DE102016107499A1 - Frequency doubling and method for generating electromagnetic radiation - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzverdoppler für elektromagnetische Strahlung mit einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall, der so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er in einem Betrieb des Frequenzverdopplers aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz, die in den Verdopplerkristall einstrahlbar ist, elektromagnetische Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt, und einem Resonator für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz, wobei der Verdopplerkristall in dem Resonator angeordnet ist. Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Frequenzverdoppler bereitzustellen der eine gesteigerte Effizienz der Wandlung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in die elektromagnetische Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in dem Resonator zusätzlich zu dem Verdopplerkristall ein Filter mit einer frequenzabhängigen Dämpfung für elektromagnetische Strahlung vorzusehen, wobei die Dämpfung bei einer Mittenfrequenz geringer ist als bei Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Mittenfrequenz und wobei das Filter derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Mittenfrequenz gleich der Fundamentalfrequenz ist.The present invention relates to a frequency doubler for electromagnetic radiation with a non-linear optical doubler crystal, which is designed and arranged so that it in an operation of the frequency doubling of electromagnetic radiation with a fundamental frequency, which is einstrahlbar in the doubling crystal, electromagnetic radiation with respect to the fundamental frequency generates a doubled frequency, and a resonator for the electromagnetic radiation with the fundamental frequency, wherein the doubler crystal is arranged in the resonator. In contrast, it is an object of the present invention to provide a frequency doubler having an increased efficiency of conversion of the electromagnetic radiation having the fundamental frequency into the electromagnetic radiation having the frequency doubled from the fundamental frequency. To achieve this object, the invention proposes to provide in the resonator in addition to the doubler crystal a filter with a frequency-dependent attenuation for electromagnetic radiation, wherein the attenuation at a center frequency is lower than at frequencies above or below the center frequency and wherein the filter configured and arranged is that the center frequency is equal to the fundamental frequency.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzverdoppler für elektromagnetische Strahlung mit einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall, der so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er in einem Betrieb des Frequenzverdopplers aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz, die in den Verdopplerkristall einstrahlbar ist, elektromagnetische Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt, und einem Resonator für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz, wobei der Verdopplerkristall in dem Resonator angeordnet ist.The present invention relates to a frequency doubler for electromagnetic radiation with a non-linear optical doubler crystal, which is designed and arranged so that it in an operation of the frequency doubling of electromagnetic radiation with a fundamental frequency, which is einstrahlbar in the doubling crystal, electromagnetic radiation with respect to the fundamental frequency generates a doubled frequency, and a resonator for the electromagnetic radiation with the fundamental frequency, wherein the doubler crystal is arranged in the resonator.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber einer Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz mit den Schritten: Anordnen eines nichtlinear optischen Verdopplerkristalls in einem Resonator für elektromagnetische Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz, Einstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in den Resonator und Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz in dem Verdopplerkristall.The present invention also relates to a method for generating electromagnetic radiation having a frequency doubled from a fundamental frequency, comprising the steps of: placing a nonlinear optical doubler crystal in a resonator for electromagnetic radiation having a fundamental frequency, irradiating the electromagnetic radiation having the fundamental frequency into the resonator, and generating electromagnetic Radiation having a frequency doubled from the fundamental frequency in the doubler crystal.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, nichtlinear optische Prozesse zur Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung zu nutzen. Anwendungen für eine solche nichtlinear optische Frequenzkonversion ergeben sich insbesondere daraus, dass sich nicht alle Spektralbereiche der elektromagnetischen Strahlung direkt in Form von Laserstrahlung mit Festkörperlasern oder Halbleiterlasern generieren lassen. Daher werden häufig Laseroszillatoren zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz eingesetzt und die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz dann mit Hilfe eines nichtlinear optischen Prozesses in einen Frequenzbereich konvertiert oder gewandelt, der eigentlich erreicht werden soll.From the prior art it is known to use non-linear optical processes for frequency conversion of electromagnetic radiation. Applications for such a non-linear optical frequency conversion result in particular from the fact that not all spectral ranges of the electromagnetic radiation can be generated directly in the form of laser radiation with solid-state lasers or semiconductor lasers. Therefore, laser oscillators are often used to generate electromagnetic radiation having a fundamental frequency, and the electromagnetic radiation having the fundamental frequency is then converted or converted by means of a nonlinear optical process into a frequency range which is actually to be achieved.
