DE102013004406A1 - Nonlinear amplifiers - Google Patents

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Abstract

Ein konventioneller Verstärker besteht aus einer Pumpstrahlquelle (11), eine Strahlformungsoptik (12), einem nichtlinearen Medium (41) und einem dichroitischen Strahlteiler (54). Zur Erhöhung der Konversionseffizienz wird ein nichtlinearer Oszillator gebildet. Dabei wird der Pumpstrahl durch einen dichroitischen Umlenkspiegel (54) in den Oszillator eingekoppelt. Der nichtlineare Oszillator wird durch die Spiegel (53), (34) und den Umlenkspiegel (54) gebildet. Wenn jedoch die durch den nichtlinearen Prozess erzeugte Wellenlänge (91) sehr nah an der Pumpwellenlänge (16) liegt so wird es sehr aufwendig einen solchen dichroitischen Umlenkspiegel zu beschichten und somit sehr teuer. Darüber hinaus treten hohe Verlust bei dem dichroitischen Umlenkspiegel auf. Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mindestens ein polarisierendes Element zur Trennung des durch einen nichtlinearen Prozess erzeugten Strahls von dem Pumpstrahl verwendet wird.A conventional amplifier consists of a pump beam source (11), beam shaping optics (12), a non-linear medium (41) and a dichroic beam splitter (54). A non-linear oscillator is formed to increase the conversion efficiency. The pump beam is coupled into the oscillator through a dichroic deflecting mirror (54). The non-linear oscillator is formed by the mirrors (53), (34) and the deflecting mirror (54). However, if the wavelength (91) generated by the non-linear process is very close to the pump wavelength (16), then it becomes very complex to coat such a dichroic deflecting mirror and therefore very expensive. In addition, large losses occur in the dichroic deflecting mirror. The main idea of the present invention is that at least one polarizing element is used to separate the beam generated by a nonlinear process from the pump beam.

Description

Laserstrahlen werden durch angeregtes Verstärkungsmedium generiert. Die Wellenlänge der Laserstrahlen werden durch die mögliche Übergängen bestimmt und sind in meisten Fällen diskret, wie z. B. 1064 nm bei meisten mit Nd dotierten Lasern und 1030 nm bei meisten mit Yb dotierten Lasern. Auf anderer Seite ist die Wechselwirkung von Laserstrahlen und Materialien wie die Absorption abhängig von der Wellenlänge der Laserstrahlen ab. Eine steuerbare und effiziente Wechselwirkung setzt eine passende Wellenlänge voraus. Um die gerecht zu werden, wird die Wellenlänge der Laserstrahlen durch nichtlineare Prozesse wie Raman-Streuung, Brillouin-Streuung, Up-Konversion, optische parametrische Prozesse (optische parametrische Erzeuger, Verstärker, Oszillator) etc. verändert bzw. angepasst.Laser beams are generated by excited gain medium. The wavelength of the laser beams are determined by the possible transitions and are discrete in most cases, such. 1064 nm for most Nd doped lasers and 1030 nm for most Yb doped lasers. On the other hand, the interaction of laser beams and materials such as the absorption depends on the wavelength of the laser beams. A controllable and efficient interaction requires a suitable wavelength. To cope with this, the wavelength of the laser beams is changed by non-linear processes such as Raman scattering, Brillouin scattering, up-conversion, optical parametric processes (optical parametric generator, amplifier, oscillator), etc.

Unter Verwendung des Raman-Prozesses in einem KGW Kristallen kann z. B. die Wellenlänge von 559 nm durch Pumpen mit 532 nm generiert werden. Die Wellenlänge 532 nm und die durch Raman-Prozess generierte Wellenlänge 559 nm liegt sehr nah beieinander. Noch enger liegen die Pumpwellenlänge und die durch Brillouin-Streuung-Prozess generierte Wellenlänge bei einander. Zur Trennung der durch nichtlineare Prozesse wie Raman-Streuung und Brillouin-Streuung erzeugten Wellenlängen von der Pumpwellenlänge zu trennen werden dichroitische Optiken verwendet. Die dichroitischen Optiken weisen unterschiedliche Reflexion bzw. Transmission für unterschiedliche Wellenlängen auf. Allerdings ist die Beschichtung der Optiken sehr komplex und aufwendig, wenn die zu trennenden Wellenlänge eng beieinander sind. Auch das erzielbare Trennungsverhältnis limitiert.Using the Raman process in a KGW crystal, z. For example, the wavelength of 559 nm can be generated by pumping at 532 nm. The 532 nm wavelength and the 559 nm wavelength generated by the Raman process are very close together. Even closer are the pump wavelength and the wavelength generated by the Brillouin scattering process. For separating the wavelengths generated by nonlinear processes such as Raman scattering and Brillouin scattering from the pump wavelength, dichroic optics are used. The dichroic optics have different reflection or transmission for different wavelengths. However, the coating of the optics is very complex and expensive if the wavelength to be separated are close together. Also limits the achievable separation ratio.

