DE102015009098A1

DE102015009098A1 - Verfahren zur Modulation eines Lasers und modulierbarer Laser

Info

Publication number: DE102015009098A1
Application number: DE102015009098.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Leitner
Original assignee: Jenoptik Laser GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2017-01-19
Also published as: WO2017012991A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Modulation von Laserstrahlung, die durch Frequenzvervielfachung aus Diodenlaserstrahlung erzeugt wird. Zur Frequenzvervielfachung wird ein periodisch gepolter Kristall eingesetzt, der quasiphasenangepasst betrieben wird. Der periodisch gepolte Kristall wird mit einem elektrischen oder magnetischen Feld beaufschlagt, welches die Quasiphasenanpassung stört. Durch die Modulation einer Kenngröße des Feldes, beispielsweise Feldstärke oder Amplitude, wird die Ausgangsstrahlung moduliert. Die Laserdiode kann im Dauerstrichbetrieb betrieben werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Modulation von Laserstrahlung, die durch Frequenzvervielfachung aus einer Laserstrahlung, insbesondere einer Diodenlaserstrahlung, erzeugt wird.
Stand der Technik
Eine Frequenzverdoppelung der Strahlung eines Diodenlasers ist mit einem periodisch gepolten nichtlinearen Kristall möglich. Ein solches Vorgehen ist aus US 5321718 A bekannt. Aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften des Kristalls erfolgt eine Frequenzkonversion von eingestrahltem Laserlicht in höhere Harmonische (z. B. Frequenzverdoppelung). Die periodische Polung des Kristalls bewirkt eine Quasiphasenanpassung (quasi phase matching – QPM) der sekundären frequenzverdoppelten Strahlung zur primären Strahlung des Diodenlasers. Die Quasiphasenanpassung befördert die Konversion der primären Laserstrahlung in die sekundäre frequenzverdoppelte Strahlung. Diese Quasiphasenanpassung funktioniert allerdings nur über einen sehr schmalen Wellenlängenbereich. Dadurch ergeben sich Probleme bei der Modulation der Laserstrahlung. In der genannten Veröffentlichung ist vorgesehen, eine Modulation der Ausgangsleistung eines solchen frequenzvervielfachten Diodenlasers mittels einer Modulation der Ausgangsleistung der Trapezlaserdiode vorzunehmen. Das hat den Nachteil, dass es zu einer ungewollten Aufhebung der Quasiphasenanpassungsbedingung des Kristalls kommen kann, da die Wellenlänge der Laserdiode von der Betriebstemperatur (Temperatur des Quantengrabens) und diese wiederum von den jeweiligen Modulationsparametern abhängen kann. Ein stabiler Betrieb ist deshalb nur über einen engen Parameterbereich der mittleren Ausgangsleistung, Pulsbreite bzw. Pulsfolgezeit möglich.
Auch in US 5644584 A und US 6021141 A erfolgt die Modulation eines frequenzverdoppelten Diodenlasers – hier als DBR-Laser ausgebildet – mittels eines Modulationsstromes des Diodenlasers. Da die Temperatur des DBR-Gitters von den Modulationsparametern abhängen kann, kann sich auch bei derartigen Vorrichtungen die Wellenlänge der Laserdiode infolge der Modulation verschieben, so dass es zu einer ungewollten Aufhebung der Quasiphasenanpassungsbedingung des Kristalls kommen kann.
Ein weiterer Nachteil der Lehre der drei oben zitierten Veröffentlichungen besteht darin, dass bei Verwendung von Trapezlaserdioden durch die Modulation der Leistung der primären (ersten) Laserstrahlung der Laserdiode eine Änderung des Astigmatismus dieser Strahlung auftreten kann, wodurch die Strahlqualität beeinträchtigt werden kann. Außerdem kann durch die Modulation der Leistung der Laserdiode deren Lebensdauer verkürzt sein.
Die Quasiphasenanpassung eines periodisch gepolten Kristalls ist, wie oben beschrieben, stark von der Wellenlänge des einfallenden Laserstrahls abhängig. Daher ist eine genaue Abstimmung zur Herstellung der Quasiphasenanpassung erforderlich. Dafür sind verschiedene Maßnahmen bekannt. Aus EP 1079266 B1 ist bekannt, eine Wellenlängenabstimmung eines periodisch gepolten Kristalls mittels Deformation durch ein Piezoelement vorzunehmen. Aus JP 2007114527 A ist bekannt, eine Quasiphasenanpassungsbedingung mittels einer Veränderung des Betriebsstromes einer Laserdiode anzupassen. Aus JP 2007108593 A ist bekannt, eine Quasiphasenanpassungsbedingung mittels einer Variation der Strahlrichtung anzupassen. Aus DE 10102683 A1 ist ein periodisch gepolter Kristall mit kammförmigen Elektroden bekannt, an welche ein elektrisches Feld angelegt werden kann, um den Konversionswirkungsgrad zu erhöhen. Nachteilig ist die komplizierte Geometrie der Elektroden. Die maximal anwendbare Spannung kann zudem durch die geringen Abstände gegenpoliger Elektroden begrenzt sein.
