DE102012209625B3 - Laser array for laser scanning microscope for treatment of maculate generation during photodynamic therapy of eye conditions, has mirror designed in reflective manner for wavelength range around fundamental wave length with high threshold - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung. Die Laseranordnung umfasst einen Laserresonator, in dem ein aktives Lasermedium zur Erzeugung von homogen verbreiteter Strahlung einer ersten Grundwellenlänge λ1 durch stimulierte Emission von einem oberen Laserniveau auf ein erstes Grundniveau sowie zur Erzeugung von homogen verbreiteter Strahlung einer zweiten Grundwellenlänge λ2 durch stimulierte Emission von dem oberen Laserniveau auf ein zweites Grundniveau angeordnet ist. Die Laserschwelle oder Pumpschwelle gibt die minimal notwendige Pumpleistung eines Lasers an, bei der sich der Gewinn durch Energiezufuhr auf der einen Seite und Auskopplung der erzeugten Emission sowie durch Absorption im Laser-Medium entstehende Verluste auf der anderen Seite die Waage halten. Bei höheren Pumpleistungen beginnt der Laser zu arbeiten.The invention relates to a laser arrangement. The laser arrangement comprises a laser resonator in which an active laser medium for generating homogeneously diffused radiation of a first fundamental wavelength λ 1 by stimulated emission from an upper laser level to a first base level and for generating homogeneously diffused radiation of a second fundamental wavelength λ 2 by stimulated emission of the upper laser level is arranged at a second base level. The laser threshold or pumping threshold indicates the minimum required pumping power of a laser, in which the gain is balanced by energy supply on the one hand and decoupling of the generated emission as well as losses due to absorption in the laser medium on the other. At higher pump powers the laser starts to work.
Die Laseranordnung umfasst außerdem einen Endspiegel und einen Auskoppelspiegel, die den Laserresonator begrenzen. Im Laserresonator ist schließlich ein nichtlinearer Kristall angeordnet, der dazu ausgelegt ist, Strahlung mit den Wellenlängen der beiden Grundwellenlängen λ1 und λ2 zur Strahlung einer Summenfrequenz vS zu mischen. Schließlich umfasst die Laseranordnung auch ein transmissives oder reflexives wellenlängenselektives Element.The laser assembly also includes an end mirror and an output mirror that confine the laser resonator. In the laser resonator, finally, a non-linear crystal is arranged, which is designed to mix radiation with the wavelengths of the two fundamental wavelengths λ 1 and λ 2 to the radiation of a sum frequency v S. Finally, the laser arrangement also includes a transmissive or reflective wavelength-selective element.
Im Stand der Technik sind eine Reihe von Anwendungen bekannt, welche kohärentes Licht im sichtbaren gelb-orangenen Spektralbereich von etwa 560 nm bis 630 nm benötigen. Dazu zählen beispielsweise fluoreszenzspektroskopische Verfahren, aber auch ophthalmologische Verfahren zur Behandlung der Makuladegeneration beispielsweise bei photodynamischer Therapie von durch Neovaskularisation gekennzeichneten Augenzuständen. Die Erzeugung von Wellenlängen in diesem Spektralbereich durch Frequenzverdopelung (SHG, „second harmonic genera- tion”) von Festkörperlasern ist nicht möglich, da es keine kommerziell verfügbaren Lasermedien gibt, die Licht im erforderlichen Spektralbereich um 1200 nm emittieren. Darüber hinaus gibt es bisher, im Gegensatz zum blauen, roten und grünen Spektralbereich keine direkt im gelben Spektralbereich emittierenden Laserdioden. Diese „Lücke” wird in der englischsprachigen Fachliteratur auch als „yellow-gap” bezeichnet.A number of applications are known in the art which require coherent light in the visible yellow-orange spectral range of about 560 nm to 630 nm. These include, for example, fluorescence spectroscopic methods, but also ophthalmological methods for the treatment of macular degeneration, for example in photodynamic therapy of eye conditions characterized by neovascularization. The generation of wavelengths in this spectral range by second harmonic generation (SHG) of solid-state lasers is not possible, since there are no commercially available laser media that emit light in the required spectral range around 1200 nm. Moreover, in contrast to the blue, red and green spectral range, there are no laser diodes emitting directly in the yellow spectral range. This "gap" is referred to in the English-language literature as "yellow-gap".
Daher wird kohärentes Licht in diesem Wellenlängenbereich üblicherweise durch die Verwendung spezieller Lasermedien erzeugt, die einen simultanen Betrieb bei zwei Wellenlängen erlauben und bei denen Licht der gewünschten Wellenlänge durch Summenfrequenzmischung (SFM) – auch als Summenfrequenzerzeugung (SFG) bezeichnet – der zu den entsprechenden Wellenlängen gehörenden Frequenzen erzeugt wird.Therefore, coherent light in this wavelength range is usually produced by the use of special laser media that allow simultaneous operation at two wavelengths and where light of the desired wavelength by sum frequency mixing (SFM) - also referred to as sum frequency generation (SFG) - belongs to the corresponding wavelengths Frequencies is generated.
