DE102006043061A1

DE102006043061A1 - Pulsed parametric oscillator in single mode operation

Info

Publication number: DE102006043061A1
Application number: DE102006043061A
Authority: DE
Inventors: Hannes Vogelmann; Thomas Dr. Trickl; Klaus Dr. Grützmacher; Andreas Dr. Steiger; Martina Dr. Steiger
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2007-10-04
Also published as: WO2007107441A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gepulsten parametrischen Oszillator umfassend wenigstens - einen Pumplaser (1) - Vorrichtungen (8, 9), mittels derer der Pumpstrahl (2) des Pumplasers (1) elliptisch verformt und vertikal komprimiert wird - ein Reflektionsgitter (3) - einen nicht linearen, doppelbrechenden Kristall (4) - einen Abstimmspiegel (7) und - einen Endspiegel (5).The present invention relates to a pulsed parametric oscillator comprising at least - a pump laser (1) - devices (8, 9) by means of which the pump beam (2) of the pump laser (1) is elliptically deformed and vertically compressed - a reflection grating (3) - a non-linear, birefringent crystal (4) - a tuning mirror (7) and - an end mirror (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen weit abstimmbaren optisch-parametrischen Oszillator (OPO), der in seiner Bandbreite nur durch das Fourier-Transform-Limit definiert ist.The The present invention relates to a widely tunable optical parametric Oscillator (OPO), which in its bandwidth only by the Fourier transform limit is defined.

Das Funktionsprinzip der weit abstimmbaren Erzeugung von Laserstrahlung mit einem optisch-parametrischen Oszillatoren beruht auf dem besonderen optischen Eigenschaften nicht linearer und doppelbrechender Kristalle. Der optisch-parametrische Prozess beruht auf dem Zusammenspiel zweier Effekte, der Nichtlinearität der elektrischen Polarisation des Kristalls und der Phasenanpassung durch Ausnutzung der Doppelbrechung. Die elektrische Feldkomponente des durch einen transparenten Festkörper geleiteten Lichts führt zu einer lokalen elektrischen Polarisation des Festkörpers. Durch wellenförmige Ausbreitung erzeugt das Licht im Dielektrikum eine Polarisationswelle.The Working principle of the widely tunable generation of laser radiation with an optical parametric oscillators based on the particular optical properties of nonlinear and birefringent crystals. The optical-parametric process is based on the interaction of two Effects, nonlinearity the electrical polarization of the crystal and the phase matching by exploiting the birefringence. The electric field component the guided through a transparent solid light leads to a local electric polarization of the solid. By wave-shaped spreading the light in the dielectric generates a polarization wave.

Die Polarisation stellt eine Deformation des elektrischen Systems des Mediums dar und kann daher der elektrischen Feldstärke nur begrenzt linear folgen. Bei den natürlichen Lichtintensitäten unserer Umgebung treten diese Nichtlinearitäten kaum in Erscheinung. Erst durch die extrem hohen Lichtintensitäten, wie sie durch, die Entwicklung des Lasers möglich geworden sind, gewinnen die Terme höherer Ordnung entscheidende Bedeutung und sind technisch nutzbar geworden. Die nichtlinearen Anteile bedeuten, dass die Polarisationswelle, anders als eine erregende harmonische Lichtquelle zusätzliche Frequenzanteile bekommen. Da die Polarisationswelle ihrerseits wieder eine elektromagnetische Welle erzeugt, kann auf diese Weise Licht einer anderen Wellenlänge entstehen.The Polarization represents a deformation of the electrical system of the Medium and therefore the electric field strength only limited linear follow. In the natural light intensities of our environment These nonlinearities occur hardly in appearance. Only through the extremely high light intensities, such as they have been made possible by the development of the laser win the terms of higher order crucial importance and have become technically usable. The Nonlinear proportions mean that the polarization wave is different as an exciting harmonic light source get additional frequency components. Since the polarization wave in turn an electromagnetic Generated wave, this way, light of a different wavelength can arise.

Der optisch-parametrische Prozess kann als Frequenzteilung beschrieben werden. Dabei wird die kurzwelligere Ausgangsstrahlung als Pumplicht benutzt. Die verstärkte langwelligere Strahlung nennt man „Signal" und die zusätzlich aus Differenzphotonen erzeugte Strahlung „Idler".Of the optical parametric process can be described as frequency division become. The short-wave output radiation is called pump light used. The amplified Long-wave radiation is called "signal" and the additional difference photons generated radiation "idler".

Der für den optisch-parametrischen Oszillator bedeutsame optisch-parametrische Prozess nutzt diese Vorgänge. Es wird starkes Pumplicht eingestrahlt und es entstehen durch die Nichtlinearität Photonen, die in ihrer Energie- und Impulssumme den Photonen des Pumplichts entspricht. Eine signifikante optisch-parametrische Verstärkung der erzeugten Photonen ist jedoch nur möglich, wenn sich alle drei beteiligten Photonen mit der gleichen Geschwindigkeit entlang der Ausbreitungsrichtung durch das Medium bewegen, weil nur so die vom Pumplicht stets neugenerierten Photonen konstruktiv mit den schon vorhandenen Idler- bzw. Signalphotonen interferieren können. Wenn die Anisotropie des Mediums dazu führt, dass die Polarisation des optisch-parametrisch erzeugten Lichts und des primären Pumplichts senkrecht zueinander stehen, kann dies in einem doppelbrechenden Kristall dazu benutzt werden, die Phasen von Pumplicht und Signal bzw. Idler anzupassen. Dazu muss der Kristall in einem bestimmten Winkel zur Strahlrichtung so positioniert werden, dass sich orthogonal polarisierte Lichtwellen gleich schnell und in Phase durch den Kristall ausbreiten. Um die Verstärkung und Selektion von Signal oder Idler zu verbessern, wird der optisch parametrische Prozess üblicherweise in einen Resonator eingebunden, der die zu imitierende Wellenlänge auf seinen Endflächen (teilweise) reflektiert.Of the for the optical parametric oscillator meaningful optical parametric Process uses these processes. It is irradiated strong pump light and it is caused by the Non-linearity photons, in their energy and momentum sum the photons of the pump light equivalent. A significant optical parametric gain of photons generated, however, is only possible if all three involved photons at the same speed along the Move the direction of propagation through the medium, because only so from the pump light always generated photons constructively with the already existing idler or signal photons can interfere. If the anisotropy of the medium, that the polarization of the optically parametrically generated light and the primary Pumplichts are perpendicular to each other, this can be in a birefringent Crystal can be used, the phases of pump light and signal or Idler adapt. This requires the crystal at a certain angle be positioned to the beam direction so that orthogonal polarized light waves are equally fast and in phase through the crystal spread. To the reinforcement and to improve selection of signal or idler, the optically parametric Process usually integrated into a resonator, the wavelength to be imitated on its end surfaces (partially) reflected.

Der erste optisch-parametrische Oszillator wurde bereits 1965 realisiert. Seit Mitte der Achzigerjahre des 20. Jahrhunderts erlebten die optisch-parametrischen Oszillatoren durch die Entwicklung moderner leistungsstarker Pumplaser einen erheblichen Aufschwung.Of the first optical parametric oscillator was already realized in 1965. Since the mid-eighties of the twentieth century, the optical-parametric Oscillators through the development of modern high-performance pump lasers a significant boost.