Aus WO 1998018045 A1 ist ein Braggmodulator bekannt, mit dem die Intensität eines Lichtstrahls moduliert werden kann. Prinzipiell könnte ein solcher Modulator einem Frequenzverdoppelungskristall nachgeschaltet werde, um die Ausgangsleistung einer frequenzverdoppelten Laserstrahlung modulieren zu können. Allerdings wäre ein solcher Modulator ein zusätzliches Bauteil, welches Platz beansprucht und Kosten verursacht.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Modulation der Ausgangsleistung eines frequenzvervielfachten Lasers, insbesondere eines Diodenlasers, anzugeben, welches eine schnelle Modulation zulässt und über einen weiten Parameterbereich der mittleren Ausgangsleistung und/oder Pulsbreite und/oder Pulsfolgezeit stabil betrieben werden kann. Insbesondere sollte die Laserdiode im Dauerstrichbetrieb oder im quasikontinuierlichen Betrieb betrieben werden können. Außerdem soll ein modulierbarer Laser als Vorrichtung angegeben werden.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Modulation einer Ausgangsleistung einer zweiten Laserstrahlung mit einer zweiten Wellenlänge umfassend:

a. Erzeugen einer ersten Laserstrahlung mit einer ersten Wellenlänge mittels einer Laserquelle,
b. wenigstens teilweise Umwandlung der ersten Laserstrahlung in die zweite Laserstrahlung mittels eines periodisch gepolten Kristalls, wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und die Umwandlung eine veränderliche Umwandlungsrate aufweist,
c. wenigstens zeitweise quasiphasenangepasstes Betreiben (quasiphasematching condition) des periodisch gepolten Kristalls,
d. Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld, wobei wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes moduliert wird, wobei die Modulation der Kenngröße eine Modulation der Umwandlungsrate infolge einer Beeinflussung des quasiphasenangepassten Betriebs bewirkt,
e. Abtrennen der ersten Laserstrahlung.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe führt zu einem modulierbaren Laser, umfassend:
eine Laserquelle zum Erzeugen einer ersten Laserstrahlung mit einer ersten Wellenlänge;
einen periodisch gepolten Kristall zur wenigstens teilweisen Umwandlung der ersten Laserstrahlung in eine zweite Laserstrahlung mit einer zweiten Wellenlänge, wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und wobei die periodische Polung des Kristalls so gewählt ist, dass eine Quasiphasenanpassung (quasiphasematching) der zweiten Laserstrahlung zur ersten Laserstrahlung vorliegt. Der modulierbare Laser umfasst weiterhin ein Element zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung. Der modulierbare Laser ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit welcher der periodisch gepolte Kristall mit einem veränderlichen elektrischen und/oder magnetischen Feld beaufschlagt werden kann, so dass eine Unterdrückung der Umwandlung infolge einer Aufhebung der Quasiphasenanpassung bewirkt werden kann und dass wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes mit einem vorgegebenen Signal modulierbar ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die schnelle Modulation eines frequenzvervielfachten Lasers, insbesondere eines Diodenlasers. Außerdem ist ein stabiler Betrieb über einen weiten Parameterbereich möglich. Die Laserquelle kann im Dauerstrichbetrieb betrieben werden, was einerseits einen stabilen Betrieb des Lasermoduls ermöglicht und andererseits eine hohe Lebensdauer der Laserquelle gewährleistet. Insbesondere bei Verwendung von einer oder mehreren Trapezlaserdioden als Laserquelle ist der Dauerstrichbetrieb vorteilhaft, weil damit eine Verschlechterung der Strahlqualität durch wechselnden Astigmatismus vermieden werden kann. Da die zwei Funktionen, Frequenzverdoppelung und Modulation, erfindungsgemäß in einem einzigen Bauteil, nämlich dem periodisch gepolten Kristall, realisiert werden können, ist die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe zudem preisgünstig und gestattet einen kompakten Aufbau.
Beschreibung
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Modulation einer Ausgangsleistung eines Lasers. Dabei wird zunächst mit wenigstens einer Laserquelle eine erste Laserstrahlung (primäre Laserstrahlung) erzeugt. Die erste Laserstrahlung weist eine erste Wellenlänge auf. Vorteilhaft kann die Laserquelle als Laserdiode, die elektrisch gepumpt werden kann, ausgeführt sein oder wenigstens eine Laserdiode umfassen. Die Laserquelle kann auch mehrere Laserdioden umfassen. Die Strahlungen der mehreren Laserdioden können beispielsweise mittels eines der bekannten Verfahren zur Strahlzusammenführung zusammengeführt werden zur ersten Laserstrahlung. Alternativ kann die Laserquelle auch als optisch gepumpte Laserquelle, beispielsweise als optisch gepumpter Halbleiterlaser ausgeführt sein oder wenigstens eine solche umfassen. Die Laserdiode kann einen Wellenleiter aufweisen, der als Stegwellenleiter ausgebildet ist. Die Laserdiode kann eine Einmodendiode (single mode laser diode) sein. Die Laserdiode kann auch als Trapezlaser (tapered laser diode) ausgebildet sein. Die erste Laserstrahlung kann bevorzugt einmodig sein oder nur wenige Moden aufweisen. Die Beugungsmaßzahl M² kann bevorzugt kleiner als 3 sein, besonders bevorzugt kleiner als 1,5.