Um das Problem zu vermeiden, werden in dieser vorliegenden Anmeldung nichtlineare Verstärker angeben, bei denen die Trennung der durch nichtlineare Prozessen Wellenlängen von der Pumpwellenlänge unter Verwendung von mindestens einem polarisierenden Element erfolgt.In order to avoid the problem, non-linear amplifiers will be used in this application in which the separation of the wavelengths from the pump wavelength by non-linear processes is performed using at least one polarizing element.

Wie in dargestellt, besteht konventionell ein nichtlinearer Verstärker aus einer Pumpstrahlquelle (11), eine Strahlformungsoptik (12), einem nichtlinearen Medium (41) und einem dichroitischen Strahlteiler (54). Zur Erhöhung der Konversionseffizienz wird ein nichtlinearer Oszillator gebildet. Ein Beispiel von nichtlinearen Oszillatoren ist in dargestellt. Dabei wird die Pumpstrahl durch einen dichroitischen Umlenkspiegel (54) in den Oszillator eingekoppelt. Der nichtlineare Oszillator wird durch die Spiegel (53), (34) und den Umlenkspiegel (54) gebildet. Wenn jedoch die durch den nichtlinearen Prozess erzeugte Wellenlänge (91) sehr nah an der Pumpwellenlänge (16) liegt so wird es sehr aufwendig einen solchen dichroitischen Umlenkspiegel zu beschichten und somit sehr teuer. Darüber hinaus treten hohe Verlust bei dem dichroitischen Umlenkspiegel auf.As in Conventionally, a nonlinear amplifier consists of a pump beam source ( 11 ), a beam shaping optics ( 12 ), a nonlinear medium ( 41 ) and a dichroic beam splitter ( 54 ). To increase the conversion efficiency, a nonlinear oscillator is formed. An example of nonlinear oscillators is in shown. In this case, the pump beam through a dichroic deflection mirror ( 54 ) coupled into the oscillator. The nonlinear oscillator is controlled by the mirrors ( 53 ) 34 ) and the deflection mirror ( 54 ) educated. However, if the wavelength generated by the nonlinear process ( 91 ) very close to the pump wavelength ( 16 ) so it is very expensive to coat such a dichroic deflection mirror and thus very expensive. In addition, high losses occur in the dichroic deflection mirror.

Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mindestens ein polarisierendes Element zur Trennung der durch einen nichtlinearen erzeugten Prozess erzeugten Wellenlängen von der Pumpwellenlänge verwendet wird.The core idea of the present invention is that at least one polarizing element is used to separate the wavelengths generated by a non-linear generated process from the pump wavelength.

Ein derartiger nichtlinearer Verstärker zeigt . Hierbei gilt die Tatsache, dass der Pumpstahl linear polarisiert ist und die durch nichtlinearen Prozess erzeugte Welle eine senkrechte Polarisation zum Pumpstrahl steht. Zur Trennung des erzeugten Strahls (91) von dem Pumpstrahl (16) wird polarisierendes Element (43) verwendet. Ein polarisierendes Element kann Dünnschichtpolarisator oder ein doppelbrechendes Medium, wie ein Doppelbrechendes Kristall sein. Speziell in dem dargestellten Fall ein Strahlversetzer aus einem doppelbrechenden Kristall verwendet wird. Hinter dem Strahlversetzer (43) werden der erzeugte Strahl (91) und der Pumpstrahl (16) räumlich getrennt.Such a nonlinear amplifier shows , In this case, the fact that the pumping steel is linearly polarized and the wave generated by non-linear process is a perpendicular polarization to the pumping beam applies. For separating the generated beam ( 91 ) of the pumping beam ( 16 ) becomes polarizing element ( 43 ) used. A polarizing element may be a thin film polarizer or a birefringent medium, such as a birefringent crystal. Specifically, in the illustrated case, a beam dislocator made of a birefringent crystal is used. Behind the beam displacer ( 43 ) the generated beam ( 91 ) and the pumping beam ( 16 ) spatially separated.

