DE102005061038B3

DE102005061038B3 - Laserresonator in Dreiecksform

Info

Publication number: DE102005061038B3
Application number: DE102005061038A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Steiger; Ralf Dr. Müller
Original assignee: BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND VERTR D D BUNDESMINISTERIUM fur WIRTSCHAFT und TECHNOLOGIE; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Mueller Ralf Dr De; Steiger Andreas Dr De
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: WO2007071222A1

Abstract

Ein Laserresonator für einen Laserstrahl (3) mit zwei Spiegeln (M1, M2) und einem eine Eintrittsfläche (1) und eine Austrittsfläche (2) für den Laserstrahl (3) aufweisenden brechenden Element (LS), die in einer Dreiecksform als Ringresonator angeordnet sind, mit einer translatorischen Verstelleinrichtung für das brechende Element (LS) zur Aufrechterhaltung der Resonanzbedingung bei geänderter Wellenlänge, erlaubt eine erhebliche Vergrößerung des Durchstimmbereichs für die Wellenlänge des Laserstrahls (3) dadurch, dass die Eintrittsfläche (1) und die Austrittsfläche (2) des brechenden Elements (LS) zur Kompensation der Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge gekrümmt ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserresonator für einen Laserstrahl mit zwei Spiegeln und einem eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche für den Laserstrahl aufweisenden brechenden Element, die in einer Dreiecksform als Ringresonator angeordnet sind, mit einer translatorischen Verstelleinrichtung für das brechende Element zur Aufrechterhaltung der Resonanzbedingung bei geänderter Wellenlänge.

Ein derartiger Laserresonator ist beispielsweise aus EP 1 066 546 B1 bekannt. Die Ausbildung des Ringresonators mit zwei Spiegeln und einem Prisma als brechendes Element hat die Funktion, bei einer Änderung der Wellenlänge die optische Weglänge im Resonator durch eine bloße translatorische Verschiebung des Prismas anpassen zu können, ohne dass sich die Winkelbedingungen an den Spiegeln ändern. Die Variation der Laserwellenlänge kann somit durch eine bloße translatorische Verschiebung des brechenden Elements zur Anpassung der Resonatorlänge an die geänderte Wellenlänge kompensiert werden.

Der bekannte Laserresonator erlaubt eine gewisse Durchstimmbarkeit der Laserwellenlänge, da die Resonatorlänge an die geänderte Wellenlänge anpassbar ist. Eine Begrenzung der Durchstimmbarkeit des Resonators ergibt sich durch den wellenlängenabhängigen Brechungsindex des brechenden Elements. Dadurch wird der immer unter einem gleichen Winkel einfallende Laserstrahl bei einer Änderung seiner Wellenlänge an der Eintrittsfläche durch die unterschiedliche Brechung für eine geänderte Laserwellenlänge um einen anderen Winkel abgelenkt. Entsprechendes gilt für die Ablenkung an der Austrittsfläche, sodass durch die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge (Dispersion) eine Dejustierung des Resonators für geänderte Wellenlängen eintritt.

Dieser Dejustierung könnte durch eine Nachjustierung eines der Spiegel begegnet werden. In diesem Fall ist dann doch wieder eine Verstellung wenigstens eines der Spiegel erforderlich, was durch die Dreiecksanordnung gerade verhindert werden sollte.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der durch die Dispersion hervorgerufenen Dejustierung eines Laserresonators der eingangs erwähnten Art in einfacherer Weise begegnen zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Laserresonator der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche des brechenden Elements zur Kompensation der Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge gekrümmt ausgebildet sind.

Dabei gibt es zwei Möglichkeiten eine bestimmte Krümmung auszubilden: eine konkave Form mit einer Krümmung der Fläche nach Innen, oder eine konvexe Form mit einer Krümmung nach Außen.

Durch die gekrümmte Ausbildung der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche wird in beiden Fällen bei einer translatorischen Verschiebung des brechenden Elements zugleich der Einfallswinkel des vom unverändert gebliebenen Spiegel reflektierten Laserstrahls geändert, und zwar in der Weise, dass durch die (höhere oder niedrigere) Brechkraft des brechenden Elements für die geänderte Wellenlänge ein gleicher Winkelverlauf des Strahls durch das brechende Element hindurch erzielt wird. Obwohl sich der Brechwinkel verändert, entsteht durch die geeignete Ausbildung der Krümmung innerhalb des brechenden Elements der gleiche Verlauf des Laserstrahls wie für die vorhergehende Wellenlänge vor der translatorischen Verschiebung.