Weit verbreitet ist zur Frequenzkonversion die Frequenzverdopplung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz. Dieser Prozess wird auch „second harmonic generation“ (SHG) genannt. Um die Konversion der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in die elektromagnetische Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz möglichst effizient zu gestalten sind zudem aus dem Stand der Technik Frequenzverdoppler bekannt, bei denen der Verdopplerkristall innerhalb eines Resonators für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz angeordnet ist.Widely used for frequency conversion is the frequency doubling to produce the second harmonic of the electromagnetic radiation at the fundamental frequency. This process is also called "second harmonic generation" (SHG). In order to make the conversion of the electromagnetic radiation with the fundamental frequency into the electromagnetic radiation with the frequency doubled compared to the fundamental frequency as efficient as possible frequency doubling are known from the prior art, in which the doubling crystal is arranged within a resonator for the electromagnetic radiation with the fundamental frequency ,
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Frequenzverdoppler für elektromagnetische Strahlung sowie ein Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber einer Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz bereitzustellen, welche eine gesteigerte Effizienz der Wandlung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in die elektromagnetische Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz ermöglichen.Compared to this prior art, it is an object of the present invention to provide a frequency doubling for electromagnetic radiation and a method for generating electromagnetic radiation with a frequency doubled compared to a fundamental frequency, which increased efficiency of the conversion of the electromagnetic radiation with the fundamental frequency in the electromagnetic radiation allow the frequency doubled compared to the fundamental frequency.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Frequenzverdoppler für elektromagnetische Strahlung vorgeschlagen mit einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall, der so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er in einem Betrieb des Frequenzverdopplers aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz, die in den Verdopplerkristall einstrahlbar ist, elektromagnetische Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt, und einem Resonator für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz, wobei der Verdopplerkristall in dem Resonator angeordnet ist, wobei in dem Resonator zusätzlich zu dem Verdopplerkristall ein Filter mit einer frequenzabhängigen Dämpfung für elektromagnetische Strahlung vorgesehen ist, wobei die Dämpfung bei einer Mittenfrequenz geringer ist als bei Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Mittenfrequenz und wobei das Filter derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Mittenfrequenz gleich der Fundamentalfrequenz ist.To achieve this object, a frequency doubler for electromagnetic radiation is proposed according to the invention with a nonlinear optical doubler crystal, which is designed and arranged so that it in an operation of the frequency doubler of electromagnetic radiation with a fundamental frequency, which is einstrahlbar in the doubling crystal, electromagnetic radiation with a generated frequency doubled compared to the fundamental frequency, and a resonator for the electromagnetic radiation with the fundamental frequency, wherein the doubler crystal is arranged in the resonator, wherein in the resonator in addition to the doubler crystal a filter with a frequency-dependent attenuation for electromagnetic radiation is provided, wherein the attenuation is lower at a center frequency than at frequencies above or below the center frequency, and wherein the filter is configured and arranged such that the center frequency Glei ch is the fundamental frequency.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Idee ist es, eine Rückkonversion von elektromagnetischer Strahlung mit der zu erzeugenden, verdoppelten Frequenz zurück in elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz bzw. mit einer der Fundamentalfrequenz ähnlichen Frequenz zu verhindern. Zu diesem Zweck ist in dem Resonator erfindungsgemäß zusätzlich zu dem Verdopplerkristall ein frequenzselektives Filter angeordnet. Die Frequenzselektivität des Filters drückt sich darin aus, dass es eine Dämpfung für elektromagnetische Strahlung einfügt, die bei einer Mittenfrequenz, die im Wesentlichen gleich der Fundamentalfrequenz ist, geringer ist als bei Frequenzen oberhalb und/oder unterhalb der Mittenfrequenz. Für den zu erreichenden Zweck muss dieses Filter derart gewählt sein, dass es elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz mit einer möglichst geringen Abschwächung transmittiert. Demgegenüber gilt es die Frequenzen zwischen der Fundamentalfrequenz und der verdoppelten Frequenz stärker abzuschwächen, da diese mögliche Zielfrequenzen einer Rückkonversion bilden.The idea underlying the invention is to prevent reverse conversion of electromagnetic radiation having the doubled frequency to be generated back into electromagnetic radiation at the fundamental frequency or at a frequency similar to the fundamental frequency. For this purpose, a frequency-selective filter according to the invention is arranged in addition to the doubler crystal in the resonator. The frequency selectivity of the filter is expressed by the fact that it introduces an attenuation for electromagnetic radiation which is lower at a center frequency which is substantially equal to the fundamental frequency than at frequencies above and / or below the center frequency. For the purpose to be achieved, this filter must be chosen such that it transmits electromagnetic radiation with the fundamental frequency with the lowest possible attenuation. In contrast, it is necessary to attenuate the frequencies between the fundamental frequency and the doubled frequency more, since these possible target frequencies of a reverse conversion form.
