahlen, nämlich der Fundamentalstrahl 2 und der erste frequenzkonvertierte Laserstrahl 4, gleichzeitig moduliert werden. Der Aufwand zur Stabilisierung der beiden kaskadierten passiven Resonatoren 3 und 5 kann somit sowohl auf der optischen als auch auf der elektronischen Seite erheblich reduziert werden. Zur Modulation der beiden Laserstrahlen 2 und 4 mit Hilfe des nichtlinearen Kristalls 9 wird der Ausgang des Hochfrequenzgenerators 13 (Frequenz Ω) an die Elektroden des Kristalls 9 angeschlossen. Gleichzeitig dient das Hochfrequenzsignal als Referenz für den Hochfrequenzmischer 12. Mit einem für die verwendete Modulationsfrequenz Ω ausreichend schnellen Photodetektor 18 wird die Intensitätsmodulation des im Resonator 3 umlaufenden Fundamentalstrahls registriert. Hierzu kann entweder der am Einkoppelspiegel des Resonators reflektierte Strahl oder ein anderer, aus dem Resonator austretender Reflex, wie z. B. ein Reflex von einer Kristalloberfläche, verwendet werden. Das Ausgangs signal des Mischers 12, nachdem es ein Tiefpassfilter 20 durchlaufen hat, stellt das Fehlersignal des Regelkreises dar und wird an den Eingang des Reglers 11 angeschlossen, der seinerseits das Stellsignal für das Stellelement 7 liefert. Der Regelkreis für den ersten Resonator ist damit geschlossen. Der Regelkreis für den zweiten Resonator 5 besteht entsprechend aus dem Detektor 19, Mischer 14, Tiefpassfilter 21, Regler 15 und Stellelement 8. Jedoch verfügt dieser Regelkreis über keinen eigenen Hochfrequenzgenerator und keinen elektrooptischen Modulator, sondern nutzt die Komponenten des ersten Regelkreises mit. Dementsprechend dient das Ausgangssignal des Hochfrequenzgenerators 13 ebenfalls als Referenzsignal für den Mischer 14 und der erste nichtlineare Kristall 9 dient auch als elektrooptischer Modulator für den Regelkreis des zweiten Resonators 5.An essential feature of the invention is that the first nonlinear crystal 9 provided with electrodes, by means of which an electric field can be applied to the crystal. Another feature of the invention is that the first nonlinear crystal 9 has electro-optical properties, in such a way that when applying an alternating electric field to the crystal, both the phase of the circulating in the resonator fundamental beam, as well as the first frequency-converted laser beam 4 is modulated with the frequency of the alternating field. It is necessary for this that the relevant in the selected orientation of the crystal axes electro-optical coefficients r _{ij are} not zero. Since the axis orientation is selected for optimum conversion efficiency, this is not the case with any crystal material. A crystal material, which allows both an efficient frequency conversion, as well as high values of the corresponding electro-optical properties, z. B. potassium niobate (KNbO ₃ ). The electrodes can be used in an angle-matched KNBO ₃ crystal z. B. be mounted so that the electric field is perpendicular to the laser beam direction and perpendicular to the polarization of the fundamental beam. This orientation of the electric field allows transverse electro-optic effect for both the ordinary beam (in this case, the fundamental beam 2 ), as well as for the extraordinary beam (frequency-converted beam 4 ). The orientation of the crystal axes and the different fields is in 2 for the example of the crystal material potassium niobate posed. By using the first nonlinear crystal as the electro-optical modulator, two laser beams, namely the fundamental beam, can be used 2 and the first frequency-converted laser beam 4 , be modulated at the same time. The effort to stabilize the two cascaded passive resonators 3 and 5 can thus be significantly reduced both on the optical and on the electronic side. For modulation of the two laser beams 2 and 4 with the help of the nonlinear crystal 9 becomes the output of the high frequency generator 13 (Frequency Ω) to the electrodes of the crystal 9 connected. At the same time, the high-frequency signal serves as a reference for the high-frequency mixer 12 , With a sufficiently fast photodetector for the used modulation frequency Ω 18 becomes the intensity modulation of the resonator 3 circulating fundamental beam registered. For this purpose, either the reflected at the coupling mirror of the resonator beam or another, emerging from the resonator reflex, such. As a reflex of a crystal surface can be used. The output signal of the mixer 12 after getting a low pass filter 20 has passed through, represents the error signal of the control loop and is applied to the input of the controller 11 connected, in turn, the actuating signal for the actuator 7 supplies. The control loop for the first resonator is closed. The control loop for the second resonator 5 consists of the detector accordingly 19 , Mixer 14 , Low pass filter 21 , Controller 15 and actuator 8th , However, this control circuit does not have its own high-frequency generator and electro-optical modulator, but uses the components of the first control loop. Accordingly, the output signal of the high-frequency generator is used 13 also as a reference signal for the mixer 14 and the first nonlinear crystal 9 also serves as electro-optical modulator for the control loop of the second resonator 5 ,