Für den Fall, dass der erzeugte Strahl die gleiche Polarisation von dem Pumpstrahl aufweist, kann ein polarisationsänderndes Element (33) verwendet wird (vgl. ). Ein polarisationsänderndes Element kann eine Verzögerungsplatte sein. Die Verzögerungsplatte wird dabei so ausgelegt, dass sie nur die Polarisation von dem Pumpstrahl um 90 grad dreht, während die Polarisation von dem erzeugten Strahl unverändert bleibt oder dass sie nur die Polarisation von dem erzeugten um 90 grad dreht, während die Polarisation von dem Pumpstrahl unverändert bleibt. Damit weisen der Pumpstrahl und der erzeugte Strahl nach der Verzögerungsplatte senkrecht zueinander stehende Polarisationen auf. Somit kann der erzeugte Strahl (91) von dem Pumpstrahl (16) separiert werden.In the case that the generated beam has the same polarization of the pumping beam, a polarization-changing element ( 33 ) is used (see. ). A polarization-altering element may be a retardation plate. The retardation plate is thereby designed to rotate only the polarization of the pumping beam 90 degrees, while the polarization of the generated beam remains unchanged or that it rotates only the polarization of the generated by 90 degrees, while the polarization of the pumping beam unchanged remains. Thus, the pump beam and the generated beam after the retardation plate perpendicular to each other polarizations. Thus, the generated beam ( 91 ) of the pumping beam ( 16 ) are separated.

und zeigt einen nichtlinearen Oszillator gemäß dieser vorliegenden Erfindung. Dabei stellt die den Strahlverlauf des Pumpstrahls (16) und die den Strahlverlauf des durch den nichtlinearen Prozess erzeugten Strahls (91) dar. Der nichtlineare Oszillator für den erzeugten Strahl (91) besteht aus einem Dünnschichten Polarisator (32), einem Endspiegel (34) und einem Auskoppelspiegel (31). In dem dargestellten Fall hat der Pumpstrahl die p-Polarisation in Bezug auf den Polarisator und wird durch den Polarisator in den nichtlinearen Oszillator eingekoppelt. Der erzeugte Strahl hat eine s-Polarisation und wird deshalb vom Polarisator (32) reflektiert. Damit oszilliert der erzeugte Strahl innerhalb des nichtlinearen Oszillators und wird dabei verstärkt. and shows a nonlinear oscillator according to this present invention. It represents the the beam path of the pumping beam ( 16 ) and the the beam path of the beam generated by the nonlinear process ( 91 ). The non-linear oscillator for the generated beam ( 91 ) consists of a thin-film polarizer ( 32 ), an end mirror ( 34 ) and a Auskoppelspiegel ( 31 ). In the illustrated case, the pumping beam has the p-polarization with respect to the polarizer and is coupled by the polarizer into the nonlinear oscillator. The generated beam has an s-polarization and is therefore emitted by the polarizer ( 32 ) reflected. Thus, the generated beam oscillates within the nonlinear oscillator and is thereby amplified.

Für den Fall, dass der durch den nichtlinearen Prozess erzeugte Strahl die gleiche Polarisation wie die des Pumpstrahls, wird ein polarisationsänderndes Element (33) innerhalb des nichtlinearen Oszillator angeordnet, wie es in und dargestellt ist. Das polarisationsändernde Element wird so beschaffen, dass die Polarisation des erzeugten Strahls um 90° gedreht wird während die Polarisation des Pumpstrahls im wesentlich unverändert bleibt. Damit ergibt sich für den Pumpstrahl der Strahlverlauf, wie es in der dargestellt ist. Der Verlauf des erzeugten Strahls zeigt .In the case where the beam produced by the non-linear process has the same polarization as that of the pump beam, a polarization-changing element (FIG. 33 ) arranged inside the nonlinear oscillator, as in and is shown. The polarization-altering element is designed to rotate the polarization of the generated beam by 90 ° while leaving the polarization of the pump beam substantially unchanged. This results in the beam path for the pump beam, as in the is shown. The course of the generated beam shows ,