Aus W. R. Bosenberg, D. R. Guyer in J. Opt. Soc. Am. B 10 (1993), 1716–1722 und der US 5235456 sind optisch-parametrische Oszillatoren mit dem sogenannten Littmann-Resonator bekannt. Derartige Geräte wurden von dem Hersteller STI Optronic auf den Markt gebracht und von der Firma Continuum übernommen und weiterentwickelt (Modell MIRAGE 500).From WR Bosenberg, DR Guyer in J. Opt. Soc. At the. B 10 (1993), 1716-1722 and the US 5235456 are known optical parametric oscillators with the so-called Littmann resonator. Such devices were brought to market by the manufacturer STI Optronic and taken over and further developed by the company Continuum (model MIRAGE 500).

In diesen Geräten war neben dem doppelbrechenden Kristall zur Frequenzteilung auch ein Abstimmspiegel zur Einstellung der Wellenlänge vorgesehen. Die Drehung des Kristalls und Abstimmspiegels erfolgte jeweils durch einen Motor mit einer nachgeschalteten stark untersetzten Spindel- und Hebelmechanik, die sich jedoch in der Praxis als unzureichend erwiesen hat.In these devices was next to the birefringent crystal for frequency division as well a tuning mirror for adjusting the wavelength provided. The rotation The crystal and the tuning mirror were each made by an engine with a downstream heavily stocked spindle and lever mechanism, which, however, has proven to be inadequate in practice.

Die für den Einmodenbetrieb konzipierten optisch-parametrischen Oszillatoren waren darüber hinaus mit einem über eine Glasfaser angekoppelten Interferometer ausgestattet, dessen Interferenzringe jeweils mit einer CCD-Kamera auf einem kleinen Monitor zwecks Überwachung des Einmodenbetriebs dargestellt worden.The for the Single-mode operation designed optical parametric oscillators were beyond with one over equipped with a fiber-optic coupled interferometer whose Interference rings each with a CCD camera on a small Monitor for monitoring of the single mode operation.

Eine zusätzliche Zweitsegment-Fotodiode sollte gemäß einer Anordnung von T. D. Raymond, P. Esherick und A. V. Smith in Optics Letters 14 (1989), 1116–1118 den Einmodenbetrieb elektronisch überwachen und diesen aufrechterhalten, indem eine Anpassung des Endspiegels erfolgt. Veränderungen der Resonatorlänge (z.B. durch thermisches Driften oder mechanische Veränderungen) führen zu einer Änderung der Wellenlänge und in Folge über die Gitterbedingung zu einer gewissen Veränderung der horizontalen Strahlrichtung, welche von der Zweisegment-Fotodiode registriert wird. Eine daran angekoppelte aktive Feinkorrektur der Resonatorlänge mit Hilfe eines Piezokristalls am Endspiegel sollte den Resonator stabilisieren und zwar so, dass die Resonatorlänge stets die sogenannte Pivot-Bedingung erfüllt. Die von K. Liu und M. G. Littman in Optics Letters 6 (1981), 117–118 eingeführte Pivot-Bedingung besagt: Wenn sich die Ebenen von Gitter, Abstimmspiegel und Endspiegel eines Littmann-Resonators in einer gemeinsamen Geraden schneiden, kann der Resonator über den Abstimmspiegel allein abgestimmt werden, ohne dass eine Anpassung der Resonatorlänge erforderlich ist.An additional two-segment photodiode should electronically monitor and maintain single-mode operation according to an arrangement of TD Raymond, P. Esherick and AV Smith in Optics Letters 14 (1989), 1116-1118, by adjusting the end mirror. Changes in the resonator length (eg, by thermal drift or mechanical changes) result in a change in wavelength and, in consequence, via the grating condition, to some change in the horizontal beam direction registered by the two-segment photodiode. One attached to it pelt active fine correction of the resonator length with the help of a piezocrystal at the end mirror should stabilize the resonator in such a way that the resonator length always meets the so-called pivot condition. The pivotal condition introduced by K. Liu and MG Littman in Optics Letters 6 (1981), 117-118 states: When the planes of the grating, tuning mirror, and end mirror of a Littmann resonator intersect in a common line, the resonator can pass through the Tuning mirror can be tuned alone, without an adjustment of the resonator length is required.

Voraussetzung für ein Funktionieren der Resonatorlängenstabilisierung ist jedoch, dass keine anderen Effekte zu horizontalen Richtungsabweichungen führen, da sonst die Regelung erfolglos versucht, die Resonatorlänge anzupassen, was sich zusätzlich destabilisierend auf den Einmodenbetrieb auswirkt.requirement for a Functioning of resonator length stabilization is, however, that no other effects to horizontal directional deviations to lead, otherwise the scheme will try unsuccessfully to adjust the resonator length, which is additional destabilizing the single mode operation.

Der Einmodenbetrieb der MIRAGE-Geräte erwies sich als viel zu instabil, um andere horizontale Abweichungen auszuschließen. Die Ursache dafür lag im Anschwingen transversaler Moden, ausgelöst durch unvermeidliche Fluktuationen des Pumpstrahls, z.B. seines Strahllprofils oder seiner Stahlrichtung.Of the Single-mode operation of the MIRAGE devices proved to be too unstable to rule out other horizontal deviations. The Cause lay in the oscillation of transverse modes, triggered by unavoidable fluctuations the pumping beam, e.g. its beam profile or its steel direction.

Praktisch konnten erst durch die dieser Patentanmeldung zugrundeliegenden Maßnahmen die erforderlichen Bedingungen für einen stabilen Einmodenbetrieb geschaffen werden, der letztlich den Einsatz der aktiven Resonatorlängenstabilisierung wieder sinnvoll macht.Practically could only by the underlying this patent application activities the required conditions for create a stable single mode operation, the ultimate the use of the active resonator length stabilization makes sense again power.

Aus der Arbeit von G. Ehret, A. Fix, V. Weiß, G. Poberaj und T. Baumert in Applied Physics B 67 (1998), S. 427–437 ist ein optisch-parametrischer Oszillator bekannt, welcher mit einem Diodenlaser-geseedeten OPO-System mit einem Ringresonator ausgestattet ist. Mit diesem System werden dem Modell MIRAGE 500 vergleichbare Bandbreiten (190 MHz) erzielt. Allerdings bietet das System nur einen vergleichsweise geringen Abstimmbereich zwischen 930 nm und 960 nm. Weiterentwicklungen der bekannten optisch-parametrischen Oszillatoren mit Littmann-Resonator wurden von J. Mes, M. Leblans, W. Hogervorst in Optics Letters 27 (2002), 1442–1444 vorgestellt. Hierbei wurden der Abstimmspiegel und der Endspiegel des Littmann-Resonators durch Prismen ersetzt. Hierdurch wurde erreicht, dass der Littmann-Resonator als Ringresonator arbeitet. Die mit diesem System erzielten Bandbreiten lagen jedoch nicht unter 500 MHz bei einer Pulslänge von 1,3 ns, d.h. immer noch entfernt vom Fourier-Transform-Limit.Out the work of G. Ehret, A. Fix, V. White, G. Poberaj and T. Baumert in Applied Physics B 67 (1998), p. 427-437 is an optical parametric oscillator known which with a diode laser-seeded OPO system with equipped with a ring resonator. With this system will be the model MIRAGE achieved 500 comparable bandwidths (190 MHz). Indeed the system offers only a comparatively small tuning range between 930 nm and 960 nm. Further developments of the known optical parametric Littmann resonator oscillators were manufactured by J. Mes, M. Leblans, W. Hogervorst in Optics Letters 27 (2002), 1442-1444. in this connection were the tuning mirror and the end mirror of the Littmann resonator replaced by prisms. This has been achieved that the Littmann resonator works as a ring resonator. The bandwidths achieved with this system however, were not below 500 MHz with a pulse length of 1.3 ns, i. always still removed from the Fourier transform limit.