Zur Veranschaulichung kann ein rechtwinkliges kartesisches Koordinatensystem xyz verwendet werden. Die Strahlrichtung der ersten Laserstrahlung kann in z-Richtung aus der Laserdiode austreten. Die Wellenleiterebene der Laserdiode kann die xz-Ebene sein. Die erste Laserstrahlung kann in bekannter Weise aus der Laserdiode mit einer Langsamachsendivergenz (slow axis divergence) und einer Schnellachsendivergenz (fast axis divergence) austreten. Die Langsamachsendivergenz kann in der xz-Ebene auftreten. D. h. entlang der Ausbreitungsrichtung z kann sich der Querschnitt der Strahlung, in x-Richtung gemessen, mit der Langsamachsendivergenz aufweiten. Die Schnellachsendivergenz kann entsprechend in der yz-Ebene auftreten.
Die erste Laserstrahlung wird wenigstens teilweise mit einem periodisch gepolten Kristall in eine zweite Laserstrahlung (sekundäre Laserstrahlung) umgewandelt. Die Umwandlung geht mit einer Umwandlungsrate vonstatten, die veränderlich sein kann. Als Umwandlungsrate kann das Verhältnis der Leistung der zweiten Laserstrahlung zur Leistung der ersten Laserstrahlung verstanden werden. Dabei können die Leistung der ersten Laserstrahlung vor dem Eintritt in den periodisch gepolten Kristall gemessen werden und die Leistung der zweiten Laserstrahlung nach dem Austritt aus dem periodisch gepolten Kristall.
Wenn die zweite Laserstrahlung die zweite Harmonische der ersten Laserstrahlung ist, kann die Umwandlung mit einem einzigen periodisch gepolten nichtlinearen Kristall erfolgen. In diesem Fall kann es sich bei der Umwandlung der ersten Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung um eine Frequenzverdoppelung handeln.
Zur Umwandlung der ersten Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung können aber auch zusätzlich zu dem (ersten) periodisch gepolten Kristall weitere nichtlineare Kristalle, beispielsweise ein zweiter nichtlinearer Kristall, vorhanden sein. Diese können ebenfalls periodisch gepolt sein und können erforderlichenfalls eine andere Periodizität aufweisen, als der (erste) periodisch gepolte Kristall. Ein zweiter nichtlinearer Kristall und gegebenenfalls weitere nichtlineare Kristalle können erforderlich sein, wenn die zweite Wellenlänge beispielsweise ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge betragen soll, d. h. wenn die Erzeugung höherer als der zweiten Harmonischen vorgesehen ist. Der Prozess der Erzeugung der dritten Harmonischen kann beispielsweise so erfolgen, dass mit dem (ersten) periodisch gepolten Kristall zunächst in einem Zwischenschritt die zweite Harmonische erzeugt wird und mit einem zweiten nichtlinearen Kristall durch Summen-Frequenzmischung mit der Grundwelle, d. h. dem Rest der ersten Laserstrahlung, die dritte Harmonische erzeugt wird, die dann als zweite Laserstrahlung die Nutzstrahlung darstellen kann. In diesem Fall kann man die zweite Harmonische als dritte Laserstrahlung bezeichnen. Die Quasiphasenanpassung des (ersten) periodisch gepolten Kristalls kann dann zwischen der ersten und der dritten Laserstrahlung, d. h. zwischen der ersten und der zweiten Harmonischen, vorgesehen sein während der zweite nichtlineare Kristall eine Phasenanpassung oder Quasiphasenanpassung für die Summenfrequenzmischung bereitstellen kann.
Die zweite Wellenlänge ist ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge. Der Begriff „Bruchteil” kann in diesem Falle bedeuten, dass im Zähler eine 1 steht und im Nenner eine natürliche Zahl größer 1. Es handelt sich bei diesem Umwandlungsprozess um eine Frequenzvervielfachung, vorzugsweise eine Frequenzverdoppelung, -verdreifachung, oder -vervierfachung.
Die Umwandlung kann eine veränderliche Umwandlungsrate aufweisen. Die Umwandlungsrate kann in der unten angegebenen Weise gesteuert werden.
Die Umwandlung der ersten Laserstrahlung in die zweite Laserstrahlung erfolgt mit einem periodisch gepolten Kristall. Die Funktionsweise des periodisch gepolten Kristalls basiert auf der spektralen und phasenrichtigen Anpassung zwischen der ersten Laserstrahlung und der zweiten Laserstrahlung. Dabei kann die erste Wellenlänge des ersten Laserstrahls durch die Laserdiode vorgegeben sein. Bevorzugt kann die erste Wellenlänge im nahen Infrarotbereich zwischen 780 nm und 3000 nm, besonders bevorzugt zwischen 780 nm und 1100 nm betragen. Ebenfalls bevorzugt kann die erste Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichts zwischen 380 nm und 780 nm liegen. Kommerziell sind beispielsweise Laserdioden bei 405 nm, 630–680 nm, 780 nm, 808 nm, 880 nm, 905 nm, 915 nm–980 nm, 1020 nm, 1064 nm erhältlich. Solche Dioden können zur Ausführung der Erfindung geeignet sein.
Der periodisch gepolte Kristall kann nichtlineare optische Eigenschaften aufweisen. Diese können dazu führen, dass im Kristall Harmonische des eingestrahlten Laserlichts auftreten. Der periodisch gepolte Kristall wird wenigstens zeitweise quasiphasenangepasst betrieben. Das bedeutet, dass die Quasiphasenanpassungebedingung zwischen der ersten Laserstrahlung und der zweiten Laserstrahlung (quasiphasematching condition) wenigstens in einem bestimmten Zeitintervall erfüllt ist. In diesem Zeitintervall kann die Umwandlungsrate einen Maximalwert aufweisen.