Um beispielsweise Licht im Spektralbereich zwischen 589 nm und 594 nm zu generieren, wird üblicherweise als aktives Lasermedium Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG), Yttrium-Orthovanadat (Nd:YVO) oder Yttrium-Aluminium-Perowskit (Nd:YAP) in Kristallform verwendet. Bei Nd:YAG ist beispielsweise ein simultaner Zwei-Wellenlängenbetrieb bei der Wellenlänge 1064 nm und bei der Wellenlänge 1319 nm oder alternativ bei 1338 nm möglich. Die durch stimulierte Emission emittierte Strahlung ist bei diesem Kristall spektral homogen linienverbreitert, ohne zusätzliche Maßnahmen würde der stärkere Laserübergang – im Beispiel des Nd:YAG-Kristalls bei der Wellenlänge von 1064 nm – den oder die schwächeren Laserübergänge verdrängen. Um diese Verdrängung zu unterbinden, werden im Stand der Technik beispielsweise Resonatoren mit zwei voneinander unabhängigen aktiven Medien verwendet, wodurch eine Konkurrenz der beiden Wellenlängen um die gleiche Inversion vermieden werden kann. Eine solche Anordnung wird beispielsweise in der
Alternativ wird in der
Im Stand der Technik sind neben geteilten Resonatoren auch Resonatoren bekannt, welche zumindest nominal eine stimulierte Emission auf beiden interessierenden Wellenlängen ermöglichen. Dazu nutzt man aus, dass die Sättigung der Inversion nicht an allen Raumpunkten im aktiven Medium gleich groß ist, sondern dort am stärksten, wo die Feldstärke der stehenden Lichtwellen im Resonator Maxima aufweist. Schwingt der Laser nur auf einer Resonatormode, entsteht im aktiven Medium eine räumlich modulierte Inversion mit einer Modulationsperiode, die gleich der halben Wellenlänge der entsprechenden Mode ist, auch bezeichnet als spatial hole burning. An den Knoten der oszillierenden Mode liegt dann eine Inversion vor, die höher ist als die Schwellwertinversion und daher die Verstärkung einer anderen Mode zulässt, deren Wellenlänge gerade so versetzt ist, dass sie Maxima in der Feldstärke an den Stellen hat, wo die andere Mode Knoten aufweist. Selbst in einem spektral homogen linienverbreiterten aktiven Medium können auf diese Weise zwei Wellenlängen partiell koexistieren. Die Erfahrung zeigt, dass solche Laser im zeitlichen Mittel eine signifikante Ausgangsleistung bei der Wellenlänge der Summenfrequenz liefern. Infolge der nichtlinearen Kopplung beider beteiligten Wellenlängen durch den nichtlinearen Kristall kann es zu periodischen oder auch chaotischen Fluktuationen bzw. Schwingungen kommen, welche auch von konventionellen resonatorintern frequenzverdoppelten Lasern her bekannt ist, wie schon in einem Artikel von T. Baer, erschienen 1986 in J. Opt. Soc. Am. B., Vol. 3, No. 9, beschrieben wurde. Da diese starken Leistungsfluktuationen zuerst bei Lasern im grünen Spektralbereich beobachtet wurde, hat sich in der Literatur – unabhängig von der Wellenlänge – die Bezeichnung „green problem” zur phänomenologischen Beschreibung eingebürgert. Aus diesem Grund sind solche Systeme für Anwendungen, bei denen es auf eine hohe Konstanz der Ausgangsleistung ankommt, beispielsweise für die Laser-Scanningmikroskopie, eher weniger geeignet.In the prior art resonators are known in addition to split resonators, which allow at least nominal stimulated emission at both wavelengths of interest. It is used for this purpose that the saturation of the inversion is not the same at all spatial points in the active medium, but there at the strongest, where the field strength of the standing light waves in the resonator has maxima. If the laser oscillates only on one resonator mode, a spatially modulated inversion occurs in the active medium with a modulation period equal to half the wavelength of the corresponding mode, also referred to as spatial hole burning. At the nodes of the oscillating mode there is an inversion which is higher than that Threshold inversion and therefore allows the gain of another mode whose wavelength is just offset so that it has maxima in the field strength at the points where the other mode has nodes. Even in a spectrally homogeneous line-broadened active medium, two wavelengths can partially coexist in this way. Experience shows that such lasers provide significant output power at the wavelength of the sum frequency over time. As a result of the nonlinear coupling of the two wavelengths involved by the nonlinear crystal, periodic or even chaotic fluctuations or oscillations may occur, which are also known from conventional intracavity frequency-doubled lasers, as already described in an article by T. Baer, published in 1986 in J. Opt. Soc. At the. B., Vol. 3, no. 9, has been described. Since these strong power fluctuations were first observed in lasers in the green spectral range, the term "green problem" has been used in the literature - regardless of the wavelength - for natural phenomenological description. For this reason, such systems are rather less suitable for applications where high output power stability is required, for example for laser scanning microscopy.
In der
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Laseranordnung der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die beiden Grundwellenlängen starker entkoppelt werden, so dass diese nicht zum gegenseitigen Schwingen neigen und eine verbesserte Konstanz der jeweiligen Leistungen und damit auch der Leistung bei der Summenfrequenz erreicht wird.The object of the invention is to further develop a laser arrangement of the type described above in such a way that the two fundamental wavelengths are decoupled more strongly, so that they do not tend to reciprocally oscillate and an improved constancy of the respective powers and thus the power at the sum frequency is achieved.
Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass das wellenlängenselektive Element für die Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle eine solche spektrale Selektivität aufweist, die einen Einmodenbetrieb bei dieser Grundwellenlänge ermöglicht. Bei der Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle hingegen soll ein Mehrmodenbetrieb ermöglicht werden. Für den Fall, dass das wellenlängenselektive Element als transmissives Element ausgestaltet ist, weist dieses zu diesem Zweck daher für die Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle keine spektralselektive Wirkung auf. Alternativ ist das wellenlängenselektive Element als reflexives Element ausgestaltet, in diesem Fall ist es außerhalb des Laserresonators auf Seiten des Endspiegels angeordnet, wobei der Endspiegel für die Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle transmittierend ausgestaltet ist und für einen Wellenlängenbereich um die Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle vollständig reflektierend ausgestaltet ist, so dass einige der Moden aus dem homogen verbreiterten Anregungsspektrum dieser Grundwellenlänge ebenfalls reflektiert werden um einen Mehrmodenbetrieb zu ermöglichen.This object is achieved in an arrangement of the type described above in that the wavelength-selective element for the fundamental wavelength with the lower laser threshold has such a spectral selectivity that allows a single-mode operation at this fundamental wavelength. In the case of the fundamental wavelength with the higher laser threshold, on the other hand, multimode operation is to be enabled. In the event that the wavelength-selective element is designed as a transmissive element, this has for this purpose therefore for the fundamental wavelength with the higher laser threshold no spectrally selective effect. Alternatively, the wavelength-selective element is designed as a reflective element, in this case it is arranged outside the laser resonator on the side of the end mirror, wherein the end mirror for the fundamental wavelength with the lower laser threshold is designed to be transmissive and completely reflective for a wavelength range around the fundamental wavelength with the higher laser threshold is designed so that some of the modes from the homogeneously broadened excitation spectrum of this fundamental wavelength are also reflected to allow a multi-mode operation.