Die bisher auf den Markt gebrachten abstimmbaren gepulsten optisch-parametrischen Oszillator-Systeme für den Einmodenbetrieb scheiterten bisher im wesentlichen an zwei Problemen. Zum einen wurden die Seitenmoden nicht ausreichend unterdrückt, die sich in inakzeptablen Puls-zu-Puls Fluktuationen der Wellenlänge und Intensität widerspiegelte. Zum anderen hatten sämtliche bereits auf dem Markt befindlichen Systeme größte Schwierigkeiten mit thermischen und mechanischen Driften. Wegen der fehlenden aktiven Echtzeitkontrolle der Wellenlänge und Regelung derselben konnten diese Probleme bisher nicht beseitigt werden. So konnte bei dem oben beschriebenen System von Continuum die Wellenlänge nur über vordefinierte Parameteri-Einstellungen der Resonatorgeometrie mit Hilfe von Spindelantrieben eingestellt werden. Jegliche mechanische Toleranzen und Hysteresen sowie thermische Driften blieben dabei völlig unberücksichtigt. Darüber hinaus sorgte der Kristall nach dem Einschalten durch sein Aufwärmverhalten für eine deutlich driftende Frequenzselektivität, die eine dauernde Nachjustierung des Kristalls erforderlich machte.The previously available tunable pulsed optical parametric Oscillator systems for the one-mode operation failed so far mainly to two problems. For one, the side modes were not sufficiently suppressed, the resulting in unacceptable pulse-to-pulse fluctuations of the wavelength and intensity reflected. On the other hand, everyone had already on the market systems are most difficult with thermal and mechanical drifts. Because of the lack of active Real-time control of the wavelength and regulation of these have not been able to solve these problems become. Thus, in the system of Continuum described above wavelength only over predefined parameteri settings of the resonator geometry with Help from spindle drives can be set. Any mechanical Tolerances and hystereses as well as thermal drift remained completely unconsidered. Furthermore after switching on, the crystal caused it to warm up for one clearly drifting frequency selectivity, a permanent readjustment required of the crystal.

Insgesamt ist festzustellen, dass der stabile Einmodenbetrieb der weit abstimmbaren optisch-parametrischen Oszillatoren, der in seiner Bandbreite nur durch das Fourier-Transform-Limit definiert ist, im Pulsbetrieb ein bisher nicht ausreichend gelöstes technisches Problem darstellt. Der einzige bekannte kommerzielle Einmoden-Littman-OPO (Firma Continuum) konnte die versprochenen Spezifikationen nicht einhalten und wurden daher wieder vom Markt genommen. Weitere bekannte Geräte (wie das angekündigte aber nie im Markt eingeführte Modell MOPO-750 der Herstellerfirma Spectra-Physics) konnten nicht einmal einen Einmodenbetrieb erreichen.All in all It should be noted that the stable single-mode operation of the highly tunable optical parametric oscillators, which in its bandwidth only through the Fourier transform limit is defined, in the pulsed a hitherto insufficiently solved technical Problem presents. The only known commercial single-mode Littman OPO (Company Continuum) could not meet the promised specifications and were therefore withdrawn from the market. Other well-known equipment (like the advertised but never introduced to the market Model MOPO-750 of the manufacturer Spectra-Physics) could not once a single mode operation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, einen weit abstimmbaren gepulsten parametrischen Oszillator im Einmodenbetrieb am Fourier-Transform-Limit zur Verfügung zu stellen, welcher einen ausreichend stabilen Einmodenbetrieb ermöglicht. Insbesondere sollte das Gerät sich durch einen geringeren Justieraufwand, stabiles Langzeitverhalten, geringe thermische und mechanische Empfindlichkeit sowie eine aktive Frequenzstabilisierung auszeichnen. Außerdem sollen Instabilitäten, welche beim Einschalten auf Betriebstemperatur infolge der thermischen Ausdehnung des Kristalls entstehen, vermieden werden. Schließlich soll der Alterungsprozess der Kristalle deutlich verlangsamt werden.task Accordingly, the present invention is a highly tunable one pulsed parametric oscillator in single-mode operation at the Fourier transform limit to disposal to provide, which allows a sufficiently stable single-mode operation. In particular, the device should by a lower adjustment effort, stable long-term behavior, low thermal and mechanical sensitivity as well as an active Distinguish frequency stabilization. In addition, there should be instabilities, which when switched on operating temperature due to the thermal Expansion of the crystal arise, be avoided. Finally, should the aging process of the crystals are significantly slowed down.

Gelöst wird diese Aufgabenstellung durch einen gepulsten parametrischen Oszillator umfassend wenigstens

– einen Pumplaser,
– Vorrichtungen, mittels derer der Pumpstrahl des Pumplasers elliptisch verformt und vertikal gleichförmig komprimiert wird
– ein Reflektionsgitter,
– einen nichtlinearen doppelbrechenden Kristall,
– einen Abstimmungsspiegel und
– wenigstens einen Endspiegel.

This problem is solved by a pulsed parametric oscillator comprising at least

A pump laser,
- Devices by means of which the pump beam of the pump laser is deformed elliptical and vertically uniformly compressed
A reflection grid,
A nonlinear birefringent crystal,
- a voting table and
- at least one end mirror.

Die entscheidende Verbesserung des Einmodenbetrieb des optisch-parametrischen Oszillators durch eine elliptische Verformung des üblicherweise kreisförmigen Pumpstrahls wird durch eine optische Vorrichtung erzielt, die das Strahlprofil des Pumpstrahls vertikal komprimiert.The decisive improvement of the single-mode operation of the optical parametric Oscillator by an elliptical deformation of the usually circular Pump beam is achieved by an optical device, the Beam profile of the pump beam compressed vertically.

Hierfür kann vorzugsweise ein Teleskop (z.B. aus Zylinderlinsen) eingesetzt werden, so daß danach der Querschnitt des parallelen Lichtbündels eine Ellipse mit einem deutlich exzentrischen Achsenverhältnis (horizontal zu vertikal typisch 2:1) darstellt. Bei vertikaler Komprimierung bleibt die horizontale Ausdehnung des Pumpstrahlprofils groß, so dass durch eine optimale Ausleuchtung des Gitters eine ausreichend große longitudinale Modenselektivität gewährleistet ist.For this purpose may preferably a telescope (e.g., cylindrical lenses) may be used so that thereafter the cross section of the parallel light beam is an ellipse with a clearly eccentric axis ratio (horizontal to vertical typically 2: 1). With vertical compression, the horizontal expansion of the pump beam profile large, so that by an optimal Illumination of the grid ensures a sufficiently large longitudinal mode selectivity is.