Durch das Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld kann die Erfüllung der Quasiphasenanpassungsbedingung beeinflusst werden. Durch das Feld können die Brechungsindices des Kristalls für die erste Laserstrahlung n₁ und die zweite Laserstrahlung n₂ geändert werden. Die Änderungen von n₁ und n₂ können unterschiedlich sein. Dadurch kann die Quasiphasenanpassungsbedingung ganz oder teilweise aufgehoben werden. Der quasiphasenangepasste Betrieb kann somit durch das Feld beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß wird wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes moduliert. Dadurch wird eine Modulation der Umwandlungsrate infolge einer Beeinflussung des quasiphasenangepassten Betriebs bewirkt.
Der periodisch gepolte Kristall kann eine elektrische und/oder magnetische Koerzitivfeldstärke aufweisen. Die Koerzitivfeldstärke kann der Betrag der Feldstärke sein, ab dem eine Veränderung der ferroelektrischen Domänen des periodisch gepolten Kristalls nach dem Abschalten des Feldes zurückbleibt. Bevorzugt kann die Modulation so erfolgen, dass der maximale Betrag der elektrischen und/oder magnetischen Feldstärke unter der elektrischen und/oder magnetischen Koerzitivfeldstärke bleibt. Dadurch kann der quasiphasenangepasste Betrieb reversibel beeinflusst werden.
Der periodisch gepolte Kristall kann beispielsweise ein periodisch gepolter Lithiumniobatkristall LiNbO₃ (PPLN) oder ein periodisch gepolter stöchiometrischer Lithiumtantalatkristall LiTaO₃ (PPSLT) sein. Er kann als Volumenkörper oder auch als Kristallschicht auf einem Substrat ausgebildet sein. Er kann, muss aber nicht, als Wellenleiter ausgebildet sein. Als Kristallmaterial können auch andere ferroelektrische Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften verwendet werden. Um die Notwendigkeit einer kritischen oder nichtkritischen Phasenanpassung zu umgehen, kann der Kristall mit ferroelektrischen Domänen ausgestattet sein, die einen quasiphasenangepassten Betrieb ermöglichen. Hierbei werden in bekannter Weise Domänen in das Material geschrieben, bei denen die zweite χ⁽²⁾ Ordnung der dielektrischen Suszeptibilität χ periodisch das Vorzeichen wechselt (periodische Polung). Eine echte Phasenanpassung findet nicht statt, jedoch lassen sich die einzelnen Domänen in ihrer Periodizität so gestalten, dass sich die erzeugten Teilwellen der zweiten, bzw. der dritten oder vierten oder höheren Harmonischen der Laserwellenlänge konstruktiv überlagern. Die Herstellung der ferroelektrischen Domänen kann in bekannter Weise mit einem elektrischen Feld, welches die Koerzitivfeldstärke des Kristallmaterials überschreitet, erfolgen.
Aus dem periodisch gepolten Kristall können die erste Laserstrahlung und die zweite Laserstrahlung gemeinsam austreten. Im Falle der ersten Laserstrahlung kann das der Anteil sein, der nicht in die zweite Laserstrahlung umgewandelt oder im Kristall absorbiert worden ist. Die erwünschte Nutzstrahlung kann die zweite Laserstrahlung sein. Daher kann erfindungsgemäß ein Abtrennen der ersten Laserstrahlung vorgesehen sein. Zu diesem Zweck kann ein dichroidisches Element, beispielsweise ein wellenlängenselektiver Spiegel vorgesehen sein. Dieser kann beispielsweise die zweite Laserstrahlung durchlassen und die erste Laserstrahlung unter einem Winkel, beispielsweise 90°, ablenken. Der Spiegel kann alternativ beispielsweise die erste Laserstrahlung durchlassen und die zweite Laserstrahlung unter einem Winkel, beispielsweise 90°, ablenken. Die erste Laserstrahlung kann nach der Ablenkung beispielsweise mittels einer Strahlfalle absorbiert werden. Alternativ zum dichroidischen Element kann die erste Laserstrahlung auch mittels eines absorbierenden Elements, welches eine hohe Transmission für die zweite Laserstrahlung aufweist, abgetrennt werden.
Die Laserquelle kann im Dauerstrichbetrieb (continous wave – cw) oder im quasikontinuierlichen Betrieb (quasi continuous wave – qcw) betrieben werden. Quasikontinuierlicher Betrieb kann bedeuten, dass die Laserquelle, insbesondere Laserdiode, nur in bestimmten Zeitintervallen eingeschaltet wird, welche so kurz sind, dass thermische Effekte deutlich reduziert sind, andererseits aber lang genug, dass der Laserprozess nahe dem Dauerstrichbetrieb stattfindet. Ein quasikontinuierlicher Betrieb kann bei Pulslängen (Länge des eingeschalten Zeitintervalls) von 1 ms bis 1000 ms, bevorzugt 10 ms bis 1000 ms vorliegen. Der quasikontinuierliche Betrieb kann mit bevorzugt mit einem festen Tastverhältnis und/oder einer festen Länge des eingeschalteten Zeitintervalls erfolgen. Das Tastverhältnis ist das Verhältnis der Länge des eingeschalteten Zeitintervalls zur Summe der Längen des eingeschalteten und ausgeschalteten Zeitintervalls.