Das transmissive oder reflektive wellenlängenselektive Element hat also in bezug auf die Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle die Wirkung eines Filters, der im Bereich der homogen verbreiterten Grundwellenlänge nur eine einzige Mode hindurchlässt. Wird die Pumpleistung hochgefahren, so beginnt aufgrund der niedrigeren Laserschwelle zunächst die Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle, beispielsweise die Wellenlänge λ1 zu oszillieren. Aufgrund der spektralselektiven Filterwirkung des wellenlängenselektiven Elements für diese Grundwellenlänge oszilliert diese nur in einer longitudinalen Mode, so dass sich entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichtes im aktiven Medium eine räumlich modulierte Inversion bzw. Sättigung der Verstärkung durch die entstehende stehende Welle im Laserresonator ausbildet, das sogenannte spatial hole burning.The transmissive or reflective wavelength-selective element thus has with respect to Fundamental wavelength with the lower lasing threshold, the effect of a filter, which passes in the region of the homogeneously broadened fundamental wavelength only a single mode. If the pump power is ramped up, the fundamental wavelength starts to oscillate with the lower laser threshold, for example the wavelength λ 1 , due to the lower laser threshold. Due to the spectrally selective filtering effect of the wavelength-selective element for this fundamental wavelength, it oscillates only in a longitudinal mode, so that along the propagation direction of the light in the active medium, a spatially modulated inversion or saturation of the gain forms by the resulting standing wave in the laser resonator, the so-called spatial hole burning.
Bei einer weiteren Erhöhung der Pumpleistung über die höhere Laserschwelle hinaus kann der Laser auch bei Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle, hier also bei der Wellenlänge λ2, anfangen zu schwingen und stimuliert zu emittieren. Dies ist nur dadurch möglich, dass die Inversion räumlich moduliert unvollständig abgebaut wird. Anders als für die Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle weist das transmissive wellenlängenselektive Element für die Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle keine spektral selektierende Wirkung auf, bzw. reflektiert der Endspiegel einen ganzen Wellenlängenbereich im Falle eines reflexiven wellenlängenselektiven Elements, so dass sich bei dieser Wellenlänge aufgrund der homogenen Verbreiterung ein Mehrmodenbetrieb einstellen wird.With a further increase in the pump power beyond the higher laser threshold, the laser can also begin to oscillate and stimulate at fundamental wavelength with the higher laser threshold, in this case at the wavelength λ 2 . This is only possible because the inversion is degraded spatially modulated incomplete. Unlike the fundamental wavelength with the lower laser threshold, the transmissive wavelength-selective element for the fundamental wavelength with the higher laser threshold has no spectrally selecting effect, or the end mirror reflects a whole wavelength range in the case of a reflective wavelength-selective element, so that at this wavelength homogeneous broadening will set a multi-mode operation.
Aufgrund der räumlichen Modulation der Inversion und dem Einmodenbetrieb bei der Grundwellenlänge λ1 wird sich der Laser in seiner Wellenlänge und der Anzahl der longitudinalen Moden selbstständig so anpassen, dass im räumlichen und zeitlichen Mittel die Wellenbäuche bei der Wellenlänge λ2 in den Wellentälern bei der Wellenlänge λ1 liegen. Dadurch konkurriert die Strahlung bei den beiden Wellenlängen energetisch nicht mehr vollständig um die gleiche Inversion, was eine zumindest teilweise Entkopplung und somit eine reduzierte Neigung zu Schwingungen in der Intensität gegeneinander zur Folge hat.Due to the spatial modulation of the inversion and the monomode operation at the fundamental wavelength λ 1 , the laser will automatically adapt its wavelength and the number of longitudinal modes so that in spatial and temporal mean the antinodes at the wavelength λ 2 in the troughs at the wavelength λ 1 lie. As a result, the radiation at the two wavelengths no longer competes energetically for the same inversion, which results in an at least partial decoupling and thus a reduced tendency to oscillations in intensity relative to each other.
Die Filterfunktion des wellenlängenselektiven Elements kann auf verschiedene Weisen realisiert werden, entweder durch ein transmissives oder durch ein reflexives Element. Im Falle eines im Laserresonator angeordneten transmissiven Elements weist dieses bevorzugt im Bereich der Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle ein Transmissionsmaximum auf, fällt aber daneben sofort ab, so dass die nächsten Moden schon nicht mehr hindurchdringen können.The filtering function of the wavelength-selective element can be realized in various ways, either by a transmissive or by a reflective element. In the case of a transmissive element arranged in the laser resonator, this preferably has a transmission maximum in the region of the fundamental wavelength with the lower laser threshold, but otherwise drops off immediately, so that the next modes can no longer penetrate.
Als transmissives Element kann beispielsweise ein Etalon verwendet werden, dessen Transmissionsprofil dann so ausgelegt ist, dass eines der Transmissionsmaxima im Bereich der Wellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle liegt, die anderen Transmissionsmaxima jedoch außerhalb des homogen verbreiterten Verstärkungsprofils. Diese Anpassung kann über die Einstellung des Reflexionsgrades des Etalons und seiner Dicke bei der Fertigung sowie über die Anordnung mit einer entsprechenden Verkippung gegen die optische Achse im Laserresonator bei der Montage erreicht werden.As transmissive element, for example, an etalon can be used, the transmission profile is then designed so that one of the transmission maxima in the wavelength range with the lower laser threshold, the other transmission maxima outside the homogeneously widened gain profile. This adjustment can be achieved by adjusting the degree of reflection of the etalon and its thickness in the production as well as the arrangement with a corresponding tilting against the optical axis in the laser resonator during assembly.
Für die Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle weist das transmissive wellenlängenselektive Element keine spektralselektive Wirkung auf, was bedeutet, dass es Strahlung bei dieser Wellenlänge und in einem Bereich, der mindestens einen Teil der homogenen Verbreiterung umfasst, ungehindert oder zumindest nahezu ungehindert hindurchlässt. Dies kann in der Regel schon durch eine entsprechende Materialwahl gesteuert werden. Zweckmäßig kann das transmissive Elemente, insbesondere auch das Etalon, zusätzlich mit einer für die Wellenlänge mit der höheren Laserschwelle wirkenden antireflexiven Schicht überzogen werden.For the fundamental wavelength with the higher lasing threshold, the transmissive wavelength-selective element has no spectrally selective effect, meaning that it transmits radiation at this wavelength and in an area comprising at least part of the homogeneous broadening unhindered or at least almost unhindered. This can usually be controlled by an appropriate choice of material. Suitably, the transmissive elements, in particular also the etalon, can additionally be coated with an antireflective layer acting for the wavelength with the higher laser threshold.