In einer weiteren Ausführungsform nach 3 wird die Frequenzkonversion des Fundamentalstrahls mit einem ersten nichtlinearen Kristall 9 im ersten passiven Resonator 3 durchgeführt, während die Phasenmodulation des Fundamentalstrahls und des ersten frequenzkonvertierten Strahls mit einem zusätzlichen elektrooptischen Kristall 22 vorgenommen wird. Der elektrooptische Kristall 22 muss ebenfalls im passiven Resonator 3 angeordnet werden, und zwar bezüglich der Lichtausbreitungsrichtung hinter dem nichtlinearen Kristall 9 und vor dem Auskoppelspiegel 23. Nur an dieser Position ist es möglich, beide Laserstrahlen gleichzeitig zu modulieren. Obwohl es mehr Aufwand bedeutet, kann die Aufteilung der Aufgaben Frequenzkonversion und Phasenmodulation auf die Kristalle 9 und 22 gemäß 3 sinnvoll sein, wenn nämlich für die gewünschte Wellenlänge, Leistung und Strahlqualität der zu erzeugenden Laserstrahlung kein geeignetes Kristallmaterial zur Verfügung steht, das alle Aufgaben gleichzeitig erfüllen kann. So kann z. B. mit dem Kristallmaterial Lithiumtriborat (LBO) frequenzkonvertierte Laserstrahlung der Wellenlänge 532 nm mit sehr hoher Leistung und guter Strahlqualität erzeugt werden, jedoch zeigt dieses Material keinen nachweisbaren linearen elektrooptischen Effekt. Andere Materialien, wie z. B. Kaliumniobat (KNbO₃), haben zwar sowohl die gewünschten elektrooptischen als auch die nichtlinearen Eigenschaften zur Frequenzkonversion, neigen aber bei höheren Leistungen zu Verzerrungen des Strahlprofils und zu Degradationserscheinungen. Daher ist es in diesem Fall sinnvoll, zwei verschiedene Materialien zu verwenden, von denen das erste gute Eigenschaften bezüglich der Frequenzkonversion, das zweite dafür gute elektrooptische Eigenschaften besitzt. Beispielsweise eignet sich das Material Beta-Bariumborat (BBO) als elektrooptischer Kristall zur Kombination mit LBO, da BBO ebenfalls eine sehr hohe Leistungsverträglichkeit hat. BBO ist zwar ebenfalls zur Frequenzkonversion geeignet, könnte also sowohl die Frequenzkonversion als auch die Phasenmodulation übernehmen, jedoch leidet ein mit BBO erzeugter frequenzkonvertierter Laserstrahl unter einem verzerrten Strahlprofil, das sich für viele Anwendungen ungünstig auswirkt.In a further embodiment according to 3 becomes the frequency conversion of the fundamental beam with a first nonlinear crystal 9 in the first passive resonator 3 performed during the phase modulation of the fundamental beam and the first frequency-converted beam with an additional electro-optical crystal 22 is made. The electro-optical crystal 22 must also be in the passive resonator 3 be arranged, with respect to the light propagation direction behind the non-linear crystal 9 and in front of the output mirror 23 , Only at this position is it possible to simultaneously modulate both laser beams. Although it means more effort, the division of tasks can frequency conversion and phase modulation on the crystals 9 and 22 according to 3 make sense, if in fact for the desired wavelength, power and beam quality of the laser radiation to be generated no suitable crystal material is available, which can fulfill all tasks simultaneously. So z. B. with the crystal material lithium triborate (LBO) frequency-converted laser radiation of wavelength 532 nm are produced with very high power and good beam quality, however, this material shows no detectable linear electro-optic effect. Other materials, such. As potassium niobate (KNbO ₃ ), although both have the desired electro-optic and the nonlinear properties for frequency conversion, but tend to higher powers to distortions of the beam profile and degradation phenomena. Therefore, in this case, it makes sense to use two different materials, the first of which has good frequency conversion properties and the second has good electro-optic properties. For example, the material beta-barium borate (BBO) is suitable as an electro-optical crystal for combination with LBO, since BBO also has a very high power compatibility. While BBO is also suitable for frequency conversion, it could handle both frequency conversion and phase modulation, but a frequency-converted laser beam generated by BBO suffers from a distorted beam profile that is unfavorable to many applications.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf Frequenzverdopplung als Sonderform der Frequenzkonversion beschränk. So kann z. B. ein Teil des Fundamentalstrahls mit in den zweiten passiven Resonator eingekoppelt werden, um eine Summenfrequenzmischung aus dem Fundamentalstrahl und dem ersten frequenzkonvertierten Laserstrahl zu bewirken. Ebenso ist es möglich, die zwei passiven Resonatoren so auszubilden, dass sie einen gemeinsamen Strahlabschnitt aufweisen, in dem zwei der beteiligten Strahlen resonant überhöht sind, so dass in diesem Strahlabschnitt eine besonders effiziente Frequenzkonversion durch Frequenzmischung stattfinden kann.The The invention is not limited to the embodiments described herein limited. In particular, the invention is not based on frequency doubling Restrict special form of frequency conversion. So z. B. a part of the fundamental beam coupled into the second passive resonator be a sum frequency mixing of the fundamental beam and the first frequency-converted laser beam. As well Is it possible, the two passive resonators in such a way that they have a common Beam section, in which two of the beams involved are resonantly inflated, so that in this beam section a particularly efficient frequency conversion can take place by frequency mixing.