Insbesondere ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Dämpfung, welche das frequenzselektive Filter hat, für die Fundamentalfrequenz geringer als für Frequenzen zwischen der Fundamentalfrequenz und der verdoppelten Frequenz.In particular, in one embodiment of the invention, the damping, which is the Frequency-selective filter has, for the fundamental frequency lower than for frequencies between the fundamental frequency and the doubled frequency.
Ist in einer Ausführungsform das frequenzselektive Filter in Strahlrichtung der in den Resonator eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz hinter dem nichtlinear optischen Verdopplerkristall angeordnet, so muss das frequenzselektive Filter auch die elektromagnetische Strahlung mit der verdoppelten Frequenz, welche in dem nichtlinearen Kristall erzeugt werden soll, mit einer möglichst geringen Abschwächung transmittieren. Mit anderen Worten muss dann auch die verdoppelte Frequenz außerhalb der Bandbreite des frequenzselektiven Filters liegen.In one embodiment, if the frequency-selective filter is arranged in the beam direction of the electromagnetic radiation having the fundamental frequency behind the nonlinear optical doubler crystal in the resonator, then the frequency-selective filter must also carry the electromagnetic radiation with the doubled frequency which is to be generated in the nonlinear crystal transmit the least possible attenuation. In other words, then the doubled frequency must be outside the bandwidth of the frequency-selective filter.
Für die Ausgestaltung des Filters reicht es in einer Ausführungsform aus, wenn dieses elektromagnetische Strahlung, welche durch einen OPO-Rückkonversionsprozess erzeugt wird, entweder bei der Frequenz der Signal-Strahlung oder bei der Frequenz der Idler-Strahlung reduziert. Aufgrund dessen, dass der OPO-Prozess zweifach resonant ist, genügt die Störung des Prozesses bei einer der beiden Frequenzen. Daher genügt es, dass das Filter entweder für Frequenzen oberhalb der Mittenfrequenz oder unterhalb der Mittenfrequenz eine Dämpfung aufweist, die größer ist als die Dämpfung bei der Mittenfrequenz.In an embodiment, it is sufficient for the design of the filter if this reduces electromagnetic radiation, which is generated by an OPO back conversion process, either at the frequency of the signal radiation or at the frequency of the idler radiation. Due to the fact that the OPO process is doubly resonant, the disturbance of the process at one of the two frequencies is sufficient. Therefore, it is sufficient for the filter to have attenuation greater than the center frequency attenuation either for frequencies above the center frequency or below the center frequency.
Grundsätzlich ist es wünschenswert eine hohe Leistungsdichte der Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in dem Verdopplerkristall bereitzustellen, da die Konversionseffizienz mit der Leistungsdichte in dem Kristall skaliert. Man hat festgestellt, dass die Anordnung des nichtlinear optischen Verdopplerkristalls innerhalb eines Resonators, welcher für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz resonant ist, auf diese Weise zu einer Erhöhung der Konversionseffizienz und damit zur Erhöhung der Ausgangsleistung der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz führt.Basically, it is desirable to provide a high power density of the fundamental frequency radiation in the doubler crystal because the conversion efficiency scales with the power density in the crystal. It has been found that the arrangement of the non-linear optical doubling crystal within a resonator, which is resonant for the electromagnetic radiation with the fundamental frequency, in this way leads to an increase in the conversion efficiency and thus to increase the output power of the electromagnetic radiation with the doubled frequency.
Jedoch zeigt sich, dass bei Erfüllung bestimmter Randbedingungen der nichtlinear optische Kristall nicht nur als Verdopplerkristall für die Strahlung mit der Fundamentalfrequenz wirkt, sondern gleichzeitig von dem Verdopplerkristall und dem Resonator ein optisch parametrischer Oszillator (OPO) gebildet wird. Ein solcher, von Strahlung mit der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz gepumpter OPO wird auch als subharmonisch gepumpter OPO bezeichnet. Der OPO wird von der erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz als Pumpstrahlung getrieben und erzeugt Signal- und Idler-Strahlung mit Frequenzen in der Umgebung der Fundamentalfrequenz. Dabei ist aufgrund der einzuhaltenden Phasenanpassungsbedingungen eine Rückkonversion zur exakten Fundamentalfrequenz physikalisch ausgeschlossen, sodass die Frequenzen der Signal- und Idler-Strahlung des Rückkonversionsprozesses neben der Linie der Fundamentalfrequenz liegen.However, it turns out that when certain boundary conditions are met, the non-linear optical crystal not only acts as a doubler crystal for the fundamental frequency radiation, but at the same time an optical parametric oscillator (OPO) is formed by the doubling crystal and the resonator. Such a pumped OPO frequency of radiation at the frequency doubled from the fundamental frequency is also referred to as subharmonically pumped OPO. The OPO is driven by the generated electromagnetic radiation at twice the frequency as pump radiation and generates signal and idler radiation at frequencies in the vicinity of the fundamental frequency. In this case, because of the phase matching conditions to be met, a back conversion to the exact fundamental frequency is physically precluded so that the frequencies of the signal and idler radiation of the back conversion process are adjacent to the line of the fundamental frequency.