Es hat sich herausgestellt, dass durch den elliptischen Pumpstrahl ein deutlich stabilerer Einmodenbetrieb des optisch-parametrischen Oszillators erreicht werden kann. Die Puls-zu-Puls-Fluktuationen der Frequenz haben sich in Versuchen fast auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes reduziert und lagen in einigen Versuchen nur noch bei etwa ±35 MHz. Gleichzeitig traten nach der Änderung praktisch keine Modensprünge mehr auf. Bei dem erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Oszillator reduzieren sich infolge der verbesserten Unterdrückung transversaler Moden auch die Amplitudenfluktuationen deutlich.It has been proven by the elliptical pump beam a much more stable single-mode operation of the optical parametric Oscillator can be achieved. The pulse-to-pulse fluctuations of the frequency have in tests, they were reduced to almost a quarter of the original value and were in some experiments only at about ± 35 MHz. At the same time occurred after the change practically no fashion jumps more on. In the optical parametric invention Oscillator reduce due to the improved suppression of transversal Modes also the amplitude fluctuations clearly.

Durch die vertikale Komprimierung des Pumpstrahls lässt sich der vertikale Bereich innerhalb des Kristalls, in dem eine optisch-parametrische Verstärkung von Photonen möglich ist, auf die Hälfte reduzieren. Infolgedessen erfahren in Kleinwinkelnäherung Photonen nur in einem auf die Hälfte reduzierten Winkelbereich eine Verstärkung durch das Pumplicht. Damit können die Photonen viel schmalbandiger selektiert werden. Hierdurch entsteht auch eine ausreichende vertikale Selektivität des Resonators.By the vertical compression of the pump beam can be the vertical range within the crystal, in which an optical parametric amplification of Photons possible is to cut in half. As a result, in small-angle approximation, photons experience only in one in half Reduced angular range gain by the pump light. With that you can the photons are selected much narrower. This results also a sufficient vertical selectivity of the resonator.

Theoretisch war zu erwarten, dass durch die elliptische Verzerrung im Achsenverhältnis 2:1 sich die Richtungsfluktuationen des Pumpstrahls in Richtung der kürzeren Achse verdoppeln. Überraschend hat es sich jedoch erfindungsgemäß beim Betrieb der optisch-parametrischen Oszillatoren mit elliptischen Pumpstrahl gezeigt, dass die Richtungsfluktuationen gegenüber dem Originalzustand deutlich reduziert sind und in etwa den Richtungsfluktuationen des Pumplasers entsprachen.Theoretically was to be expected that by the elliptic distortion in the axial ratio 2: 1 the directional fluctuations of the pumping beam in the direction of shorter Double the axis. Surprisingly However, it is according to the invention during operation the optical-parametric Oscillators with elliptical pumping beam showed that the directional fluctuations compared to the Original state are significantly reduced and approximately the directional fluctuations of the pump laser corresponded.

Der in der dieser Weise modifizierte Pumpstrahl fällt streifend auf ein Gitter, passiert den nichtlinearen, doppelbrechenden OPO-Kristall, trifft auf den Endspiegel, wird auf den Einfallsweg zurückreflektiert und verlässt den Resonator wieder. Die erzeugten Signal- bzw. Idlerphotonen laufen parallel zum Pumpstrahl ebenfalls auf den Endspiegel und werden zusammen mit dem Pumpstrahl zurück in den nichtlinearen, doppelbrechenden Kristall reflektiert, wo durch erneute optische-parametrische Teilprozesse eine weitere Verstärkung von Idler und Signal stattfindet. Beim streifenden Einfall auf das Gitter wird jetzt das Signal genauso gebeugt, dass es senkrecht auf den dem Gitter gegenüberstehenden Abstimmspiegel trifft. Von hier wird das Signal über das Gitter wieder genau in den Resonator zurück reflektiert. Dieser optische Weg ist nur dem Licht mit exakt einer Wellenlänge möglich. Diese Wellenlänge wird durch den Winkel des Abstimmspiegels gegenüber dem Gitter genau definiert. Als Materialien für die nicht linearen, doppelbrechenden Kristalle können verschiedene dem Fachmann bekannte Kristallvarianten in Betracht kommen. So wurde der erste optisch-parametrische Oszillator in einem LiNbO₃-Kristall realisiert. Neben Kaliumdihydrogenphosphat (KH₂PO₄, KDP) deuteriertem KDP, Litiumborat (LBO) und Betabariumborat (BBO) kann erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt Kaliumtitanylphosphat (KTiOPO₄, KTP) zum Einsatz kommen.The pump beam modified in this way grazes a grating, passes through the nonlinear birefringent OPO crystal, strikes the end mirror, is reflected back onto the incident path, and leaves the resonator again. The generated signal or idler photons also run parallel to the pump beam on the end mirror and are reflected together with the pump beam back into the non-linear, birefringent crystal, where by further optical parametric sub-processes further amplification of idler and signal takes place. When grazing incidence on the grid, the signal is now bent just so that it meets perpendicular to the tuning mirror opposite the grid. From here, the signal via the grating is reflected back exactly into the resonator. This optical path is only possible with the light of exactly one wavelength. This wavelength is precisely defined by the angle of the tuning mirror to the grating. As materials for the non-linear, birefringent crystals, various crystal variants known to those skilled in the art can be considered. Thus, the first optical parametric oscillator was realized in a LiNbO ₃ crystal. In addition to potassium dihydrogen phosphate (KH ₂ PO ₄ , KDP) deuterated KDP, lithium borate (LBO) and betabarium borate (BBO), potassium titanyl phosphate (KTiOPO ₄ , KTP) can very preferably be used according to the invention.

Die KTP-Kristalle bieten eine besonders günstige Kombination von Festigkeit gegenüber hohen Lichtintensitäten, Betriebstemperatur, Nichtlinearität und Doppelbrechung. Somit ermöglicht insbesondere der Einsatz von KTP-Kristallen weit (vom sichtbaren Licht bis ins mittlere Infrarot) abstimmbare optisch-parametrische Oszillatoren mit brauchbarer Energieausbeute.The KTP crystals offer a particularly favorable combination of strength across from high light intensities, Operating temperature, nonlinearity and birefringence. Consequently allows In particular, the use of KTP crystals far (from the visible Light to mid-infrared) tunable optical parametric Oscillators with usable energy yield.

Eine besonders stark ausgeprägte anisotrope Nichtlinearität von KTP-Kristallen zeigt sich in ihren vergleichsweise geringen Akzeptanzwinkeln für die optisch-parametrische Verstärkung und ist von großem Vorteil insbesondere im Zusammenhang mit einem stabilen Einmodenbetrieb.A particularly strong anisotropic nonlinearity of KTP crystals shows up in their comparatively small amount Acceptance angles for the optical parametric amplification and is great Advantage especially in connection with a stable single-mode operation.

Versuche im Rahmen der Erfindung haben gezeigt, dass im über mehrere Stunden andauernden Betrieb der optisch-parametrischen Oszillatoren die KTP-Kristalle gegenüber Temperaturschwankungen außerordentlich empfindlich sind.tries in the context of the invention have shown that lasting over several hours Operation of the optical parametric oscillators the KTP crystals across from Temperature fluctuations extraordinarily are sensitive.