Ist das wellenlängenselektive Element alternativ als reflexives Element ausgebildet, so weist es äquivalent zum transmissiven Element bevorzugt im Bereich der Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle ein Reflexionsmaximum auf. Der Endspiegel ist für die Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle durchlässig ausgestaltet, für die Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle bzw. einem einen Mehrmodenbetrieb erlaubenden Bereich um die Grundwellenlänge ist er entsprechend – bis auf die üblichen Verluste – bevorzugt möglichst vollständig reflektierend ausgestaltet, damit das Licht dieser Wellenlänge nicht aus dem Laserresonator ausgekoppelt wird, sondern zu Summenfrequenzerzeugung beiträgt.If the wavelength-selective element is alternatively designed as a reflective element, it has, equivalent to the transmissive element, preferably in the region of the fundamental wavelength with the lower laser threshold, a reflection maximum. The end mirror is designed to be transparent to the fundamental wavelength with the lower laser threshold, for the fundamental wavelength with the higher laser threshold or a multi-mode operation permitting range around the fundamental wavelength he is accordingly designed - except for the usual losses - as completely as possible reflective, so that the light of this Wavelength is not coupled out of the laser resonator, but contributes to sum frequency generation.
Das reflexive Element kann beispielsweise als optisches Gitter, insbesondere als Linien- oder Volumen-Bragg-Gitter ausgestaltet sein.The reflective element can be designed, for example, as an optical grating, in particular as a line or volume Bragg grating.
Analog zu der Verwendung eines transmissiven Elements kann auch das reflexive Element, im Falle eines Gitters durch Variation der Gitterkonstante und/oder seiner Ausrichtung bzw. Verkippung relativ zur optischen Achse, so eingestellt werden, dass der effektive, also der tatsächlich zu erzielende Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission bei der Wellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle im Bereich des Maximums des wellenlängenabhängigen Wirkungsquerschnitts für die stimulierte Emission bei der Wellenlänge mit der höheren Laserschwelle liegt.Analogous to the use of a transmissive element, the reflexive element, in the case of a grating by varying the lattice constant and / or its orientation or tilting relative to the optical axis, can also be set such that the effective cross-section, that is to be actually achieved, for the stimulated emission at the wavelength with the lower laser threshold is in the region of the maximum of the wavelength-dependent stimulated emission cross section at the wavelength with the higher laser threshold.
Falls sich die Wirkungsquerschnitte für die Emission der beiden Grundwellenlängen stark unterscheiden, insbesondere falls der Wirkungsquerschnitt für die Grundwellenlänge mit der niedrigern Laserschwelle wesentlich größer ist als für die Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle, so wird das transmissive oder äquivalent das reflexive Element so gefertigt bzw. im Laserresonator angeordnet, dass der Wert des wellenlängenabhängigen Wirkungsquerschnitts für die stimulierte Emission bei der Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle im Bereich des Maximums des wellenlängenabhängigen Wirkungsquerschnitts für die stimulierte Emission bei der Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle liegt.If the cross sections for the emission of the two fundamental wavelengths are strong differ, in particular if the cross section for the fundamental wavelength with the lower laser threshold is substantially greater than for the fundamental wavelength with the higher laser threshold, the transmissive or equivalent, the reflective element is made or arranged in the laser resonator that the value of the wavelength-dependent cross section for the stimulated emission at the fundamental wavelength with the lower lasing threshold is in the region of the maximum of the wavelength-dependent stimulated emission cross section at the higher lasing threshold fundamental wavelength.
Der Emissionsquerschnitt für die stimulierte Emission ist unter anderem eine von der Wellenlänge abhängige Funktion und hat bei den beiden Grundwellenlängen jeweils ein relatives Maximum, d. h. der Wirkungsquerschnitt ist dort verglichen mit der Umgebung hoch, die Maxima können jedoch verschiedene Werte haben. Bei Nd:YAG-Lasern ist beispielsweise der Wert des genannten Wirkungsquerschnitts bei einer Grundwellenlänge von 1064 nm wesentlich höher als bei einer Grundwellenlänge von 1038 nm. Bei benachbarten Wellenlängen fällt der Wert des Wirkungsquerschnitts dann stark ab. Gestaltet man nun das frequenzselektive Element entsprechend bzw. ordnet es mit einer entsprechenden Neigung gegen die optische Achse an, so kann man das Transmissions- bzw. Reflexionsmaximum des betreffenden Elements, welches üblicherweise genau bei der jeweiligen Grundwellenlänge liegt, so verschieben, dass es immer noch im Bereich der Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle liegt, jedoch an einer Flanke des Wirkungsquerschnitts als Funktion der Wellenlänge, also spektral außerhalb des Maximums. Das Transmissions- bzw. Reflexionsmaximum wird dann so gelegt, dass der Wert des Wirkungsquerschnitts bei diesem etwa dem Wert des Wirkungsquerschnitts für die stimulierte Emission bei der Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle entspricht, diesem also angenähert wird bzw. in dessen Bereich liegt.The emission cross section for the stimulated emission is, inter alia, a function dependent on the wavelength and has in each case a relative maximum at the two fundamental wavelengths, ie. H. the cross section is high compared to the environment, but the maxima can have different values. In the case of Nd: YAG lasers, for example, the value of the aforementioned cross section at a fundamental wavelength of 1064 nm is substantially higher than at a fundamental wavelength of 1038 nm. At adjacent wavelengths, the value of the cross section then drops sharply. If the frequency-selective element is designed accordingly or arranged with a corresponding inclination against the optical axis, then the transmission or reflection maximum of the relevant element, which is usually exactly at the respective fundamental wavelength, can be shifted so that it still does is in the region of the fundamental wavelength with the lower laser threshold, but on an edge of the cross-section as a function of the wavelength, ie spectrally outside the maximum. The transmission or reflection maximum is then set so that the value of the cross section at this approximately corresponds to the value of the cross section for the stimulated emission at the fundamental wavelength with the higher laser threshold, this is thus approximated or in the range.
Auf diese Weise wird der Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission bei der Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle so stark gedämpft, dass beide Wirkungsquerschnitte dann einander etwa gleichwertig sind und der Übergang mit der niedrigeren Laserschwelle nicht dominiert, was für die Summenfrequenzerzeugung ein wesentlicher Vorteil ist.In this way, the stimulated emission cross-section at the lower lasing threshold fundamental wavelength is attenuated to such an extent that both cross sections are approximately equal to each other and the lower laser threshold transition does not dominate, which is a significant advantage in summation frequency generation.