Werden durch den beschriebenen Rückkonversionsprozess Signal- und Idler-Strahlung mit einer nicht vernachlässigbaren Leistung generiert, so reduziert dies die Ausgangsleistung des Frequenzverdopplers bei der gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erheblich. Da der Rückkonversionsprozess zudem zweifachresonant ist, d.h. sowohl für die Signal-Strahlung als auch für die Idler-Strahlung müssen Resonanzbedingungen des Resonators erfüllt sein, ist dieser Prozess empfindlich gegenüber thermischen und mechanischen Einflüssen auf den Resonator. Der Rückkonversionsprozess ist somit instabil, was wiederum zu einem erhöhten Intensitätsrauschen der erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz führt.If the described back-conversion process generates signal and idler radiation with a non-negligible power, this considerably reduces the output power of the frequency doubler at the frequency doubled compared to the fundamental frequency. In addition, since the reconversion process is two-fold resonant, i. For both the signal radiation and the idler radiation resonating conditions of the resonator must be met, this process is sensitive to thermal and mechanical influences on the resonator. The back conversion process is thus unstable, which in turn leads to increased intensity noise of the electromagnetic radiation generated at the doubled frequency.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher die Dämpfung des Filters bei der durch den subharmonischen OPO-Prozess generierten Signal- oder Idler-Frequenzen gerade so groß, dass die Leistungsschwelle des subharmonischen OPO-Prozesses unterschritten wird. In one embodiment of the invention, therefore, the attenuation of the filter at the signal or idler frequencies generated by the subharmonic OPO process is just so great that the power threshold of the subharmonic OPO process is undershot.
Die Rückkonversion zu Frequenzen in der Umgebung der Fundamentalfrequenz tritt in Ausführungsformen dann auf, wenn die Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz im Verdopplerkristall einen Schwellenwert übersteigt, bei welchem der OPO-Rückkonversionsprozess einsetzt.The back conversion to frequencies in the environment of the fundamental frequency occurs in embodiments when the power density of the electromagnetic radiation with the fundamental frequency in the doubler crystal exceeds a threshold at which the OPO back conversion process starts.
Die erforderlichen Leistungsdichten werden in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere dann erreicht, wenn die Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in den Verdopplerkristall zu einer sehr kleinen Strahltaille innerhalb des Verdopplerkristalls führt. Ein Absenken der Leistungsdichte in dem Verdopplerkristall unter die für den Rückkonversionsprozess kritische Schwelle könnte durch eine Aufweitung der Strahltaille in dem Kristall erreicht werden. Einer solchen Vergrößerung der Strahltaille sind allerdings dann Grenzen gesetzt, wenn in einer Ausführungsform der Verdopplerkristall in einer Richtung senkrecht zu einer Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung in dem Resonator eine Abmessung aufweist, die sehr klein ist. Dies unter der Voraussetzung, dass eine Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung bei der Fundamentalfrequenz innerhalb des Resonators in den Verdopplerkristall so gewählt ist, dass über die gesamte Länge des Kristalls hinweg der Strahldurchmesser der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz geringer ist als die Breite und die Höhe des Kristalls. Dabei bedeutet in einer Ausführungsform der Erfindung sehr klein im Sinne der vorliegenden Anmeldung, dass eine Abmessung des Verdopplerkristalls in einer Richtung senkrecht zu einer Strahlrichtung 2 mm oder weniger und vorzugsweise 1 mm oder weniger beträgt. Diese Abmessung des Verdopplerkistalls ist dann über die gesamte Länge des Kristall hinweg größer als der Durchmesser der fokussierten Strahlung mit der Fundamentalfrequenz oder in einer Ausführungsform mindestens etwa dreimal größer als der Strahldurchmesser. Dabei wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung als Strahldurchmesser der Durchmesser eines Kreises bezeichnet, bei dem die Intensität der elektromagnetischen Strahlung auf 1/e2 abgefallen ist. Bei einer derartigen Fokussierung wird typischerweise im Kristall die Leistungsschwelle für den OPO-Prozess überschritten.The required power densities are achieved in embodiments of the present invention, in particular, when the focusing of the electromagnetic radiation with the fundamental frequency into the doubler crystal results in a very small beam waist within the doubling crystal. Lowering the power density in the doubling crystal below the threshold critical for the back conversion process could be achieved by widening the beam waist in the crystal. However, such an enlargement of the beam waist is limited if, in one embodiment, the doubler crystal in a direction perpendicular to a beam direction of the electromagnetic radiation in the resonator has a dimension which is very small. This is provided that focusing of the electromagnetic radiation at the fundamental frequency within the resonator in the doubler crystal is selected such that over the entire length of the crystal the beam diameter of the electromagnetic radiation having the fundamental frequency is less than the width and height of the crystal , In one embodiment, this means Invention very small in the sense of the present application, that a dimension of the doubler crystal in a direction perpendicular to a beam direction 2 mm or less and preferably 1 mm or less. This dimension of the doubling crystal is then greater over the entire length of the crystal than the diameter of the focused radiation at the fundamental frequency or, in one embodiment, at least about three times greater than the beam diameter. For the purposes of the present application, the diameter of a circle in which the intensity of the electromagnetic radiation has dropped to 1 / e 2 is referred to as the beam diameter. Such focusing typically exceeds the performance threshold for the OPO process in the crystal.