Der Einfluss des Pumpstrahls auf den Kristall führt vor allem in der Aufwärmphase zu einer Drift der winkelabhängigen Phasenanpassung. Es ist daher sinnvoll und vorteilhaft, den lichtlinearen doppelbrechenden Kristall, insbesondere bei Einsatz von KTP-Kristallen mit einer Heizung zu versehen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass mittels dieser Heizung eine Temperatur eingestellt wird, die deutlich über Umgebungstemperatur liegt. Als vorteilhaft haben sich insbesondere Temperaturen zwischen 30 und 100°C erwiesen. Bei Einsatz von KTP-Kristallen wurde der Temperaturbereich von 70–100°C als besonders bevorzugt und vorteilhaft ermittelt.The influence of the pump beam on the crystal leads, especially in the warm-up phase, to a drift in the angle-dependent phase matching. It is therefore useful and advantageous to provide the light-linear birefringent crystal, in particular when using KTP crystals with a heater. It has proved to be advantageous that a temperature is set by means of this heating, which is well above ambient temperature. As advantageous ha In particular, temperatures between 30 and 100 ° C proven. When using KTP crystals, the temperature range of 70-100 ° C was found to be particularly preferred and advantageous.

Als Heizelemente können alle dem Fachmann bekannten und geeigneten Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß hat sich insbesondere der Einsatz eines Kleinleistungstransistors im direkten Kontakt mit einem Temperaturfühler und einer kleinen Regelelektronik als vorteilhaft erwiesen. Vorzugsweise sind Heizelement und Temperaturfühler direkt an der Kristallaufnahme, bevorzugt aus Aluminium, befestigt ist. Mit dieser Elektronik konnte der Kristall konstant auf Temperaturen zwischen 30 und 100°C geheizt werden. Es hat sich gezeigt, dass mit eingeschalteter Kristallheizung ein wesentlich stabilerer Betrieb des optisch-parametrischen Oszillators und eine deutlich verkürzte Aufwärmphase ermöglicht wird.When Heating elements can all known and suitable to those skilled devices suitable come. According to the invention has in particular the use of a small power transistor in the direct Contact with a temperature sensor and a small control electronics proved to be advantageous. Preferably are heating element and temperature sensor directly attached to the crystal receptacle, preferably made of aluminum is. With this electronics, the crystal could be kept constant at temperatures between 30 and 100 ° C be heated. It has been shown that with crystal heating turned on a much more stable operation of the optical parametric oscillator and a significantly shortened warming up allows becomes.

Als Vorteil der Kristallheizung hat sich ferner herausgestellt, dass die schleichende Zerstörung des Kristalls in Form von sogenannten „gray trackings" verringert wird. Dieser Effekt führt nämlich zu einer mit der Betriebsdauer zunehmenden Eintrübung des KTP-Kristalls und somit zu einer Verminderung des Wirkungsgrads. Es hat sich gezeigt, dass bei Betriebstemperaturen von über 70°C diese Trübung teilweise reversibel ist. So wurde festgestellt, dass ein alter und deutlich getrübter KTP-Kristall nach einer Erhitzung von über drei Stunden auf 100°C einen deutlichen Rückgang der Trübung zeigt. Erfindungsgemäß ist daher insbesondere bei Einsatz von KTP-Kristallen eine Regelung auf eine Temperatur von zwischen 70 und 100°C von Vorteil.When Advantage of crystal heating has also been found that the creeping destruction of the Crystal is reduced in the form of so-called "gray trackings". This effect leads namely to a with the operating time increasing clouding of the KTP crystal and thus to a reduction of the efficiency. It has been shown that at Operating temperatures above 70 ° C this cloudiness is partially reversible. So it was found that an age and significantly clouded KTP crystal after heating for three hours at 100 ° C a clear decline the cloudiness shows. Therefore, according to the invention in particular with the use of KTP crystals a regulation on one Temperature of between 70 and 100 ° C of advantage.

Um einen Laser driftfrei auf ±50 MHz und weniger zu stabilisieren, ist außerdem eine aktive Frequenzstabilisierung unerlässlich. Bei denen aus dem Stand der Technik bekannten Geräten bestand eine derartige Möglichkeit nicht. Erfindungsgemäß wurde die geforderte aktive Stabilisierung durch eine Feinregelegung der mechanischen Aufhängung des Abstimmspiegels erreicht. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Piezokristall mit elektrischen Anschlüssen in die Justiermechanik des Abstimmspiegels einzusetzen. Besonders vorteilhaft war der Einsatz dort, wo der Spindelantrieb an den Rotator der Mechanik angreift. Der erfindungsgemäß zusätzlich angebrachte Piezokristall erlaubt eine sehr feine Einstellung des Abstimmspiegels und somit eine sehr feine Abstimmung der Wellenlänge des optisch-parametrischen Oszillators. Es wird eine präzise, nahezu hysteresefreie Steuerung und Stabilisierung der Wellenlänge ermöglicht. Die Frequenzstabilisierung erfolgt vorzugsweise durch Anpassung der an dem Piezokristall angelegten Spannung an die aus einem Wellenlängen-Meßgerät ausgelesene präzise Wellenlängeninformation mit Hilfe eines Computerprogramms.Around a laser drift-free to ± 50 MHz and less is also active frequency stabilization essential. In those known from the prior art devices such a possibility Not. According to the invention was required active stabilization by a fine adjustment of the mechanical suspension reached the tuning mirror. Here it has to be advantageous proved a piezocrystal with electrical connections in to use the adjustment mechanism of the tuning mirror. Especially advantageous the use was where the spindle drive to the rotator of the mechanics attacks. The invention additionally attached Piezocrystal allows a very fine adjustment of the tuning mirror and thus a very fine tuning of the wavelength of the optical parametric Oscillator. It becomes a precise, Allows almost hysteresis-free control and stabilization of the wavelength. The frequency stabilization is preferably carried out by adaptation the voltage applied to the piezocrystal voltage to that read from a wavelength meter precise Wavelength information with the help of a computer program.

Die Wellenlänge wird über eine einstellbare Anzahl von Schüssen gemittelt. Die Schrittweite der Steuerung beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform kleinstenfalls 1/16V und wirkt sich unterhalb der Nachweisgrenze auf die vom Meßgerät ermittelte Wellenlänge aus, so dass eine stufenlose Abstimmung ermöglicht wird. Infolgedessen hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass das sichtbare Driftverhalten vollkommen unterdrückbar ist. Im Rahmen der Unsicherheiten von ca. ±5 MHz waren keine Frequenzdriften erkennbar.The wavelength will over an adjustable number of shots averaged. The step size of the control is in a preferred embodiment smallest case 1 / 16V and affects below the detection limit to the wavelength determined by the meter, so that a continuous tuning is possible. Consequently has been shown according to the invention that the visible drift behavior is completely suppressible. Within the uncertainties of about ± 5 MHz there were no frequency drifts recognizable.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben:in the The invention is described in more detail below with reference to the figures:

1 zeigt einen Littmann-Resonator, wie er aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist. 1 shows a Littmann resonator, as it is already known from the prior art.

2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau des erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Oszillators. 2 shows an example of the structure of the optical parametric oscillator according to the invention.