Claims

A laser arrangement for generating frequency-converted laser radiation, comprising a laser beam source which generates a fundamental beam with a fundamental wavelength and a first passive resonator whose optical length is stabilized with a first control loop according to the modulation method with respect to the fundamental wavelength, comprising a first non-linear crystal has electro-optic properties and is provided with electrodes and which generates from the fundamental beam a first frequency-converted laser beam with an intermediate wavelength, and a second passive resonator whose optical length with a second control loop according to the modulation method with respect to the intermediary Wavelength is stabilized with a second non-linear crystal, which generates a second frequency-converted laser beam with a third wavelength emitted by the laser array, characterized in that both the phase modulation of the fundamental beam and the phase modulation of the first frequency-converted laser beam to generate the error signals for the two control loops are generated by applying an alternating voltage with only one frequency to the electrodes of the first nonlinear crystal.

Laser arrangement for generating frequency-converted Laser radiation, with a laser beam source that uses a fundamental beam a fundamental wavelength generated, and a first passive resonator, the length of which with a first control loop according to the modulation method in relation to the fundamental wavelength is stabilized, with a first nonlinear crystal, the the fundamental beam a first frequency-converted laser beam generated with an intermediate wavelength, and an electro-optic crystal provided with electrodes is and a second passive resonator whose length with a second control loop according to the modulation method in relation stabilized to the intermediate wavelength becomes, with a second nonlinear crystal, a second generates a frequency-converted laser beam with a third wavelength, which is emitted by the laser array, characterized, that both the phase modulation of the fundamental beam and the Phase modulation of the first frequency-converted laser beam for Generation of error signals for the two control loops by applying an AC voltage with only one frequency to the electrodes of the electro-optical crystal is produced.

Laser arrangement according to Claim 1, characterized in that the first nonlinear crystal consists of the material potassium niobate (KNbO ₃ ).

Laser arrangement according to claim 2, characterized in that that the first non-linear crystal of the material is lithium triborate (LBO) exists.

Laser arrangement according to claim 2, characterized in that that the electro-optical crystal made of the material beta-barium borate (BBO) exists.