Bei nichtlinearen Prozessen wie Raman-Streuung und Brillouin-Streuung sind Kettenprozesse möglich. Das heißt, der erzeugte Strahl wiederrum als Pumpstrahl wirkt und damit Strahlen mit neuen anderen Wellenlängen generiert. Damit wird es möglich, Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, die dem jeweiligen nichtlinearen Prozess unterschiedlicher Ordnung entsprechen. Zum Beispiel: mit 532 nm pumpte KGW Raman-Oszillator ist die Wellenlänge erster Ordnung 559 nm und die Wellenlänge der zweiten Ordnung 589 nm. Wenn nur die Wellenlänge 559 nm gewünscht ist, muss die Oszillation bei der Wellenlänge 589 nm vermieden bzw. unterdrückt werden.In nonlinear processes such as Raman scattering and Brillouin scattering, chain processes are possible. This means that the generated beam acts as a pump beam again and thus generates beams with new other wavelengths. This makes it possible to have beams with different wavelengths which correspond to the respective nonlinear process of different order. For example: KGW Raman oscillator pumped at 532 nm is the first order wavelength 559 nm and the second order wavelength 589 nm. If only the 559 nm wavelength is desired, the oscillation at the 589 nm wavelength must be avoided or suppressed.

Wie , und zeigen, kann dies geschehen, indem z. B. ein polarisationsänderndes Element (37) wie z. B. eine Verzögerungsplatte, das den die Polarisation des Pumpstrahls und der, die durch nichtlinearen Prozesse erzeugt werden und unerwünscht sind, so beeinflusst, dass ihre Polarisation senkrecht zu der des erwünschten Strahls steht. Damit wird die Oszillation der unerwünschten Strahlen unterbunden. Eine konkrete Funktionsweise wird anhand eines 532 nm gepumpten Raman-Oszillators mit einem KGW-Kristall erläutert. Bei diesem Raman-Oszillator ist die Wellenlänge der 1. Raman-Streuung 559 nm und der 2. Raman-Streuung 589 nm. Die Strahlen bei 559 nm und 589 nm haben die gleiche Polarisation. Wenn nur 559 nm erwünscht, wird die Verzögerungsplatte (37) so beschaffen, dass sie sowohl die Polarisation des Pumpstrahls als auch des erzeugten Strahls der 2. Raman-Streuung mit einer Wellenlänge 589 nm um 90° dreht. Damit werden die beiden Strahlen aus dem Oszillator durch den Dünnschichtpolarisator ausgekoppelt. Damit wird die Oszillation bei 589 n unterbunden.As . and show, this can be done by z. B. a polarization-modifying element ( 37 ) such. For example, a retarder plate that affects the polarization of the pump beam and that produced by nonlinear processes and is undesirable such that their polarization is perpendicular to that of the desired beam. Thus, the oscillation of the unwanted rays is suppressed. A concrete mode of operation is explained on the basis of a 532 nm pumped Raman oscillator with a KGW crystal. In this Raman oscillator, the wavelength of the 1st Raman scattering is 559 nm and the 2nd Raman scattering is 589 nm. The beams at 559 nm and 589 nm have the same polarization. If only 559 nm is desired, the retardation plate ( 37 ) is designed to rotate both the polarization of the pump beam and the generated beam of the second Raman scattering at a wavelength of 589 nm by 90 °. Thus, the two beams are decoupled from the oscillator through the thin film polarizer. This prevents the oscillation at 589 n.

, und zeigt jeweils den Strahlverlauf des Pumpstrahls, des unerwünschten Strahl (51), z. B. 589 nm und des erwünschten Strahls (91) wie z. B. bei 559 nm von dem oben erläuterten Raman-Oszillator. . and shows the beam path of the pump beam, the unwanted beam ( 51 ), z. B. 589 nm and the desired beam ( 91 ) such. At 559 nm from the Raman oscillator discussed above.

, und zeigen die Strahlverläufe von einer weiteren Ausführung eines nichtlinearen Oszillators. Dabei wird ein Strahlversetzer anstelle eines Dünnschichtpolarisator verwendet. Desweiteren kann auch andere polarisierende Elemente wie z. B. doppelbrechende Prisma oder Polarisator mit doppelbrechendem Medium oder Kristall zur Trennung der Strahlen verwendet werden. . and show the beam paths of a further embodiment of a nonlinear oscillator. A beam displacer is used instead of a thin film polarizer. Furthermore, other polarizing elements such. B. birefringent prism or polarizer with birefringent medium or crystal are used to separate the beams.