Üblicherweise wird der Auskoppelspiegel für die beiden Grundwellenlängen λ1 und λ2 reflexiv und für die Wellenlänge der Summenfrequenz transmissiv konzipiert, diese Bauweise ist besonders platzsparend und kommt mit einer geringstmöglichen Anzahl von optischen Elementen aus. In einer alternativen Ausgestaltung ist im Laserresonator mindestens ein Umlenkspiegel angeordnet, welcher für die Summenfrequenz transmissiv ist, wobei die Transmission hier maximal mit geringstmöglichen Verlusten sein sollte, und welcher für mindestens eine der Grundwellenlängen mindestens teilweise reflektierend ausgestaltet ist. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, die Wellenlänge mit der Summenfrequenz seitlich aus dem Laserresonator auszukoppeln, der Auskoppelspiegel kann dann die gleichen reflektorischen Eigenschaften wie der Endspiegel. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass ein Doppeldurchgang der Laserstrahlung durch den nichtlinearen Kristall realisiert werden kann, welcher zu einer effizienteren Summenfrequenzerzeugung führt.Usually, the output mirror for the two fundamental wavelengths λ 1 and λ 2 is designed to be reflective and transmissive for the wavelength of the sum frequency, this construction is particularly space-saving and comes with a minimum number of optical elements. In an alternative embodiment, at least one deflection mirror is arranged in the laser resonator, which is transmissive to the sum frequency, the transmission here should be maximum with minimum losses, and which is at least partially reflective designed for at least one of the fundamental wavelengths. In this way it is for example possible to decouple the wavelength with the sum frequency laterally from the laser resonator, the output mirror can then the same reflective properties as the end mirror. This arrangement has the advantage that a double pass of the laser radiation can be realized by the non-linear crystal, which leads to a more efficient sum frequency generation.
Neben der Variation des Wirkungsquerschnitts für die stimulierte Emission zur Festlegung der Laserschwelle durch eine Verkippung des wellenlängenselektiven Elements wie oben beschrieben gibt es noch weitere Mittel zur Festlegung und/oder Variation der Laserschwellen, die die Laseranordnung ergänzend oder alternativ optional umfassen kann. Die Laserschwelle für eine Wellenlänge λi, bei zwei Grundwellenlängen mit i = 1, 2, berechnet sich nach der Bedingung In addition to the variation of the cross-section for the stimulated emission for determining the laser threshold by tilting the wavelength-selective element as described above, there are further means for determining and / or varying the laser thresholds, which may additionally or alternatively optionally comprise the laser arrangement. The laser threshold for a wavelength λ i , at two fundamental wavelengths with i = 1, 2, is calculated according to the condition
Ri ist der Auskoppelreflexionsgrad, Δni bezeichnet die Besetzungsinversion, σi den Emissionsquerschnitt für die stimulierte Emission und l die vom Licht zu durchquerende Länge des aktiven, verstärkenden Mediums. Vi schließlich bezeichnet den Verlustfaktor für den jeweiligen Laserübergang.R i is the outcoupling reflectance, Δn i is the population inversion, σ i is the emission cross section for the stimulated emission, and l is the length of active amplifying medium to be traversed by the light. Finally, V i denotes the loss factor for the respective laser transition.
Eine einfache Möglichkeit der Festlegung bzw. Variation der Laserschwellen besteht daher darin, die Auskoppelreflexionsgrade und die Verlustfaktoren zu variieren. Um die Laserschwellen der beiden interessierenden Übergänge für die stimulierte Emission zu variieren bzw. auf einen gewünschten Wert festzulegen, können beispielsweise der Endspiegel und/oder der Auskoppelspiegel unterschiedliche Reflexionsgrade für die beiden Grundwellenlängen λ1 und λ2 aufweisen. Auch der mindestens eine Umlenkspiegel kann unterschiedliche Reflexionsgrade für die beiden Grundwellenlängen aufweisen, wobei dies auch mit den unterschiedlichen Reflexionsgraden für End- und/oder Auskoppelspiegel kombiniert werden kann.A simple way of determining or varying the laser thresholds is therefore to vary the Auskoppelreflexionsgrade and the loss factors. In order to vary the laser thresholds of the two transitions of interest for the stimulated emission or to set them to a desired value, for example, the end mirror and / or the coupling-out mirror can have different reflectivities for the two fundamental wavelengths λ 1 and λ 2 . Also, the at least one deflecting mirror can have different degrees of reflection for the two fundamental wavelengths, and this can also be combined with the different degrees of reflection for the end and / or outcoupling mirror.
Alternativ oder in Ergänzung kann auch ein optisches Abschwächungselement im Laserresonator angeordnet sein, welches Strahlung für jede der beiden Grundwellenlängen durch Absorption und/oder Reflexion unterschiedlich abschwächend ausgestaltet ist. Dieses optische Abschwächungselement kann auch ansteuerbar ausgestaltet sein. Als ein solches Abschwächungselement kann beispielsweise. eine dielektrisch beschichtete planparallele Platte dienen, welche bei den beiden Wellenlängen jeweils eine definierte Restreflexion aufweist. Des Weiteren ist es möglich, den Verkippungswinkel des Abschwächungselementes zur Feinabstimmung der Restreflexion zu verwenden, sofern das dielektrische Schichtdesign entsprechend ausgestaltet wird.Alternatively or in addition, an optical attenuation element may also be arranged in the laser resonator, which radiation is embodied differently attenuating by absorption and / or reflection for each of the two fundamental wavelengths. This optical attenuation element can also be designed to be controllable. As such a weakening element can for example. serve a dielectrically coated plane-parallel plate, which in each case has a defined residual reflection at the two wavelengths. Furthermore, it is possible to use the tilt angle of the attenuation element to fine-tune the residual reflection, as long as the dielectric layer design is designed accordingly.
Auch ist es möglich, zur Festlegung der Laserschwellen mindestens eine der optischen Grenzflächen des aktiven Mediums und/oder des nichtlinearen Kristalls so auszugestalten, dass diese jede der beiden Grundwellenlängen λ1 und λ2 durch Absorption und/oder Reflexion unterschiedlich abschwächt. Dies kann beispielsweise mittels einer entsprechenden Beschichtung erreicht werden.It is also possible to design at least one of the optical boundary surfaces of the active medium and / or the nonlinear crystal to define the laser thresholds such that they attenuate each of the two fundamental wavelengths λ 1 and λ 2 differently by absorption and / or reflection. This can be achieved for example by means of a corresponding coating.