Zwar ist es ggf. möglich, Kristalle zu wählen, welche einen Querschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz aufweisen, welcher groß genug ist, so dass eine geringere Fokussierung möglich ist, um die Leistungsdichte unter den Schwellenwert für den OPO-Prozess zu reduzieren. Allerdings ist in einer Ausführungsform der Erfindung der nichtlinear optische Verdopplerkristall ein periodisch gepolter Kristall, bspw. ein periodisch gepolter Lithiumniobatkristall. Mit derartigen periodischen Polungen eines nichtlinear optischen Kristalls lassen sich Kristalle maßschneidern, welche für die Verdopplung einer ausgewählten Fundamentalfrequenz oder eines ausgewählten Bereichs von Fundamentalfrequenzen geeignet sind. Although it may be possible to choose crystals which have a cross-section perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic radiation with the fundamental frequency which is large enough so that a lower focus is possible to the power density below the threshold value for the OPO process to reduce. However, in one embodiment of the invention, the non-linear optical doubling crystal is a periodically poled crystal, for example a periodically poled lithium niobate crystal. With such periodic polarities of a non-linear optical crystal, crystals suitable for doubling a selected fundamental frequency or a selected range of fundamental frequencies can be tailored.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Verdopplerkristall ein periodisch gepolter nichtlinear optischer Kristall. Dieser hat in einer Ausführungsform eine als klein geltenden Polungsperiode, nämlich eine Polungsperiode von 30 μm oder weniger, vorzugsweise eine Polungsperiode in einem Bereich von 4 μm bis 20 μm.In one embodiment of the invention, the doubler crystal is a periodically poled nonlinear optical crystal. This has, in one embodiment, a poling period considered to be small, namely a poling period of 30 μm or less, preferably a poling period in a range of 4 μm to 20 μm.
Derartige periodisch gepolte nichtlinear optische Kristalle lassen sich aber derzeit nur mit einer Abmessung in einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung herstellen, die typischerweise etwa das Hundertfache der Polungsperiode beträgt.However, such periodically poled nonlinear optical crystals can currently only be made with a dimension in a direction perpendicular to the beam direction, which is typically about one hundred times the poling period.
Eine Abstimmbarkeit des Frequenzverdopplers wird in einer Ausführungsform der Erfindung derart realisiert, dass die verdoppelte Frequenz durch Abstimmen der in dem Betrieb des Frequenzverdopplers in den Verdopplerkristall eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz abgestimmt wird. Eine Einstellung der Phasenanpassung des Verdopplerkristalls für eine gewünschte Fundamentalfrequenz kann dabei durch Einstellen einer Temperatur des Kristalls oder auch der Polungsperiode des Kristalls erfolgen.A tunability of the frequency doubler is realized in one embodiment of the invention such that the doubled frequency is tuned by tuning the radiated in the operation of the frequency doubler in the doubler crystal electromagnetic radiation with the fundamental frequency. An adjustment of the phase matching of the doubler crystal for a desired fundamental frequency can be done by adjusting a temperature of the crystal or the poling period of the crystal.