Der erfindungsgemäße Laserresonator ist daher bezüglich seiner Durchstimmbarkeit nicht durch Dispersionseffekte beschränkt. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es möglich, diese Art von einfachen und kompakten Ringresonatoren mit hoher Güte für Laserverstärkermedien mit großer Verstärkungsbandbreite einzusetzen und auch für eine weit abstimmbare effiziente Frequenzkonversion mit nicht linear optischen Elementen zu verwenden. In diesem Zusammenhang ist diese Erfindung von besonderer Bedeutung für einfach resonante optisch parametrische Oszillatoren wegen ihrer besonderen breiten Durchstimmmöglichkeit.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Laserresonator ist es vorteilhaft, wenn sich das brechende Element in einer Mittenebene zwischen den Spiegeln befindet und mittels der Verstelleinrichtung translatorisch in der Mittenebene verschiebbar ist.

Weiterhin können Eintrittsfläche und Austrittsfläche trotz ihrer Krümmung so orientiert werden, dass Reflexionsverluste durch Einfallswinkel α nahe dem Brewster-Winkel vermieden werden.

Die Krümmung von Eintrittsfläche und Austrittsfläche kann darüber hinaus so gewählt werden, dass ein durch die bevorzugt verwendeten sphärischen Spiegel verursachter Astigmatismus des Resonators kompensiert wird.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand schematischer Darstellungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines in Dreiecksform aufgebauten Ringresonators mit zwei sphärischen Spiegeln und einem brechenden Element
2 eine vergrößerte Darstellung des brechenden Elements mit den zwei möglichen unterschiedlichen Krümmungen (konkav bzw. konvex) jeweils in zwei Translationsstellungen ausgehend von derselben Brewsterbedingung (tan(α) = n).
Der in 1 schematisch dargestellte Laserresonator besteht aus zwei fest montierten Spiegeln M1, M2, die in bekannter Weise sphärisch ausgebildet sind, dass sich ein kompakter stabiler Ringresonator in der Grundmode TEM₀₀ ergibt.
Ein brechendes Element LS befindet sich in einer Mittenebene zwischen den Spiegeln M1, M2 und ist in dieser Mittenebene translatorisch verschiebbar sodass sich die Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausbildet, in der das brechende Element LS sich mittig über der Basis des Dreiecks befindet. Da die Spiegel M1, M2 in ihrer Winkelstellung fest und symmetrisch zur Mittenebene montiert sind, entsteht an beiden Spiegeln ein Ablenkwinkel Φ. Daraus ergibt sich ein auf das brechende Element LS einfallender Strahl, der im justierten Zustand durch den Brechungsindex des brechenden Elements LS parallel zu dem auf der Basis des Dreiecks zwischen den Spiegeln M1 und M2 verlaufenden Strahl verläuft.
2 verdeutlicht die gekrümmte Ausbildung von Eintrittsfläche 1 und Austrittsfläche 2 des brechenden Elements LS. Gemäß 2a sind Eintrittsfläche 1 und Austrittsfläche 2 konkav, gemäß 2b konvex gekrümmt. So entstehen für verschiedene translatorische Stellungen, von denen eine in 2 in ausgezogenen Linien und die andere in gestrichelten Linien dargestellt ist, durch die Krümmung der Eintrittsfläche 1 unterschiedliche Auftreffwinkel α, α'. Ferner ist erkennbar, dass der durchgezogene Laserstrahl durch das brechende Element LS im konkaven Fall kürzer und im konvexen Fall länger ist als der gestrichelte Laserstrahl. Dadurch ist eine unterschiedliche Anpassung der Weglänge im Resonator an die veränderte Wellenlänge möglich. Durch die unterschiedlichen Auftreffwinkel α, α' des Laserstrahls 3 mit der Flächenormalen am Auftreffpunkt des brechenden Elements LS wird der aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Brechwinkel kompensiert, sodass beide Strahlen durch das brechende Element LS parallel zueinander verlaufen und in denselben Austrittsstrahl übergehen.
In üblicher Weise wird der Winkel am brechenden Element LS so gewählt, dass der Einfallswinkel α nahe beim Brewster-Winkel tan(α) = n liegt, damit Reflexionsverluste vermieden werden.
In der Ausgangsposition trifft ein Laserstrahl 3 mit der Wellenlänge λ auf das brechende Element LS. Für diese Wellenlänge beträgt der Brechungsindex des brechenden Elements LS n. Der Einfallswinkel ist α. Aufgrund der Brechung wird der Laserstrahl innerhalb des brechenden Elements LS um ϕ abgelenkt.
Bei einer Änderung der Wellenlänge in λ + Δλ ändert sich der Brechungsindex aufgrund der (normalen) Dispersion in n – Δn. Da der Laserstrahl 3 weiterhin symmetrisch durch das brechende Element LS verlaufen soll, ist der Einfallswinkel α' so geändert, dass sich bei der Verschiebung des brechenden Elements LS um den Weg Δx der gleiche Ablenkwinkel ϕ und wieder ein symmetrischer Strahlengang ergibt.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Krümmung der Eintrittsfläche 1 und der Austrittsfläche 2 eine zylindrische Krümmung mit dem Krümmungsradius R. Das brechende Element hat dann die einfach herzustellende Form eines Segments einer symmetrischen Zylinderlinse. In diesem Fall ergibt sich für die Kompensation der Brechungsindexänderung Δn die angenäherte Beziehung Δx ≈ ½R sqrt(1 + n–2)/(n2 – 1)Δn
Dabei muss für eine größere Wellenlänge λ + Δλ das brechende Element bei konkaver Krümmung um Δx in den Strahlengang eingeschoben werden, während bei konvexer Krümmung es um Δx herausgezogen werden muss. Im konvexen Fall verringert sich die optische Weglänge ΔL durch den verkürzten Weg im brechenden Element. Günstiger für eine Anpassung der Resonatorlänge an die geänderte Wellenlänge ist die konkave Form, weil hier die optische Weglänge ΔL bei größerer Wellenlänge zunimmt. Die Größe der Änderung ergibt beide Mal angenähert ΔL = R/n²/sqrt(1 + n^–2)Δn. Unabhängig von diesem vorzeichenbehafteten Effekt verkürzt sich mit einer größeren Wellenlänge der optische Weg durch die Verringerung des Brechungsindex (normale Dispersion) in allen vom Laserstrahl durchlaufenen Elementen im Resonator. Dazu zählt der gemeinsame Weg innerhalb des brechenden Elements sowie der nicht lineare Kristall im Beispielfall eines optisch parametrischen Oszillators.
Die Größe der für die Dispersionskompensation entscheidenden Verschiebung Δx des brechenden Elements wird durch zwei nachfolgende Zahlenbeispiele verdeutlicht.
Wird zum Beispiel ein optisch parametrischer Oszillator mit einer resonanten Signalwellenlänge λ = 0,8 μm und einer Verstimmung um Δλ = 100 nm realisiert, ergibt sich für ein Quarzelement als brechendes Element LS mit n = 1,45; α = 55,4°; Φ = 20,8° ein Δn = 0,0016. Hieraus folgt Δx = 0,25 mm für einen Radius R = 300 mm.
Die Verschiebung des brechenden Elements LS mit einem Krümmungsradius von R = 300 mm der Eintrittsfläche 1 und der Austrittsfläche 2 erfolgt somit um 0,25 mm, um eine Veränderung der Wellenlänge im Laserresonator um 100 nm zu realisieren.
Wird anstelle von Quarz ein LiNbO₃-Material für das brechende Element LS verwendet, ergibt sich mit n₀ = 2,25; α = 66°; Φ = 42° ein Δn = 0,01. Hieraus ergibt sich für einen Radius von 2 m ein Δx = 2,8 mm.
Der Krümmungsradius der Austrittsfläche 1 und Austrittsfläche 2 zur Kompensation der Dispersion in Abhängigkeit von der Laserwellenlänge ist in beiden Beispielen so gewählt worden, dass der durch die sphärischen Spiegel M1, M2 verursachte Astigmatismus des optisch parametrischen Oszillators bei konvexer Form des brechenden Elements LS kompensiert wird.
Es ist somit erkennbar, dass die Ausbildung des brechenden Elements LS als Linsensegment mit einer Krümmung der Eintrittsfläche 1 und Austrittsfläche 2 in sehr einfacher Weise den Bereich der Durchstimmbarkeit der Wellenlänge des Laserstrahls 3 im Laserresonator erheblich vergrößert.