Die modulierte Kenngröße kann die Feldstärke des elektrischen Feldes E und/oder magnetischen Feldes H, bzw. der magnetischen Induktion B, sein.
Die Umwandlungsrate kann einen Maximalwert haben, wenn die Feldstärke des elektrischen und/oder magnetischen Feldes einen Wert Null hat, d. h. wenn der Kristall nicht mit einem Feld beaufschlagt ist. Das bedeutet, dass das Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld zu einer Verringerung der Umwandlungsrate führen kann. Die Umwandlungsrate kann dabei so stark verringert werden, dass keine zweite Laserstrahlung entsteht wird, solange das Feld anliegt. Die Umwandlungsrate kann also in diesem Fall Null sein. Das bedeutet, dass die Umwandlung erster Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung zum Erliegen kommen kann.
Das elektrische Feld und/oder das magnetische Feld kann einen hochfrequenten Wechselfeldanteil aufweisen. Die modulierte Kenngröße kann die Amplitude des Wechselfeldanteils sein. Durch eine Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselfeldes kann die Quasiphasenanpassung verändert werden. Die Amplitudenmodulation kann so erfolgen, dass der hochfrequente Wechselfeldanteil abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet wird. Weiterhin kann ein Gleichfeldanteil vorhanden sein. Der Gleichfeldanteil kann aber auch Null sein, so dass das elektrische Feld und/oder das magnetische Feld ausschließlich aus dem hochfrequenten Wechselfeldanteil bestehen kann. Die Umwandlungsrate kann einen Maximalwert haben, wenn die Amplitude des Wechselfeldanteils einen Wert Null hat.
Die Laserquelle kann vorteilhaft wenigstens eine Laserdiode, besonders vorteilhaft wenigstens einen Trapezlaser (Trapezlaserdiode – tapered laser diode) umfassen. Die Trapezlaserdiode kann einen Saatabschnitt (seed section) umfassen. Dieser Abschnitt kann als Stegwellenleiter ausgeführt sein. Die Trapezlaserdiode kann außerdem einen Trapezverstärkerabschnitt (tapered section) aufweisen, in welchem die Saatstrahlung (seed) verstärkt werden kann. Die aus der Laserdiode austretende erste Laserstrahlung kann astigmatisch und/oder asymmetrisch sein. Eine Asymmetrie kann bezüglich der Strahlausdehnungen und/oder der Divergenzen in x- und y-Richtung vorhanden sein. Zur Beseitigung des Astigmatismus und/oder zur Symmetrisierung der ersten Laserstrahlung kann eine Strahltransformationseinrichtung vorgesehen sein. Diese kann aus einem oder mehreren Strahltransformationselementen bestehen. Die Strahltransformationselemente können beispielsweise als Zylinderlinsen, beispielsweise Schnellachsenkollimator (fast axis collimator – FAC) und Langsamachsenkollimator (slow axis collimator – SAC) ausgebildet sein. Weiterhin kann ein optisches Isolationselement vorgesehen sein, welches verhindern kann, dass erste oder zweite Laserstrahlung zurück zur Laserdiode gelangen kann.
Das elektrische und/oder das magnetische Feld kann bezüglich der Richtung der Laserstrahlung eine Transversalkomponente aufweisen. Speziell kann das elektrische und/oder das magnetische Feld transversal ausgerichtet sein. Die Richtung des elektrischen und/oder des magnetische Feldes kann in Richtung der schnellen Achse (fast axis) der Laserdiode liegen. Das kann die x-Richtung des ober gewählten Koordinatensystems sein. Alternativ kann die Richtung elektrischen und/oder des magnetische Feldes in Richtung der langsamen Achse (slow axis) der Laserdiode liegen. Das kann die y-Richtung des ober gewählten Koordinatensystems sein.
Das elektrische und/oder das magnetische Feld kann bezüglich der Richtung der Laserstrahlung eine Longitudinalkomponente aufweisen. Speziell kann das elektrische und/oder das magnetische Feld longitudinal ausgerichtet sein. Das kann die z-Richtung sein.
Das elektrische Feld kann, falls vorgesehen, mittels einer elektrischen Spannung, bevorzugt einer Hochspannung, welche zwischen wenigstens zwei Elektroden angelegt wird, erzeugt werden. Die Elektroden können direkt am Kristall angebracht sein. Sie können jeweils mehrere benachbarte Perioden der Polung (Bezirke) des periodisch gepolten Kristalls überdecken. Somit können jeweils mehrere unterschiedlich gepolte Bezirke des Kristalls mit der gleichen elektrischen Feldstärke beaufschlagt werden. Die Form der Elektroden braucht also nicht der geometrischen Ausbildung der Bezirke der Polung des Kristalls angepasst sein, sondern die Elektroden können großflächig ausgebildet sein. Die Spannung kann beispielsweise mittels einen schnellen Hochspannungsschalters ein- und ausgeschaltet werden.
Das magnetische Feld, falls vorgesehen, kann mittels einer stromdurchflossenen Spule erzeugt werden. Es können jeweils mehrere unterschiedlich gepolte Bezirke des Kristalls mit der gleichen magnetischen Feldstärke beaufschlagt werden.