Soll der Frequenzverdoppler abstimmbar ausgestaltet sein, sodass die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz einstellbar ist, so muss zusätzlich zur Ausgestaltung des nichtlinear optischen Verdopplerkristalls die Resonatorbedingung auch für eine ganze Bandbreite von Fundamentalfrequenzen erfüllt sein. Diese Notwendigkeit für die Abstimmbarkeit des Frequenzverdopplers führt aber auch dazu, dass für Signal- und Idler-Strahlung aus dem Rückkonversionsprozess um die Fundamentalfrequenz herum ebenfalls die Resonanzbedingung des Resonators erfüllt ist. Dies wiederum begünstigt den Rückkonversionsprozess.If the frequency doubler is designed to be tunable, so that the frequency of the electromagnetic radiation with the doubled frequency can be set, then, in addition to the configuration of the nonlinear optical doubling crystal, the resonator condition must also be satisfied for a whole bandwidth of fundamental frequencies. However, this need for the tunability of the frequency doubler also means that the resonance condition of the resonator is also fulfilled for signal and idler radiation from the back conversion process around the fundamental frequency. This in turn favors the reconversion process.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher eine Bandbreite des Filters, über welche dieses eine Dämpfung einfügt, die größer ist als die Dämpfung bei der Mittenfrequenz, kleiner als ein Frequenzbereich, in welchem Spiegel des Resonators für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz reflektierend sind.In one embodiment of the invention, therefore, a bandwidth of the filter over which it introduces an attenuation greater than the attenuation at the center frequency is smaller than a frequency range in which mirrors of the resonator are reflective to the fundamental frequency electromagnetic radiation.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Spiegel des Resonators für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz über eine Bandbreite von mindestens 100 nm, vorzugsweise von mindestens 200 nm und besonders bevorzugt von mindestens 400 nm hoch reflektierend.In one embodiment of the invention, the mirrors for the electromagnetic radiation having the fundamental frequency are highly reflective over a bandwidth of at least 100 nm, preferably of at least 200 nm and particularly preferably of at least 400 nm.
Dabei treten parasitäre Rückkonversionsprozesse aber bereits bei Spiegeln auf, die über eine Bandbreite von mindestens 1 nm oder von mindestens 5 nm oder von mindestens 10 nm um die Wellenlänge der Fundamentalfrequenz herum hoch reflektierend sind.However, parasitic back-conversion processes already occur at levels which are highly reflective over a bandwidth of at least 1 nm or at least 5 nm or of at least 10 nm around the wavelength of the fundamental frequency.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Spiegel für die elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in einem Wellenlängenbereich von 1.000 nm bis 1.200 nm, vorzugsweise von 900 nm bis 1.300 nm reflektierend.In one embodiment of the invention, the electromagnetic radiation levels at the fundamental frequency are reflective in a wavelength range of 1,000 nm to 1,200 nm, preferably 900 nm to 1,300 nm.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Resonator ein linearer Resonator mit mindestens zwei Spiegeln. Allerdings ist das Konzept der vorliegenden Erfindung unabhängig von der konkreten Form des Resonators. Daher sind auch andere Formen von Resonatoren, insbesondere ein Ringresonator oder ein Bow-Tie Resonator, zur Realisierung der vorliegenden Erfindung geeignet.In one embodiment of the invention, the resonator is a linear resonator with at least two mirrors. However, the concept of the present invention is independent of the concrete shape of the resonator. Therefore, other forms of resonators, in particular a ring resonator or a Bow-Tie resonator, are suitable for implementing the present invention.
Soll der Frequenzverdoppler, d.h. die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im Ausgang des Frequenzverdopplers mit der verdoppelten Frequenz, abstimmbar sein, so ist es in einer Ausführungsform der Erfindung zweckmäßig, wenn das Filter derart ausgestaltet ist, dass die Mittenfrequenz des Filters ebenfalls abstimmbar ist.If the frequency doubler, i. the frequency of the electromagnetic radiation in the output of the frequency doubler with the doubled frequency, tunable, so it is expedient in one embodiment of the invention, when the filter is designed such that the center frequency of the filter is also tuned.
Als Filter eignet sich in einer Ausführungsform der Erfindung entweder ein Fabry-Perot-Etalon oder ein Lyot-Filter. Diese sind in Ausführungsformen ebenfalls abstimmbar, sodass sich die Mittenfrequenz des Filters in dem Resonator einstellen lässt. Ist das Filter ein Fabry-Perot-Etalon, so kann die Frequenzabstimmung bspw. durch Verkippen des Etalons im Strahlpfad innerhalb des Resonators erfolgen. Ist das e Filter ein Lyot-Filter, so kann eine Abstimmung der Mittenfrequenz des Filters insbesondere durch Verdrehen bzw. Verschwenken des Lyot-Filters erfolgen. In one embodiment of the invention, either a Fabry-Perot etalon or a Lyot filter is suitable as a filter. These are also tunable in embodiments so that the center frequency of the filter in the resonator can be adjusted. If the filter is a Fabry-Perot etalon, the frequency tuning can be done, for example, by tilting the etalon in the beam path within the resonator. If the e filter is a Lyot filter, the center frequency of the filter can be tuned in particular by turning or pivoting the Lyot filter.