In einer bevorzugten Ausgestaltung, die eine kompakte Bauweise ermöglicht, sind von den Komponenten Endspiegel, aktives Lasermedium, nichtlineare Kristall, wellenlängenselektives Element und Auskoppelspiegel mindestens zwei Komponenten direkt in Kontakt stehend verbunden. Dies kann beispielsweise durch die Technik des sogenannten „diffusion bonding” erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass die Strecke, welche die Laserstrahlung im Resonator durch Luft propagieren muss, verkürzt werden kann, um Brechungsindexänderungen der Luft und somit der Resonatorlänge durch externe Einflüsse wie Luftdruck, Temperatur oder Luftfeuchte zu minimieren.In a preferred embodiment, which allows a compact design, at least two components are connected directly in contact standing by the components end mirror, active laser medium, non-linear crystal, wavelength-selective element and Auskoppelspiegel. This can be achieved for example by the technique of so-called "diffusion bonding". This has the advantage that the distance which the laser radiation in the resonator has to propagate through air can be shortened in order to minimize refractive index changes of the air and thus of the resonator length due to external influences such as air pressure, temperature or air humidity.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, die ebenfalls eine kompakte Bauweise mit wenigen zu justierenden Elementen ermöglicht, sind Endspiegel und/oder Auskoppelspiegel jeweils als dielektrische Beschichtung auf einer der anderen Komponenten, d. h. hier auf dem Lasermedium oder auf dem nichtlinearen Kristall ausgeführt.In a further preferred embodiment, which also allows a compact design with few elements to be adjusted, end mirror and / or coupling-out mirror are each as a dielectric coating on one of the other components, d. H. here on the laser medium or on the nonlinear crystal.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist im Laserresonator ein weiterer nichtlinearer Kristall zur leistungsabhängigen Dämpfung der Grundwellenlänge mit der niedrigen Laserschwelle im Einmodenbetrieb durch Frequenzverdopplung (second harmonic generation, SHG) angeordnet.In a particularly preferred embodiment, a further non-linear crystal for power-dependent attenuation of the fundamental wavelength with the low laser threshold in single-mode operation by frequency doubling (second harmonic generation, SHG) is arranged in the laser resonator.
Durch diese zusätzliche Dämpfung lassen sich die bereits erwähnten Intensitätsschwankungen gegenüber einem Laserresonator mit nur einem nichtlinearen Kristall zur Summenfrequenzerzeugung zeitlich noch weiter stabilisieren, als dies bei der erfindungsgemäßen Anordnung bereits ohnehin der Fall ist. Die beiden nichtlinearen Kristalle können beispielsweise durch den jeweiligen Schnittwinkel oder die Temperatur so ausgestaltet werden, dass sie jeweils nur eine der beiden Grundwellen in ihrer Frequenz verdoppeln, oder aber beide Grundwellenlängen zur Summenfrequenz mischen. Durch die Wahl von Kristalltyp und/oder der Kristalllänge kann die jeweilige Stärke der Nichtlinearität unabhängig voneinander eingestellt werden.By means of this additional damping, the already mentioned intensity fluctuations with respect to a laser resonator with only one nonlinear crystal for summation frequency generation can be further stabilized in terms of time than is already the case in the case of the arrangement according to the invention. The two non-linear crystals can be designed, for example, by the respective cutting angle or the temperature so that they only double in their frequency one of the two fundamental waves, or else mix both fundamental wavelengths to the sum frequency. By the choice of crystal type and / or the crystal length, the respective strength of the non-linearity can be adjusted independently.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:
Die in
Die Laserschwelle, bzw. die Schwellenwertbedingungen, oberhalb der der Laser zu arbeiten beginnt, berechnet sich für eine Grundwellenlänge λi, mit i = 1,2 die Grundwellenlänge indizierend, nach der Formel wobei in der Regel ohne Steuerung anderer Parameter mindestens die Wirkungsquerschnitte σ; der verschiedenen Laserübergänge verschieden sind.The laser threshold, or the threshold conditions above which the laser begins to operate, is calculated for a fundamental wavelength λ i , with i = 1.2 indicating the fundamental wavelength, according to the formula usually without control of other parameters at least the cross sections σ; the different laser transitions are different.
Der Laserresonator wird auf der linken Seite durch einen Endspiegel
Die Laseranordnung umfasst schließlich auch ein wellenlängenselektives Element, welches entweder transmissiv oder reflexiv ausgestaltet sein kann und in dem in
Die Eigenschaften des wellenlängeselektiven Elements und sein Zusammenspiel mit den übrigen Komponenten sind wesentlich für einen erfolgreichen Betrieb der Laseranordnung zur Erzielung der gewünschten Funktionalität. Im Falle eines transmissiven wellenlängenselektiven Elements unterscheiden sich die Eigenschaften für die beiden Grundwellenlängen λ1 und λ2 in Abhängigkeit von der Laserschwelle. Für die Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle weist das wellenlängenselektive Element – auch für ein reflexives wellenlängenselektives Element – eine solche spektrale Selektivität auf, die einen Einmodenbetrieb bei dieser Grundwellelänge ermöglicht. Die Spreizung der Transmissionsmaxima beim Etalon
Für die Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle andererseits darf das transmissive wellenlängenselektive Element keine spektralselektive Wirkung aufweisen, d. h. es lässt diese Grundwellenlänge und auch mindestens einen Bereich um diese Grundwellenlänge herum, der einige der Moden der homogen verbreiterten Linie umfasst, ungehindert, d. h. mit geringstmöglicher Abschwächung hindurch. Bei dieser Grundwellenlänge ist daher ein Mehrmodenbetrieb möglich und sogar erwünscht. Zu diesem Zweck ist das Etalon
Im Falle der Verwendung eines optischen Gitters
Im folgenden soll anhand von
Bei einer kontinuierlichen Steigerung der Pumpleistung beginnend bei Null, beginnt aufgrund der niedrigeren Laserschwelle die stimulierte Emission zunächst bei der Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle. Im Laserresonator und insbesondere im aktiven Lasermedium
Diese Intensitätsverteilung korrespondiert direkt mit der Sättigung der Besetzungsinversion, diese ist also bei den Maxima der Intensitätsverteilung besonders hoch, während sie in den Minima sehr gering bzw. gar nicht vorhanden ist. Die Sättigung der Verstärkung bzw. der Inversion ist also räumlich moduliert mit einer Modulationsperiode, die gleich der halben Wellenlänge der Mode ist (spatial hole burning). Während also bei den Maxima bereits die Sättigung erreicht wurde, ist die Inversion bzw. die Sättigung in den Tälern der Intensitätsverteilung nur unvollständig.This intensity distribution corresponds directly to the saturation of the population inversion, so this is particularly high at the maxima of the intensity distribution, while it is very low or not present in the minima. The saturation of the gain or inversion is thus spatially modulated with a modulation period that is equal to half the wavelength of the mode (spatial hole burning). Thus, while the saturation has already been reached at the maxima, the inversion or saturation in the valleys of the intensity distribution is only incomplete.