Der erfindungsgemäßer modulierbarer Laser umfasst eine Laserquelle, die vorteilhaft eine oder mehrere Laserdioden umfassen kann, zum Erzeugen einer ersten Laserstrahlung mit einer ersten Wellenlänge, einen periodisch gepolten Kristalls zur wenigstens teilweisen Umwandlung der ersten Laserstrahlung in eine zweite Laserstrahlung mit einer zweiten Wellenlänge, wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und wobei die periodische Polung des Kristalls so gewählt ist, dass eine Quasiphasenanpassung (quasi phase matching) der zweiten Laserstrahlung zur ersten Laserstrahlung vorliegt, und ein Element zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung.
Der Laser ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit welcher der periodisch gepolte Kristall mit einem veränderlichen elektrischen und/oder magnetischen Felde beaufschlagt werden kann. Diese Einrichtung kann beispielsweise als Paar von Elektroden ausgeführt sei, wobei dich der periodisch gepolte Kristall zwischen den Elektroden befinden kann. Die Einrichtung kann auch beispielsweise als stromdurchflossene Spule zum Erzeugen eines Magnetfelds ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Durch das elektrische und/oder magnetische Feld kann eine Unterdrückung der Umwandlung infolge einer Aufhebung der Quasiphasenanpassung bewirkt werden. Wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes ist mit einem vorgegebenen Signal modulierbar. Durch die Modulation kann es zu der Aufhebung der Quasiphasenanpassung kommen, wobei die Aufhebung reversibel sein kann.
Der Laser kann so ausgebildet sein, dass er abwechselnd in einen ersten Zustand gebracht werden kann, in welchem die Quasiphasenanpassung vorliegt und in einen zweiten Zustand, in welchem keine Quasiphasenanpassung vorliegt. Dabei kann ohne Feld der erste Zustand vorliegen, während durch das Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit dem elektrischen und/oder magnetischen Feld der zweite Zustand herbeigeführt werden kann. Durch das Abschalten des Feldes kann hernach wieder der erste Zustand herbeigeführt werden. Im ersten Zustand kann eine Umwandlung erster Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung erfolgen, während im zweiten Zustand die Umwandlung unterdrückt sein kann.
Die erste Laserstrahlung kann von der Laserquelle, insbesondere Laserdiode, ausgehend eine Strahltransformationsvorrichtung passieren, die den Strahl bündelt. Der gebündelte Strahl kann auf den periodisch gepolten Kristall treffen und diesen passieren. An der Rückseite des Kristalls kann die zweite Laserstrahlung zusammen mit dem verbleibenden Rest der ersten Laserstrahlung als gemeinsamer Strahl austreten. Mit Hilfe eines Elements zur Abtrennung kann die erste Laserstrahlung von der zweiten Laserstrahlung abgetrennt werden. Dann steht die zweite Laserstrahlung mit einer Ausgangsleistung am Ausgang des Lasers als Nutzstrahlung zur Verfügung.
Erfindungsgemäß kann der Kristall allein mit einem elektrischen oder allein mit einem magnetischen Feld beaufschlagt werden. Es ist auch möglich, den Kristall mit beiden Feldern kombiniert zu beaufschlagen.
Die Figuren zeigen Folgendes:
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel,
2 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel,
3 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel,
4 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel,
5 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiele:
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lasermoduls 1 mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Mit einer Laserdiode als Laserquelle 4 wird eine erste Laserstrahlung 2 erzeugt, deren Zentralstrahl in der angezeigten Richtung läuft. Die Laserdiode ist als Trapezlaserdiode mit einem Saatabschnitt (seed section) 5 und einem Trapezverstärkerabschnitt (tapered section) 6 ausgeführt. Die Richtung der langsamen Achse (slow axis) ist als x-Richtung dargestellt. Senkrecht zur Zeichenebene, d. h. in y-Richtung sind die Wellenleiter des Saatabschnitts und des Trapezverstärkerabschnitts flach ausgebildet. Daher ist die y-Richtung die Richtung der schnellen Achse (fast axis). Die Laserdiode wird im Dauerstrichbetrieb (cw) betrieben. Die erste Laserstrahlung wird in einem Strahlabschnitt 2.a vor dem Kristall mit einer Strahltransformationsvorrichtung 7 symmetrisiert. Weiterhin vorgesehen ist ein optischer Isolator 8, der die Laserdiode vor in umgekehrter Richtung laufender Strahlung schützen soll. Um die Laserdiode vor zurücklaufender erster Laserstrahlung zu schützen, die beispielsweise durch eine Rückreflexion an einer Systemkomponente entstehen kann, kann ein handelsüblicher optischer Isolator verwendet werden. Um die Laserdiode vor zurücklaufender zweiter Laserstrahlung zu schützen, kann ein handelsüblicher optischer Kantenfilter verwendet werden, der die erste Laserstrahlung durchlässt und die zweite Laserstrahlung reflektiert. In einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels ist kein optischer Isolator vorhanden.