Das aus dem Pumplaser 1 austretende Pumplicht 2 wird zu dem Gitter 3 umgelenkt. Der Pumpstrahl fällt streifend auf das Gitter 3 und passiert den KTP-Kristall 4. Sodann trifft der Pumpstrahl auf den Endspiegel 5, von wo er auf den Einfallsweg 6 zurückreflektiert wird. Die erzeugten Signal- bzw. Idlerphotonen laufen parallel zum Pumpstrahl 2. Sie treffen ebenfalls auf den Endspiegel 5 und werden zusammen mit dem Pumpstrahl 2 zurück in den KTP-Kristall 4 reflektiert, wo durch erneute optisch-parametrische Teilprozesse eine weitere Verstärkung von Idler und Signal stattfindet. Beim streifenden Einfall auf das Gitter 3 wird jetzt das Signal so genau gebeugt, dass es senkrecht auf den dem Gitter gegenüberstehenden Abstimmspiegel 7 trifft. Von hier wird das Signal über das Gitter wieder genau in den Resonator zurückreflektiert. Dieser optische Weg ist jedoch nur dem Licht mit exakt einer Wellenlänge möglich. Diese Wellenlänge wird durch den Winkel des Abstimmspiegels 7 gegenüber dem Gitter 3 genau definiert.This from the pump laser 1 exiting pump light 2 becomes the grid 3 diverted. The pump beam grazes the grid 3 and passes the KTP crystal 4 , Then the pump jet hits the end mirror 5 from where he is on the way 6 is reflected back. The generated signal or idler photons run parallel to the pump beam 2 , They also hit the end mirror 5 and become together with the pump beam 2 back to the KTP crystal 4 reflected, where by further optical-parametric sub-processes a further amplification of idler and signal takes place. When grazing incidence on the grid 3 now the signal is bent so precisely that it is perpendicular to the grating mirror facing the grating 7 meets. From here, the signal is reflected back into the resonator exactly via the grating. However, this optical path is only possible with the light of exactly one wavelength. This wavelength is determined by the angle of the tuning mirror 7 opposite the grid 3 exactly defined.

Die hohe Frequenzselektivität des dargestellten Littmann-Resonators bezieht sich nur auf horizontale Moden. Abgesehen davon kann eine zusätzliche vertikale Komponente des Photonenimpulses dazu führen, dass die Photonen im Sinne der Rückreflektion zum Gitter rechtwinklig auf den Abstimmspiegel treffen. Die Photonen werden bei jedem Resonatordurchlauf leicht vertikal versetzt, was bei mehreren Durchläufen dazu führen kann, dass diese Photonen den KTP-Kristall außerhalb des durch den Pumpstrahl beleuchteten Bereichs treffen und nicht weiter verstärkt werden. Insgesamt bleibt bei diesen Konstruktionsmerkmalen der Aufbau extrem justagekritisch, insbesondere der Abstimmspiegel, wie sich in der Praxis herausgestellt hat.The high frequency selectivity of the illustrated Littmann resonator relates only to horizontal modes. Apart from that, an additional vertical component of the photon pulse may cause the photons to strike the tuning mirror at right angles to the grating in the direction of the back reflection. The photons are slightly displaced vertically each pass of the resonator, which in several passes may cause these photons to strike the KTP crystal outside the area illuminated by the pump beam and not amplified further. Overall, with these design features, the structure remains extremely critically critical to adjustment, in particular the tuning track gel, as it turned out in practice.

In 2, welche den erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Oszillator darstellt, wird eine Verbesserung des Einmodenbetriebs durch eine elliptische Verformung des üblicherweise kreisförmigen Pumpstrahls durch eine optische Vorrichtung erzielt, die das Strahlprofil des Pumpstrahls vertikal komprimiert. Diese Komprimierung wird in dem Beispiel gemäß 2 mit Hilfe eines Teleskops aus zwei Zylinderlinsen 8 und 9 erzielt. Die Linsen wurden in dem Beispiel so ausgewählt, dass das Pumpstrahlprofil eine Ellipse mit einem Achsenverhältnis horizontal zu vertikal von 2:1 darstellt. Versuche haben gezeigt, dass durch den elliptischen Pumpstrahl ein deutlich stabilerer Einmodenbetrieb erreicht wird. Die Puls-zu-Puls-Fluktuation in der Frequenz reduzierten sich in dem erfindungsgemäßen Beispiel fast auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes und lagen nur noch bei ca. ±35 MHz. Durch die vertikale Komprimierung des Pumpstrahls wird der vertikale Bereich innerhalb des KTP-Kristalls 4, in dem eine optisch-parametrische Verstärkung der Photonen möglich ist, auf die Hälfte reduziert. Das hat zur Folge, dass in Kleinwinkelnäherung Photonen nur in einem auf die Hälfte reduzierten Winkelbereich Verstärkung durch das Pumplicht erfahren und somit viel schmalbandiger selektiert werden. In dem erfindungsgemäßen Beispiel sind für die maximale Verstärkung bei einer Pulslänge von 4 ns volle zehn Umläufe der optisch-parametrisch erzeugten Photonen durch den Resonator nötig. Hierdurch entsteht eine ausreichende Selektivität. Ebenso deutlich reduzieren sich in dem erfindungsgemäßen Beispiel die Amplitudenfluktuationen. Die ebenfalls erheblich reduzierte Einzelspuls-Bandbreite wurde mit einem konfokalen Etalon (freier Spektralbereich 1.5 GHz, Auflösung ca. 7.5 MHz) abgeschätzt und liegt bei Pulslängen von 2 ns bzw. 4 ns in der Nähe der theoretisch möglichen 220 MHz bzw. 110 MHz. Dieses außerordentliche Resultat kann vor allem der verbesserten vertikalen Selektivität zugeschrieben werden, die durch die Reduktion des Verstärkungsbereichs im KTP-Kristall und der damit stärkeren Unterdrückung anderer Moden erreicht worden. Schließlich ist noch anzumerken, daß sich infolge des kleineren Pumpstrahl-Querschnitts die Schwelle für den Laserbetrieb halbiert hat.In 2 , which represents the optical parametric oscillator according to the invention, an improvement of the single-mode operation by an elliptical deformation of the usually circular pumping beam is achieved by an optical device which compresses the beam profile of the pumping beam vertically. This compression is used in the example according to 2 with the help of a telescope made of two cylindrical lenses 8th and 9 achieved. The lenses were selected in the example so that the pump beam profile represents an ellipse with a 2: 1 horizontal to vertical axis ratio. Experiments have shown that a significantly more stable single-mode operation is achieved by the elliptical pump beam. The pulse-to-pulse fluctuation in frequency in the example according to the invention reduced almost to a quarter of the original value and was only about ± 35 MHz. The vertical compression of the pump beam makes the vertical area within the KTP crystal 4 , in which an optical-parametric amplification of the photons is possible, reduced to half. As a result, in small-angle approximation, photons experience amplification through the pump light only in an angular range reduced to half and thus are selected with much narrower bandwidth. In the example according to the invention, for the maximum amplification with a pulse length of 4 ns, a full 10 cycles of the optically parametrically generated photons through the resonator are necessary. This creates a sufficient selectivity. Just as clearly reduce in the example of the invention, the amplitude fluctuations. The considerably reduced single-pulse bandwidth was estimated with a confocal etalon (free spectral range 1.5 GHz, resolution approx. 7.5 MHz) and is at pulse lengths of 2 ns or 4 ns in the vicinity of the theoretically possible 220 MHz or 110 MHz. This extraordinary result can be attributed above all to the improved vertical selectivity achieved by the reduction of the gain range in the KTP crystal and thus the stronger suppression of other modes. Finally, it should be noted that due to the smaller pump beam cross-section, the threshold for laser operation has been halved.