Claims

Laserresonator für einen Laserstrahl (3) mit zwei Spiegeln (M1, M2) und einem eine Eintrittsfläche (1) und eine Austrittsfläche (2) für den Laserstrahl (3) aufweisenden brechenden Element (LS), die in einer Dreiecksform als Ringresonator angeordnet sind, mit einer translatorischen Verstelleinrichtung für das brechende Element (LS) zur Aufrechterhaltung der Resonanzbedingung bei geänderter Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (1) und die Austrittsfläche (2) des brechenden Elements (LS) zur Kompensation der Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge gekrümmt ausgebildet sind.
Laserresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das brechende Element (LS) symmetrisch zu einer Mittenebene zwischen den Spiegeln (M1, M2) ausgebildet und mittels der Verstelleinrichtung translatorisch in der Mittenebene verschiebbar ist.
Laserresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Tangentenflächen der gekrümmten Eintrittsfläche (1) und der gekrümmten Austrittsfläche (2) des brechenden Elements (LS) an einem Eintrittspunkt und einem Austrittspunkt des Laserstrahls (3) eine Brewsterbedingung für den Lasterstrahl (3) erfüllen.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ein nicht linear optisches Element enthält, das aus einer einfallenden Laserfrequenz wenigstens eine davon verschiedene Frequenz generiert.
Laserresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht lineare optische Element ein nicht linearer Kristall ist, der die einfallende Frequenz ω1 in zwei Teilfrequenzen ω2, ω3 mit ω1 = ω2 + ω3 aufspaltet.
Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Eintrittsfläche (1) und der Austrittsfläche (2) ferner zur Kompensation eines von sphärisch ausgebildeten Spiegeln (M1, M2) verursachten Astigmatismus ausgebildet ist.