Die erste Laserstrahlung durchläuft den periodisch gepolten Kristall 9. Dabei wird die erste Laserstrahlung 2 in zweite Laserstrahlung 3, die die halbe Wellenlänge der ersten Laserstrahlung aufweist, umgewandelt. Das bedeutet, dass die zweite Harmonische der Frequenz der ersten Laserstrahlung erzeugt wird. Die zweite Harmonische ist die zweite Laserstrahlung. Die Ausbreitungsrichtung der Zentralstrahlen der ersten und zweiten Laserstrahlung ist als z-Richtung dargestellt. Die erste Laserstrahlung wird nicht vollständig in zweite Laserstrahlung umgewandelt, sondern es verbleibt ein Rest der ersten Laserstrahlung im Strahlengang. Die zweite Laserstrahlung 3 verlässt zusammen mit der verbleibenden ersten Laserstrahlung 2.b den Kristall 9. Weiterhin ist ein Element zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung 14 vorgesehen, das als dichroidisches Element; hier speziell als dichroidischer Strahlteiler ausgebildet ist. Die verbleibende erste Laserstrahlung 2.c wird aus dem Strahlengang abgetrennt und auf eine Strahlfalle (nicht dargestellt) geleitet. Der austretende Nutzstrahl enthält dann nur noch zweite Laserstrahlung 3.
Weiterhin vorgesehen sind eine erste Elektrode 10 und eine zweite Elektrode 11, zwischen denen eine elektrische Spannung U_mod angelegt werden kann. Die Elektroden sind jeweils in einer yz-Ebene an der Oberfläche des Kristalls 9 angeordnet. Wird eine Spannung angelegt, bildet sich ein elektrisches Feld 15 aus. Ein magnetisches Feld ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen. Das elektrische Feld ist im ersten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Strahlrichtung z und in Richtung x der langsamen Achse (slow axis) ausgebildet. In einem zweiten Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) sind die Elektroden jeweils in einer xz-Ebene ausgebildet. Dann ist das elektrische Feld in Richtung y der schnellen Achse (fast axis) ausgebildet. Die folgenden Betrachtungen gelten für das erste und zweite Ausführungsbeispiel gleichermaßen. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Durch das elektrische Feld wird die Quasiphasenanpassung zwischen der ersten und der zweiten Laserstrahlung gestört. Es wird weiterhin erste Laserstrahlung von der Laserdiode erzeugt und in den Kristall eingekoppelt. Allerdings ist nun der Kristall mit einem elektrischen Feld beaufschlagt. Dadurch wird die Umwandlung erster Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung beeinträchtigt oder kommt ganz zum Erliegen. Wird die elektrische Spannung wieder abgeschaltet, ist die Quasiphasenanpassung wieder vorhanden und es kann erneut zweite Laserstrahlung entstehen. Auf diese Weise kann die zweite Laserstrahlung 3 moduliert werden. Das wiederholte Ein- und Ausschalten der Spannung stellt eine Modulation der Spannung dar. Die Spannung U_mod wird dabei zwischen einem festen Spannungswert und einem Wert 0 umgeschaltet, was eine digitale Modulation darstellt. Das Abschalten der elektrischen Spannung kann von einem Kurzschließen der Elektroden begleitet sein, um die zwischen den Elektroden vorhandene elektrische Kapazität schnell zu entladen, damit die zweite Laserstrahlung schnell wieder eingeschaltet werden kann. Außerdem ist in einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels eine analoge Modulation möglich. Dabei wird ein kontinuierlich veränderbarer Spannungswert an die Elektroden angelegt, durch den die Umwandlungsrate erster Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung kontinuierlich beeinflusst werden kann.
2 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, welches sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 11 in der dargestellten Weise als Ringelektroden an unterschiedlichen z-Koordinaten des Kristalls ausgebildet sind. Wird eine Spannung angelegt, bildet sich ein elektrisches Feld 15 aus. Das Feld ist im dritten Ausführungsbeispiel in Strahlrichtung z oder entgegengesetzt in Richtung –z ausgebildet, je nachdem, mit welcher Polarität man die Spannung an die Elektroden anlegt. In einer Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels wäre es möglich, die Spannung über transparente Elektroden an der Lichteintritts- und der Lichtaustrittsseite des Kristalls anzulegen.
3 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ist kein elektrisches Feld vorgesehen, sondern es ist ein Element zum Erzeugen eines Magnetfelds vorgesehen, welches als Spule 13 ausgebildet ist. Mit Hilfe eines modulierten Betriebsstromes I_mod der Spule wird ein magnetisches Feld 16 in Strahlrichtung z oder entgegengesetzt in Richtung –z ausgebildet. Durch das magnetische Feld wird die Quasiphasenanpassung zwischen der ersten und der zweiten Laserstrahlung gestört. Es wird weiterhin erste Laserstrahlung von der Laserdiode erzeugt und in den Kristall eingekoppelt. Allerdings ist nun der Kristall mit einem magnetischen Feld beaufschlagt. Dadurch wird die Umwandlung erster Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung beeinträchtigt oder kommt ganz zum Erliegen. Wird der elektrische Strom wieder abgeschaltet, ist die Quasiphasenanpassung wieder vorhanden und es kann erneut zweite Laserstrahlung entstehen. Auf diese Weise kann die zweite Laserstrahlung 3 moduliert werden.
4 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel In diesem Ausführungsbeispiel ist ebenfalls ein Element zum Erzeugen eines Magnetfelds 12 vorgesehen, welches eine Spule 13 mit einem Kern umfasst. Die Laserdiode 4 ist in diesem Fall als Einmodendiode (single mode laser diode) mit Stegwellenleiter ausgebildet.