Ebenso wie bei dem in 1 dargestellten nach dem Stand der Technik bekannten Resonator wird der Pumpstrahl des Pumplasers umgelenkt, so dass er streifend auf das Gitter 3 fällt. Anschließend passiert er den KTP-Kristall 4, trifft auf den Endspiegel 5, wird auf den Einfallsweg 6 zurückreflektiert und verlässt den Resonator wieder.As with the in 1 As shown in the prior art known resonator of the pump beam of the pump laser is deflected so that it grazing on the grid 3 falls. Then he passes the KTP crystal 4 , meets the end mirror 5 , gets on the way in 6 reflected back and leaves the resonator again.

Der KTP-Kristall ist auf einem Halter drehbar montiert und wird über einen Spindelantrieb 11 justiert.The KTP crystal is rotatably mounted on a holder and is powered by a spindle drive 11 adjusted.

Der KTP-Kristall ist mit einer Heizung versehen (nicht dargestellt), welche dazu dient, den Kristall auf einer Temperatur zu halten, welche deutlich über der Umgebungstemperatur liegt. In dem Beispiel wurde ein Kleinleistungstransistor als Heizelement verwendet. Dieser wurde samt einer kleinen Regelelektronik einschließlich Temperaturfühler direkt an der Kristallaufnahme aus Aluminium (nicht dargestellt) befestigt. Auf diese Weise konnte erreicht werden, dass Temperaturen zwischen 30 und 100°C je nach Bedarf konstant gehalten werden. Tatsächlich zeigte sich, dass mit eingeschalteter Kristallheizung ein wesentlich stabilerer Betrieb des optisch-parametrischen Oszillators mit deutlich verkürzter Aufwärmphase möglich ist.Of the KTP crystal is provided with a heater (not shown), which serves to keep the crystal at a temperature which clearly above the Ambient temperature is. In the example became a small power transistor used as a heating element. This was including a small control electronics including temperature sensor directly on the aluminum crystal (not shown) attached. In this way it could be achieved that temperatures between 30 and 100 ° C be kept constant as needed. In fact, that showed up with turned crystal heating a much more stable operation the optical parametric oscillator with a significantly shorter warm-up phase possible is.

Der Abstimmspiegel 7 ist beweglich angeordnet und über einen Spindelantrieb 14 einstellbar. In diese Justiermechanik wurde ein Piezo-Kristall 13 mit elektrischen Anschlüssen eingesetzt und zwar dort, wo der Spindelantrieb 14 an den Rotator der Mechanik angreift. Der zusätzlich angebrachte Piezo-Feinantrieb 13 erlaubt eine feinere Einstellung des Abstimmungsspiegels 7, wobei der Spindelantrieb 14 weiterhin der groben Wellenlängeneinstellung von der Größenordnung bis zu 0,05 nm dient. Durch den Einsatz des Piezo-Feinantriebs ist eine präzise hysteresefreie Steuerung und Stabilisierung der Wellenlänge möglich geworden. Durch kleine Veränderungen der an den Piezo-Kristall angelegten Spannung kann eine sehr feine Abstimmung des optisch-parametrischen Oszillators vorgenommen werden. Die Frequenzstabilisierung erfolgt durch Anpassen der Spannung an die aus einem Wellenlängenmeßgerät 10 ausgelesene sehr präzise Wellenlängeninformation mit Hilfe eines Computerprogramms. Mittels der Steuerung ist es möglich, dass bei Einsatz eines langhubigen Piezo-Translators ein sehr großer, modensprungfreier Abstimmbereich bis 300 GHz erreichbar ist. Abstimmbereiche von Einmodenlasern liegen sonst typischerweise bei maximal 30 GHz.The voting mirror 7 is movably arranged and via a spindle drive 14 adjustable. In this adjustment mechanism was a piezo-crystal 13 used with electrical connections and where the spindle drive 14 to the rotator of the mechanics attacks. The additionally attached piezo fine drive 13 allows a finer adjustment of the tuning mirror 7 , where the spindle drive 14 continues to serve the coarse wavelength adjustment of the order of up to 0.05 nm. Through the use of the piezo fine drive a precise hysteresis-free control and stabilization of the wavelength has become possible. By small changes in the applied voltage to the piezoelectric crystal, a very fine tuning of the optical parametric oscillator can be made. The frequency stabilization is done by adjusting the voltage to that from a wavelength meter 10 read very precise wavelength information with the help of a computer program. By means of the controller, it is possible that when using a long-stroke piezo translator, a very large, mode jump-free tuning range up to 300 GHz can be achieved. Tuning ranges of single-mode lasers are typically at a maximum of 30 GHz.

Die Wellenlänge wird über eine einstellbare Anzahl von Schüssen gemittelt. Die kleinste Schrittweite der Steuerung beträgt in dem erfindungsgemäßen Beispiel 1/16V und wirkt sich unterhalb der Nachweisgrenze auf die von Interferometer ermittelte Wellenlänge aus, so dass eine stufenlose Abstimmung möglich ist. Versuche haben ergeben, dass sich dadurch das sichtbare Driftverhalten vollkommen unterdrücken ließ. Mit dieser aktiven Regelung wurde außerdem ein langzeitstabilerer Einmodenbetrieb des optisch-parametrischen Oszillators erzielt.The wavelength will over an adjustable number of shots averaged. The smallest increment of the control is in the Example according to the invention 1 / 16V and affects below the detection limit on that of interferometer determined wavelength out, so that a continuous tuning is possible. Experiments have shown that could completely suppress the visible drift behavior. With this active regulation was also a long-term stable single-mode operation of the optical parametric Oscillator achieved.

Der Endspiegel 5 ist ebenfalls mit einem Piezo-Feinantrieb 12 versehen, welcher in Verbindung mit einer Zweitsegment-Fotodiode die Resonatorlänge elektronisch optimiert. Dabei wird mit der Zweisegment-Fotodiode die horizontale Richtung der optisch-parametrischen Oszillatoren-Moden überwacht. Langsame Veränderungen der Resonatorlänge (infolge eines Abweichens der Drehachse vom idealen Pivotpunkt oder durch thermisches Driften) führen zu einer geringen Änderung der Wellenlänge und in Folge über die Gitterbedingung zu einer geringen Veränderung der horizontalen Strahlrichtung, welche von der Zweisegment-Fotodiode registriert wird. Eine daran angekoppelte aktive Feinkorrektur der Resonatorlänge mit Hilfe des Piezokristalls am Endspiegel führt somit zu einer Anpassung der Resonatorlänge an die Wellenlänge. Bei einem idealen Einhalten der Pivot-Bedingung, d.h. wenn sich die Ebenen von Gitter, Abstimmspiegel und Endspiegel in einer gemeinsamen Geraden schneiden, kann der Resonator über den Abstimmspiegel allein abgestimmt werden, ohne daß eine Anpassung der Resonatorlänge erforderlich ist.The end mirror 5 is also equipped with a piezo fine drive 12 provided which electronically optimizes the Resonatorlänge in conjunction with a second-segment photodiode. In doing so, the two-segment photodiode transitions the horizontal direction of the optical parametric oscillator modes wakes. Slow changes in resonator length (due to deviation of the axis of rotation from the ideal pivot point or thermal drift) result in a small change in wavelength and consequent grating condition resulting in little change in the horizontal beam direction registered by the two-segment photodiode. An active fine correction of the resonator length coupled thereto with the aid of the piezocrystal at the end mirror thus leads to an adaptation of the resonator length to the wavelength. In an ideal observance of the pivot condition, that is, when the levels of grid, tuning mirror and end mirror intersect in a common line, the resonator can be tuned by the tuning mirror alone, without an adjustment of the resonator length is required.