Wird daher die Pumpleistung weiter erhöht, kann der Laser aufgrund dieser unvollständig gesättigten Inversion in den Tälern der modulierten Sättigung der Verstärkung für die Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle nun ebenfalls auch für die Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle über deren Laserschwelle gelangen. Im in
Daher passt sich der Laserresonator bei der Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle ohne weiteres Zutun hinsichtlich der Anzahl der Longitudinalmoden und ihrer Wellenlängen so an, dass im räumlichen Mittel und bei Mehrmodenbetrieb bei der zweiten Grundwellenlänge auch im zeitlichen Mittel – die Wellenbäuche bei der Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle optimal in den Wellentälern bei der Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle liegen. In
Als Beispiel sollen im folgenden zwei Fälle beschrieben werden, bei denen das aktive Lasermedium
Der natürliche Wirkungsquerschnitt für stimulierte Emission ist bei 1064 nm deutlich größer als bei 1319 nm. Man hat jedoch verschiedene Möglichkeiten zur Festlegung der Laserschwellen, wobei hier beispielhaft nur die Variation des Auskoppelreflexionsgrades Ri in der Formel für die Schwellwertbedingung betrachtet werden soll. Da der Auskoppelspiegel
Wenn beispielsweise der Reflexionsgrad für beide Wellenlängen, 1064 nm und 1319 nm des Auskoppelspiegels
In einem zweiten Beispiel wird der Auskoppelreflexionsgrad R2 für die Wellenlänge λ2 = 1319 nm bei 100% belassen. Der Auskoppelreflexionsgrad R1 für die Wellenlänge λ1 = 1064 nm wird jedoch so gewählt, dass er wesentlich kleiner als der Auskoppelreflexionsgrad für die Wellenlänge λ2 ist. Hier ergibt sich dann genau das umgekehrte Bild gegenüber dem vorher betrachteten Fall, dass nämlich die Laserschwelle bei λ1 = 1064 nm höher ist als die Laserschwelle für λ2 = 1319 nm. Die Grundwellenlänge mit der höheren Laserschwelle ist also hier λ1, die Grundwellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle die Wellenlänge λ2. Bei dieser Ausführung kann sich zunächst ein stabiler Einmodenbetrieb bei λ2 = 1319 nm einstellen. Erst bei weiter ansteigender Pumpleistung wird die verbliebene Inversion durch Laserbetrieb bei λ1 = 1064 nm mit geringer Resonatorgüte extrahiert, welche nur eine schwache Störung in Bezug auf λ2 darstellt. Die Neigung zum gegenseitigen Schwingen zwischen den beiden Wellenlängen ist daher nur gering. Nachteilig bei dieser Einstellung ist allerdings, dass die Wellenlänge λ1 mit hohen Auskoppelverlusten oszilliert, daher ist die Leistungsüberhöhung im Resonator gering und insgesamt die Summenfrequenzmischung reduziert.In a second example, the coupling-out reflectance R 2 for the wavelength λ 2 = 1319 nm is left at 100%. The decoupling reflectance R 1 for the wavelength λ 1 = 1064 nm, however, is chosen so that it is substantially smaller than the Auskoppelreflexionsgrad for the wavelength λ 2 . Here then exactly the opposite picture results from the previously considered case, namely that the laser threshold at λ 1 = 1064 nm is higher than the laser threshold for λ 2 = 1319 nm. The fundamental wavelength with the higher laser threshold is here λ 1 , the fundamental wavelength with the lower laser threshold, the wavelength λ 2 . In this embodiment, a stable single-mode operation can initially be set at λ 2 = 1319 nm. Only when the pumping power continues to rise is the remaining inversion extracted by laser operation at λ 1 = 1064 nm with a low resonator quality, which represents only a weak perturbation with respect to λ 2 . The tendency to reciprocate between the two wavelengths is therefore low. A disadvantage of this setting, however, is that the wavelength λ 1 oscillates with high Auskoppelverlusten, therefore, the power increase in the resonator is low and overall reduces the sum frequency mixing.
Die Festlegung der Laserschwellen durch unterschiedliche Reflexionsgrade des Endspiegels und/oder des Auskoppelspiegels für die beiden Grundwellenlängen λ1 und λ2 ist nur eine Möglichkeit zur Festlegung oder Variation der Laserschwellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein optisches Abschwächungselement im Laserresonator anzuordnen, welches optional ansteuerbar sein kann. Dieses Abschwächungselement schwächt Strahlung für jede der beiden Grundwellenlängen λ1 und λ2 durch Absorption und/oder Reflexion unterschiedlich ab. Auch kann mindestens eine der optischen Grenzflächen des aktiven Lasermediums
Anstelle die Reflexionsgrade bzw. Absorptionsgrade der Spiegel zu beeinflussen, lässt sich eine Einstellung der Laserschwellen auch mittels des wellenlängenselektiven Elements vornehmen, wobei diese Einstellung zusätzlich oder alternativ zu den o. g. Möglichkeiten erfolgen kann. Besonders bevorzugt gestaltet man dabei das wellenlängenselektive Element so, dass im Falle eines transmissiven Elements das Transmissionsmaximum, bzw. im Falle eines reflexiven Elements das Reflexionsmaxium, bei einer Wellenlänge liegt, bei welcher der Wert des wellenlängenabhängigen Wirkungsquerschnitts für die stimulierte Emission bei der Wellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle spektral außerhalb des Maximalwertes liegt und somit tendenziell dem maximal möglichen Wirkungsquerschnitt bei der Wellenlänge mit der höheren Laserschwelle angenähert wird. Anders ausgedrückt liegt der Wert des wellenlängenabhängigen Wirkungsquerschnitts für die stimulierte Emission bei der Wellenlänge mit der niedrigeren Laserschwelle im Bereich des Maximums des wellenlängenabhängigen Wirkungsquerschnitts für stimulierte Emission bei der Wellenlänge mit der höheren Laserschwelle, nämlich an einer Flanke der Kurve des Wirkungsquerschnitts bei der Wellenlänge mit der höheren Laserschwelle.Instead of influencing the reflectance or absorption levels of the mirrors, an adjustment of the laser thresholds can also be carried out by means of the wavelength-selective element, wherein this setting additionally or alternatively to the above-mentioned. Options can be done. In the case of a transmissive element, the transmission maximum, or in the case of a reflective element the reflection maximum, is at a wavelength at which the value of the wavelength-dependent cross section for the stimulated emission at the wavelength is at the wavelength spectral spectrally outside the maximum value and thus tends to approximate the maximum possible cross section at the wavelength with the higher laser threshold. In other words, the value of the wavelength-dependent stimulated emission cross section at the lower laser threshold wavelength is in the region of the maximum of the wavelength dependent stimulated emission cross section at the higher lasing threshold wavelength, namely at one edge of the wavelength cross-section curve higher laser threshold.