5 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel. In diesem Beispiel ist ein zweiter nichtlinearer Kristall 17 vorgesehen. Die Wellenlänge der zweiten Laserstrahlung 3 beträgt ein Drittel der Wellenlänge der ersten Laserstrahlung 2. Mit dem (ersten) periodisch gepolten Kristall periodisch gepolter Kristall wird zunächst die zweite Harmonische der ersten Laserstrahlung erzeugt. Die zweite Harmonische ist eine dritte Laserstrahlung mit der halben Wellenlänge der ersten Laserstrahlung. Im zweiten nichtlinearen Kristall 17 wird durch Summenfrequenzmischung der dritten mit der ersten Laserstrahlung die gewünschte zweite Laserstrahlung 3 erzeugt. Die Modulation der Ausgangsleistung der zweiten Laserstrahlung wird durch ein elektrisches Feld am (ersten) periodisch gepolten Kristall bewirkt. Durch das elektrische Feld kann die Quasiphasenanpassung zwischen der ersten und der dritten Laserstrahlung im periodisch gepolten Kristall beeinflusst werden und somit auch die Umwandlungsrate der ersten in die zweite Laserstrahlung.
Bezugszeichenliste

1: Lasermodul
2: erste Laserstrahlung a erste Laserstrahlung vor dem Kristall b erste Laserstrahlung nach dem Kristall c erste Laserstrahlung, abgetrennt
3: zweite Laserstrahlung
4: Laserquelle, insbesondere Laserdiode
5: Saatabschnitt (seed section)
6: Trapezverstärkerabschnitt (tapered section)
7: Strahltransformationsvorrichtung
8: optischer Isolator
9: periodisch gepolter Kristall
10: erste Elektrode
11: zweite Elektrode
12: Element zum Erzeugen eines Magnetfelds
13: Spule
14: Element zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung
15: elektrisches Feld
16: magnetisches Feld
17: zweiter nichtlinearer Kristall

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5321718 A [0002]
US 5644584 A [0003]
US 6021141 A [0003]
EP 1079266 B1 [0005]
JP 2007114527 A [0005]
JP 2007108593 A [0005]
DE 10102683 A1 [0005]
WO 1998018045 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Modulation einer Ausgangsleistung einer zweiten Laserstrahlung (3) mit einer zweiten Wellenlänge umfassend: a. Erzeugen einer ersten Laserstrahlung (2) mit einer ersten Wellenlänge mittels einer Laserquelle (4), b. wenigstens teilweise Umwandlung der ersten Laserstrahlung in die zweite Laserstrahlung mittels wenigstens eines periodisch gepolten Kristalls (9), wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und die Umwandlung eine veränderliche Umwandlungsrate aufweist, c. wenigstens zeitweise quasiphasenangepasstes Betreiben (quasiphasematching condition) des periodisch gepolten Kristalls, d. Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld (15, 16), wobei wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes moduliert wird, wobei die Modulation der Kenngröße eine Modulation der Umwandlungsrate infolge einer Beeinflussung des quasiphasenangepassten Betriebs bewirkt, e. Abtrennen (14) der ersten Laserstrahlung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle im Dauerstrichbetrieb (continous wave – cw) oder im quasikontinuierlichen Betrieb (quasi continuous wave – qcw) betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die modulierte Kenngröße die Feldstärke des elektrischen und/oder magnetischen Feldes ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld und/oder das magnetische Feld einen hochfrequenten Wechselfeldanteil aufweist und die modulierte Kenngröße die Amplitude des Wechselfeldanteils ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsrate einen Maximalwert hat, wenn die Feldstärke des elektrischen und/oder magnetischen Feldes einen Wert Null hat und/oder wenn die Amplitude des Wechselfeldanteils einen Wert Null hat.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle wenigstens eine Laserdiode, insbesondere eine Trapezlaserdiode (tapered diode) umfasst.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische und/oder magnetische Feld bezüglich der Richtung der Laserstrahlung eine Transversalkomponente aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische und/oder magnetische Feld bezüglich der Richtung der Laserstrahlung eine Longitudinalkomponente aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld mittels einer Hochspannung welche zwischen wenigstens zwei Elektroden am Kristall erzeugt wird und/oder das magnetische Feld mittels einer stromdurchflossenen Spule (13) erzeugt wird.
Modulierbarer Laser (1), umfassend: a. eine Laserquelle zum Erzeugen einer ersten Laserstrahlung (2) mit einer ersten Wellenlänge, b. einen periodisch gepolten Kristall (9) zur wenigstens teilweisen Umwandlung der ersten Laserstrahlung in eine zweite Laserstrahlung (3) mit einer zweiten Wellenlänge, wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und wobei die periodische Polung des Kristalls so gewählt ist, dass eine Quasiphasenanpassung (quasiphasematching) der zweiten Laserstrahlung zur ersten Laserstrahlung vorliegt, c. ein Element (14) zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit welcher der periodisch gepolte Kristall mit einem veränderlichen elektrischen und/oder magnetischen Feld (15, 16) beaufschlagt werden kann, so dass eine Unterdrückung der Umwandlung infolge einer Aufhebung der Quasiphasenanpassung bewirkt werden kann und dass wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes mit einem vorgegebenen Signal modulierbar ist.
Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle für einen Dauerstrichbetrieb (continuous wave – cw) oder einen quasikontinuierlichen Betrieb (quasi continuous wave – qcw) vorgesehen ist.