Während der mit dem erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Oszillator durchgeführten Versuche wurden genauere Analysen mit dem Wellenlängenmeßgerät 10 durchgeführt. Dieses Gerät ist mit einer Computersteuerung 15 verbunden. An den Computer 15 ist auch die Spannungsversorgung 16 für den Piezoantrieb angeschlossen, so dass die Steuerung des Piezo-Feinantriebs 13 und damit eine Frequenzregelung des Oszillators mit der Computersteuerung erreicht werden kann.During the tests carried out with the optical-parametric oscillator according to the invention, more precise analyzes were carried out with the wavelength-measuring device 10 carried out. This device comes with a computer control 15 connected. To the computer 15 is also the power supply 16 connected to the piezo drive, allowing the control of the piezo fine drive 13 and thus a frequency control of the oscillator can be achieved with the computer control.

Versuche mit dem erfindungsgemäßen Oszillator haben gezeigt, dass es gelingt, ein zuverlässiges Lasersystem zur Verfügung zu stellen. Hierbei sind insbesondere folgende Vorteile hervorzuheben:

1. deutlich geringerer Justierungsaufwand
2. stabiles Langzeitverhalten; die thermische und mechanische Empfindlichkeit konnten deutlich herabgesetzt werden. Das Puls-zu-Puls-Frequenzrauschen (±35 MHz oder ca. 10^–7 der Laserfrequenz) beträgt nur mehr ein Viertel des ursprünglichen Wertes. Die Anfälligkeit für Modensprünge konnte um Größenordnungen reduziert werden. Willkürliche Modensprünge kommen im Gegensatz zu dem kommerziellen System praktisch überhaupt nicht mehr vor. Die spektrale Reinheit des OPO, bestimmt aus Absorptionsmessungen, beträgt über 99.9%.
3. Aktive Frequenzstabilisierung auf durchschnittlich unter ±5 MHz. Das sonst bei derartigen Systemen auftretende Driftverhalten konnte vollständig eliminiert werden.
4. Modensprungfreie Abstimmung in einem Frequenzbereich von über 30 GHz entsprechen den besten auf dem Markt verfügbaren kontinuierlichen Einmodenlasern. Eine Steigerung des modensprungfreien Abstimmbereichs auf 300 GHz ist mit dem erfindungsgemäßen System möglich.
5. Durch die vertikale Konzentration des Strahls im KTP-Kristall auf die Hälfte der Fläche kann die Energie der Pumplaserpulse auf die Hälfte (von ca. 20 mJ auf ca. 10 mJ) reduziert werden. Entsprechend halbiert sich auch die Schwelle für das Einsetzen des optisch-parametrischen Prozesses.
6. Durch die Kristallheizung befindet sich der KTP-Kristall schon beim Einschalten auf Betriebstemperatur und somit bleiben Instabilitäten aus, die sonst durch die thermische Ausdehnung des Kristalls entstanden wären. Darüber hinaus wird durch die Kristallheizung der Alterungsprozess der Kristalle deutlich verlangsamt.

Experiments with the oscillator according to the invention have shown that it is possible to provide a reliable laser system. Here are the following advantages in particular:

1. significantly lower adjustment effort
2. stable long-term behavior; the thermal and mechanical sensitivity could be significantly reduced. The pulse-to-pulse frequency noise (± 35 MHz or about 10 ^{-7 of} the laser frequency) is only one quarter of the original value. The susceptibility to fashion jumps could be reduced by orders of magnitude. Arbitrary fashion jumps practically do not occur in contrast to the commercial system. The spectral purity of the OPO, determined from absorption measurements, is over 99.9%.
3. Active frequency stabilization on average below ± 5 MHz. The otherwise occurring in such systems drift behavior could be completely eliminated.
4. Mode-hop-free tuning in a frequency range above 30 GHz corresponds to the best continuous single-mode lasers available on the market. An increase of the mode jump-free tuning range to 300 GHz is possible with the system according to the invention.
5. Due to the vertical concentration of the beam in the KTP crystal on half of the surface, the energy of the pump laser pulses can be reduced in half (from approx. 20 mJ to approx. 10 mJ). Accordingly, the threshold for the onset of the optical-parametric process is halved.
6. Due to the crystal heating, the KTP crystal is already at operating temperature when switched on and thus there are no instabilities that would otherwise have resulted from the thermal expansion of the crystal. In addition, the crystal heating significantly slows down the aging process of the crystals.

Claims

Pulsed parametric oscillator comprising at least - a pump laser ( 1 ), - devices ( 8th . 9 ), by means of which the pump beam ( 2 ) of the pump laser ( 1 ) is elliptically deformed and compressed vertically, - a reflection grating ( 3 ), - a non-linear, birefringent crystal ( 4 ), - a voting mirror ( 7 ) and - an end mirror ( 5 ).

Oscillator according to Claim 1, characterized that the beam profile of the pump laser is an ellipse with an axis ratio horizontal to vertical of typically 2: 1 represents.

Oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that the pumping beam by means of the pump laser downstream of the lenses ( 8th . 9 ) is deformed.

Oscillator according to claim 3, characterized in that the lenses ( 8th . 9 ) are cylindrical lenses.

Oscillator according to claims 3 or 4, characterized in that a telescope preferably consists of two cylindrical lenses ( 8th . 9 ) is used to generate an elliptical beam profile.

Oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that the crystal ( 3 ) LiNbO ₃ , KH ₂ PO ₄ , LBO, BBO or KTiOPO ₄ (KTP) contains or consists of.

Oscillator according to claim 6, characterized in that the crystal ( 3 ) Contains or consists of KTP.

Oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that the crystal ( 3 ) is provided with a heater.

Oscillator according to claim 8, characterized in that a small-power transistor is used as the heating element.

Oscillator according to claims 8 or 9, characterized that it contains a measuring and control electronics, by which constantly heats the crystal to temperatures between 30 ° C and 100 ° C can be.

Oscillator according to one of Claims 8 to 10, characterized in that it comprises a KTP crystal ( 3 ) with a measuring and control electronics for setting a temperature of 70 ° C to 100 ° C contains.

Oscillator according to one of the predetermined claims, characterized in that the tuning mirror by means of a spindle drive ( 14 ), which has a piezo fine drive ( 13 ) for active fine control, is movable.