Der Wert des Wirkungsquerschnitts für stimulierte Emission hängt u. a. vom Material und von der Wellenlänge ab und unterscheidet sich in der Regel schon auf natürliche Weise für beide Grundwellenlängen und variiert stark mit der Wellenlänge. Bei der eigentlichen Grundwellenlänge, im obigen Beispiel wäre dies die Grundwellenlänge λ1 = 1064 nm, hat der Wirkungsquerschnitt ein Maximum, was hier sehr viel höher liegt, als das Maximum des Wirkungsquerschnitts für die Grundwellenlänge λ2 = 1319 nm mit der höheren natürlichen Laserschwelle. Das wellenlängenselektive Element wird nun so gestaltet, dass das Transmissions- bzw. Reflexionsmaximum nicht genau bei diesem Maximum des Wirkungsquerschnitts liegt, sondern an einer Flanke des Wirkungsquerschnitts, d. h. zwar noch im Bereich der Grundwellenlänge λ1, jedoch bei einer davon abweichenden Wellenlänge, so dass der Wert des Wirkungsquerschnitts bei dieser Wellenlänge an der Flanke einen Wert hat, der etwa dem Maximum des – natürlichen oder auf andere Weise eingestellten – Wirkungsquerschnitts für die Grundwellenlänge λ2 = 1319 nm entspricht. So kann auf einfache Weise verhindert werden, dass die Grundwellenlänge λ1 zu stark dominiert, durch die Einstellung einer Verkippung des Etalons
Die in
In anderen Ausgestaltungen, die auch untereinander kombiniert werden können, kann der Laserresonator auch so ausgestaltet sein, dass von den Komponenten Endspiegel
In
Mit der vorangehend beschriebenen Laseranordnung lässt sich eine zeitlich hohe Konstanz der Summenfrequenz zweier Grundwellenlängen λ1 und λ2 erzielen, das Schwingen der beiden Wellenlängen gegeneinander kann weitestgehend unterdrückt werden, so dass die Laseranordnung ohne weiteres auch die Anwendung der Summenfrequenzmischung in der Laserscanningmikroskopie zulässt. Die Laseranordnung benötigt nur einen Resonatorast und kann daher sehr kompakt gefertigt werden.With the above-described laser arrangement, a temporally high constant of the sum frequency of two fundamental wavelengths λ 1 and λ 2 can be achieved, the oscillation of the two wavelengths relative to one another can be largely suppressed, so that the laser arrangement readily permits the application of sum frequency mixing in laser scanning microscopy. The laser arrangement requires only one resonator load and can therefore be made very compact.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Lasermediumlaser medium
- 22
- Endspiegelend mirror
- 33
- Auskoppelspiegeloutput mirror
- 44
- nichtlinearer Kristallnonlinear crystal
- 55
- Etalonetalon
- 66
- optisches Gitteroptical grating
- 77
- Endspiegelend mirror
- 88th
- Umlenkspiegeldeflecting
- 99
- Endspiegelend mirror
- 1010
- weiterer nichtlinearer Kristallanother nonlinear crystal
- λ1 λ 1
- erste Grundwellenlängefirst fundamental wavelength
- λ2 λ 2
- zweite Grundwellenlängesecond fundamental wavelength
- vS v p
- Summenfrequenzsum frequency
- λS λ S
- Wellenlänge der SummenfrequenzWavelength of the sum frequency
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4422077A1 (en) * | 1994-06-24 | 1996-01-04 | Festkoerper Laser Inst Berlin | Solid-state laser device |
DE19822065C1 (en) * | 1998-05-16 | 1999-10-28 | Daimler Chrysler Ag | All solid-state diode-pumped laser system for producing red laser radiation especially for laser display technology |
DE19510423C2 (en) * | 1995-03-24 | 2001-04-26 | Linos Photonics Gmbh | Laser arrangement for internal resonance frequency mixing |
DE102005025128A1 (en) * | 2005-05-27 | 2006-12-14 | Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh | Titanium sapphire laser arrangement for use in e.g. holography, has etalon adjustable in inclination opposite to optical axis, and optical non-linear crystal for frequency doubling, where etalon has specific thickness |
-
2012
- 2012-06-08 DE DE201210209625 patent/DE102012209625B3/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4422077A1 (en) * | 1994-06-24 | 1996-01-04 | Festkoerper Laser Inst Berlin | Solid-state laser device |
DE19510423C2 (en) * | 1995-03-24 | 2001-04-26 | Linos Photonics Gmbh | Laser arrangement for internal resonance frequency mixing |
DE19822065C1 (en) * | 1998-05-16 | 1999-10-28 | Daimler Chrysler Ag | All solid-state diode-pumped laser system for producing red laser radiation especially for laser display technology |
DE102005025128A1 (en) * | 2005-05-27 | 2006-12-14 | Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh | Titanium sapphire laser arrangement for use in e.g. holography, has etalon adjustable in inclination opposite to optical axis, and optical non-linear crystal for frequency doubling, where etalon has specific thickness |
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Representative=s name: GLEIM PETRI PATENT- UND RECHTSANWALTSPARTNERSC, DE Representative=s name: GLEIM PETRI OEHMKE PATENT- UND RECHTSANWALTSPA, DE |
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Representative=s name: GLEIM PETRI PATENT- UND RECHTSANWALTSPARTNERSC, DE |