Ist das Filter ein Fabry-Perot-Etalon, so weist dieses in einer Ausführungsform der Erfindung einen freien Spektralbereich („free spectral range“; FSR) mit einem Wert in einem Bereich von 100 GHz bis 3 THz auf.If the filter is a Fabry-Perot etalon, then in one embodiment of the invention it has a free spectral range (FSR) with a value in a range of 100 GHz to 3 THz.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Filter ein Fabry-Perot-Etalon und weist eine Finesse in einem Bereich von 0,5 bis 10 auf.In one embodiment of the invention, the filter is a Fabry-Perot etalon and has a finesse in a range of 0.5 to 10.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Filter eine Halterung auf, wobei die Halterung derart ausgestaltet ist, dass das Filter in einen Strahlpfad der elektromagnetischen Strahlung in dem Resonator oder aus diesem heraus bewegbar ist. In einer Ausführungsform kann diese Bewegung motorisch angetrieben sein.In a further embodiment of the invention, the filter has a holder, wherein the holder is designed such that the filter is movable into or out of a beam path of the electromagnetic radiation in the resonator. In one embodiment, this movement may be motor driven.
Eine solche Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass sie eine Anpassung des Frequenzverdopplers im Betrieb an die Pumpleistung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz ermöglicht. Da nennenswerte Rückkonversion aufgrund des ihr zugrundeliegenden OPO-Prozesses erst ab einem gewissen Schwellenwert der Leistungsdichte in dem Verdopplerkristall einsetzt, kann auf das Filter in dem Resonator so lange verzichtet werden, so lange die Pumpleistung bei der Fundamentalfrequenz unterhalb des Schwellenwertes bleibt. Erst darüber muss zur Stabilisierung des Frequenzverdopplungsprozesses das Filter in den Strahlpfad bewegt werden.Such an embodiment has the advantage that it allows an adaptation of the frequency doubler in operation to the pump power of the electromagnetic radiation with the fundamental frequency. Since appreciable reverse conversion due to the underlying OPO process begins only after a certain threshold of power density in the doubler crystal, the filter in the resonator can be omitted so long as the pump power at the fundamental frequency remains below the threshold. Only then must the filter be moved into the beam path to stabilize the frequency doubling process.
Zudem ermöglicht es ein in den Strahlpfad einbringbares und wieder aus diesem entfernbares Filter eine einfachere Justierung des Frequenzverdopplers im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz. Das Filter kann in einer solchen Ausführungsform nach dem Einjustieren, d.h. dem Optimieren der Ausgangsleistung der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz, in den Strahlengang eingebracht werden.In addition, a filter that can be introduced into and removed from the beam path makes it easier to adjust the frequency doubler in the beam path of the electromagnetic radiation with the fundamental frequency. The filter may in such an embodiment after adjustment, i. optimizing the output power of the electromagnetic radiation with the doubled frequency, are introduced into the beam path.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Filter in dem Strahlengang in dem Resonator hinein und aus diesem hinaus verschwenkbar.In one embodiment of the invention, the filter is pivotable in and out of the beam path in the resonator.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem von einem System gelöst mit einem Laser und/oder einem optisch parametrischen Oszillator zum Erzeugen der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz und einem Frequenzverdoppler, so wie er in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zuvor beschrieben wurde, wobei der Frequenzverdoppler in einem Strahlpfad der in dem Betrieb von dem Laser oder optisch parametrischen Oszillator erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz angeordnet ist, sodass der Frequenzverdoppler elektromagnetische Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz erzeugt und abstrahlt. Währen in einer Ausführungsform der Erfindung das System aus einem Laser oder einem optisch parametrischen Oszillator und dem Frequenzverdoppler besteht, gibt es Ausführungsformen, in denen das System einen Laser, einen optisch parametrischen Oszillator sowie den Frequenzverdoppler umfasst, wobei in diesem Fall der Laser den optisch parametrischen Oszillator pumpt und der optisch parametrische Oszillator den Frequenzverdoppler.The above object is further achieved by a system comprising a laser and / or an optical parametric oscillator for generating the electromagnetic radiation with the fundamental frequency and a frequency doubler, as previously described in embodiments of the present invention, the frequency doubler in a beam path is arranged in the operation of the laser or optical parametric oscillator and radiated electromagnetic radiation at the fundamental frequency, so that the frequency doubler generates and emits electromagnetic radiation at a frequency doubled relative to the fundamental frequency. While in one embodiment of the invention the system consists of a laser or an optical parametric oscillator and the frequency doubler, there are embodiments in which the system comprises a laser, an optical parametric oscillator and the frequency doubler, in which case the laser is the optically parametric one Oscillator pumps and the optical parametric oscillator the frequency doubler.
Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber einer Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz gelöst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anordnen eines nichtlinear optischen Verdopplerkristalls in einem Resonator für elektromagnetische Strahlung mit einer Fundamentalfrequenz, Einstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalfrequenz in den Resonator, Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber der Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz in dem Verdopplerkristall und Einfügen einer Dämpfung für elektromagnetische Strahlung in dem Resonator, wobei die Dämpfung für elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz kleiner ist als für Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Fundamentalfrequenz, sodass eine Rückkonversion der elektromagnetischen Strahlung mit der verdoppelten Frequenz in elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz zwischen der Fundamentalfrequenz und der verdoppelten Frequenz reduziert wird.Furthermore, the above object is also achieved by a method of generating electromagnetic radiation having a frequency doubled from a fundamental frequency, the method comprising the steps of: arranging a nonlinear optical doubler crystal in a resonator for electromagnetic radiation having a fundamental frequency, irradiating the electromagnetic radiation introducing the fundamental frequency into the resonator, generating electromagnetic radiation having a frequency doubled from the fundamental frequency in the doubler crystal, and introducing an attenuation for electromagnetic radiation in the resonator, wherein the attenuation for electromagnetic radiation having the fundamental frequency is smaller than for frequencies above or below the fundamental frequency, so that a reverse conversion of the electromagnetic radiation with the doubled frequency into electromagnetic radiation with a frequency between the Fund Amentalfrequenz and the doubled frequency is reduced.
Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf den Frequenzverdoppler beschrieben wurden, so gelten diese auch für das Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung mit einer gegenüber einer Fundamentalfrequenz verdoppelten Frequenz. Dabei umfasst das Verfahren diejenigen Schritte, die anhand der entsprechenden Einrichtungen des Frequenzverdopplers zuvor beschrieben wurden. Insbesondere sind aber auch Ausführungsformen des Frequenzverdopplers zum Ausführen des verschiedenen Verfahrens geeignet.As far as aspects of the invention with respect to the frequency doubler have been described before, they also apply to the method for generating electromagnetic radiation having a frequency doubled relative to a fundamental frequency. In this case, the method comprises those steps which have been described above on the basis of the corresponding devices of the frequency doubler. In particular, embodiments of the frequency doubler are also suitable for carrying out the different method.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figur deutlich. Further advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment and the associated figure.
Zum einfacheren Verständnis sind in der
Der Frequenzverdoppler
Um eine effiziente Frequenzverdopplung des gewählten Fundametalwellenlängenbereichs zu erzielen, handelt es sich bei dem Verdopplerkristall
Folglich sind in der gezeigten Ausführungsform (in der Figur nicht zu erkennen) die Spiegel
Das Etalon
Zudem ist in der dargestellten Ausführungsform das Etalon
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesebarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.For purposes of the original disclosure, it is to be understood that all such features as will become apparent to those skilled in the art from the present description, the drawings, and the claims, while concretely described only in connection with certain other features, both individually and separately any combination with other of the features or feature groups disclosed herein are combinable, unless this has been expressly excluded or technical conditions make such combinations impossible or pointless. On the comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is omitted here only for the sake of brevity and readability of the description.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description, such illustration and description is exemplary only and is not intended to limit the scope of the protection as defined by the claims. The invention is not limited to the disclosed embodiments.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.Variations of the disclosed embodiments will be apparent to those skilled in the art from the drawings, the description and the appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a" or "an" does not exclude a plurality. The mere fact that certain features are claimed in different claims does not exclude their combination. Reference signs in the claims are not intended to limit the scope of protection.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- elektromagnetische Strahlung mit der Fundamentalfrequenz electromagnetic radiation with the fundamental frequency
- 22
- elektromagnetische Strahlung mit der verdoppelten Frequenz electromagnetic radiation with twice the frequency
- 33
- Frequenzverdoppler frequency doubler
- 44
- Spiegel mirror
- 55
- Spiegel mirror
- 66
- Verdopplerkristall doubler
- 77
- Fabry-Perot-Etalon Fabry-Perot etalon
- 8, 88, 8
-
Oberfläche des Etalons
7 Surface of the etalon7
Claims (14)
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