Zur erhöhten Unterdrückung der unerwünschten Oszillation können mehr als eine Kombination von polarisierenden Elementen (43) und polarisationsändernden Elementen (37, 38) in Serie verwendet werden. Eine derartige Ausführung zeigt die , und . Mit diesem Aufbau wird die Anforderung an und die Komplexität von z. B. die Verzögerungsplatte reduziert.For increased suppression of unwanted oscillation, more than one combination of polarizing elements ( 43 ) and polarization-altering elements ( 37 . 38 ) can be used in series. Such an embodiment shows the . and , With this structure, the requirement for and the complexity of e.g. B. reduces the retarder plate.

Eine vorteilhafte Ausführung von nichtlinearen Oszillatoren ergibt sich, wenn der Pumpstrahl und der zu erzeugende Strahl innerhalb eines gemeinsamen Oszillator integriert wird. Der Pumpstrahl wird von dem Lasermedium (19) emittiert. , und zeigen jeweils den Strahlverlauf des Pumpstrahls, des zu erzeugenden Strahls (91) und der unerwünschten Strahlen (51).An advantageous embodiment of nonlinear oscillators results when the pump beam and the beam to be generated are integrated within a common oscillator. The pump beam is from the laser medium ( 19 ) emitted. . and each show the beam path of the pumping beam, the beam to be generated ( 91 ) and the unwanted rays ( 51 ).

Claims (7)

Nichtlineare Verstärker bestehend aus einer Pumpstrahlquelle (11), eine Strahlformungsoptik (12), einem nichtlinearen Medium (41), dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung des durch einen nichtlinearen Prozess erzeugten Strahls von dem Pumpstrahl mindestens ein polarisierendes Element verwendet wird.Non-linear amplifier consisting of a pump beam source ( 11 ), a beam shaping optics ( 12 ), a nonlinear medium ( 41 ), characterized in that at least one polarizing element is used by the pumping beam to separate the jet generated by a nonlinear process. Nichtlineare Verstärker nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Polarisation des Pumpstrahls und des erzeugten Strahls ein polarisationsänderndes Element (33, 37, 38) verwendet wird.Nonlinear amplifier according to Claim 1, characterized in that, to adjust the polarization of the pumping beam and of the beam generated, a polarization-altering element ( 33 . 37 . 38 ) is used. Nichtlineare Verstärker nach dem Anspruch 1 oder dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Konversionseffizienz ein nichtlinearer Oszillator gebildet, der aus einem Endspiegel (34), einem Auskoppelspiel (31) und einem polarisierenden Element (32) oder (43) besteht, wobei das polarisierende Element der zu erzeugende Strahl (91) von dem Pumpstrahl (16) trennt.Non-linear amplifier according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that, in order to increase the conversion efficiency, a nonlinear oscillator is formed, which consists of an end mirror ( 34 ), a decoupling game ( 31 ) and a polarizing element ( 32 ) or ( 43 ), the polarizing element being the beam ( 91 ) of the pumping beam ( 16 ) separates. Nichtlineare Verstärker nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisierende Element (43) ein Strahlversetzer ist.Nonlinear amplifier according to claim 3, characterized in that the polarizing element ( 43 ) is a beam displacer. Nichtlineare Verstärker nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisierende Element (43) ein Dünnschichtpolarisator ist.Nonlinear amplifier according to claim 3, characterized in that the polarizing element ( 43 ) is a thin film polarizer. Nichtlineare Verstärker nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein polarisationsändernde Element (33, 37, 38) verwendet wird, wobei das polarisierende Element so beschaffen wird, dass nach Durchgang durch das polarisierende Element die Polarisation des Pumpstrahls (16) und der unerwünschten Strahlen (51) senkrecht zu der Polarisation des wunschgemäß erzeugten Strahls (91) steht.Non-linear amplifier according to one of Claims 3 to 5, characterized in that a polarization- altering element ( 33 . 37 . 38 ) is used, wherein the polarizing element is such that, after passing through the polarizing element, the polarization of the pumping beam ( 16 ) and the unwanted rays ( 51 ) perpendicular to the polarization of the beam produced as desired ( 91 ) stands. Nichtlineare Verstärker nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kombinationen von polarisierenden Elementen und polarisationsändernden Elementen in Serie im Bezug auf Strahlsausbreitungsrichtung angeordnet werden.Non-linear amplifiers according to one of claims 3 to 6, characterized in that a plurality of combinations of polarizing elements and polarization-changing elements are arranged in series with respect to beam propagation direction.
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