DE102016112343B3

DE102016112343B3 - Vorrichtung und Verfahren zur nichtlinearen Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE102016112343B3
Application number: DE102016112343.9A
Authority: DE
Inventors: Jens Kiessling; Markus Leidinger; Frank Kühnemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-07-06
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2036-07-07

Abstract

Eine Bestimmung des Maximums der Frequenzkonversion eines nichtlinear optischen Prozesses ist bisher zeitaufwändig und fehleranfällig. Daher wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgeschlagen mit einem nichtlinear optischen Material mit einer Seitenfläche und einer Transmissionsrichtung, wobei das nichtlinear optische Material so ausgestaltet ist, dass sich in einem Betrieb der Vorrichtung die konvertierte elektromagnetische Strahlung in der Transmissionsrichtung durch den nichtlinear optischen Material ausbreitet, so dass sich die Seitenfläche und die Transmissionsrichtung nicht schneiden, einem derart wirksam mit dem nichtlinear optischen Material verbundenen Stellglied, dass eine Phasenanpassung des nichtlineare optischen Materials bei der Frequenzkonversion mit dem Stellglied einstellbar ist, einer Kamera, wobei die Kamera derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung ein Bild der Seitenfläche des nichtlinear optischen Materials erfasst, und einem derart wirksam mit der Kamera und dem Stellglied verbundenen Regler, dass der Regler das Bild von der Kamera empfängt und eine Stellgröße an das Stellglied ausgibt, wobei der Regler derart ausgestaltet ist, dass der Regler in dem Betrieb der Vorrichtung aus dem Bild eine Regelgröße ableitet, die Regelgröße mit einer Führungsgröße vergleicht und aus einer Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße die Stellgröße bestimmt, so dass eine Phasenfehlanpassung in Transmissionsrichtung des nichtlinear optischen Materials minimiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur nichtlinearen Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung, wie sie z. B. aus der DE 10 2014 017 931 B3 bekannt sind.
Die Konversion elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten Frequenz in elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer zweiten Frequenz in nichtlinear optischen Materialien hat in den vergangenen Jahren eine immer größere Bedeutung erhalten. Die nichtlineare Frequenzkonversion bietet die Möglichkeit, elektromagnetische Strahlung mit ausreichender Intensität und Kohärenz auch in Frequenzbereichen zu generieren, für die Laserquellen nicht, nicht mit ausreichender Intensität oder nicht zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten zur Verfügung stehen.
Frequenzkonversionsprozesse in nichtlinear optischen Medien unterliegen einer Reihe von Randbedingungen, die es einzuhalten gilt, um die Konversion effizient zu gestalten. Die Einhaltung dieser Randbedingungen ist in der Praxis, insbesondere außerhalb des Labors, häufig technisch aufwendig.
Die aus der Impulserhaltung folgende Phasenanpassungsbedingung für die am Konversionsprozess beteiligten elektromagnetischen Wellen muss bei einer Konversion in einem nichtlinear optischen Material möglichst über die gesamte Länge des Materials erfüllt sein, damit der Konversionsprozess effizient abläuft.
Selbst wenn man alle Parameter des nichtlinear optischen Prozesses einstellbar gestaltet, so lässt sich das Maximum der Frequenzkonversion nur aufwendig experimentell ermitteln. Dazu wird typischerweise die Phasenanpassung des nichtlinear optischen Materials mit Hilfe der Temperatur des Materials stark aus dem vermuteten Maximum der Konversionseffizienz heraus abgestimmt, um dann eine Temperaturrampe über das vermutete Maximum der Phasenanpassung zu fahren, während gleichzeitig die Ausgangsleistung der konvertierten elektromagnetischen Strahlung gegen die Temperatur aufgetragen wird. In dieser Auftragung erkennt man schließlich das Maximum der Phasenanpassung und kann danach die Temperatur des nichtlinear optischen Kristalls optimiert einstellen.
Dieses Verfahren ist zum einen sehr zeitaufwändig und zum anderen fehleranfällig. Letzteres insbesondere, da in Abhängigkeit von den gewählten weiteren Parametern des Konversionsprozesses Nebenmaxima existieren.
Demgegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur nichtlinearen Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, welche eine einfach Optimierung der Phasenanpassung des Konversionsprozesses bzw. eine Minimierung der Phasenfehlanpassung des Prozesses ermöglichen.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird durch eine Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung gelöst mit einem nichtlinear optischen Material mit einer Seitenfläche und einer Transmissionsrichtung, wobei das nichtlinear optische Material so ausgestaltet ist, dass sich in einem Betrieb der Vorrichtung die konvertierte elektromagnetische Strahlung in der Transmissionsrichtung durch den nichtlinear optischen Material ausbreitet, so dass sich die Seitenfläche und die Transmissionsrichtung nicht schneiden, einem derart wirksam mit dem nichtlinear optischen Material verbundenen Stellglied, dass eine Phasenanpassung des nichtlineare optischen Materials bei der Frequenzkonversion mit dem Stellglied einstellbar ist, einer Kamera, wobei die Kamera derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung ein Bild der Seitenfläche des nichtlinear optischen Materials erfasst, und einem derart wirksam mit der Kamera und dem Stellglied verbundenen Regler, dass der Regler das Bild von der Kamera empfängt und eine Stellgröße an das Stellglied ausgibt, wobei der Regler derart ausgestaltet ist, dass der Regler in dem Betrieb der Vorrichtung aus dem Bild eine Regelgröße ableitet, die Regelgröße mit einer Führungsgröße vergleicht und aus einer Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße die Stellgröße bestimmt, so dass eine Phasenfehlanpassung in Transmissionsrichtung des nichtlinear optischen Materials minimiert ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das nichtlinear optische Material ein nichtlinear optischer Kristall, insbesondere ein gepolter nichtlinear optischer Kristall. Nichtlineare optische Materialien sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Weise bekannt. Ein Beispiel für einen nichtlinear optischen Kristall ist Lithiumniobat (LiNbO₃).
Grundsätzlich eignet sich die vorliegende Erfindung für alle Typen von nichtlinear optischen Prozessen, insbesondere aber für nichtlinear optische Prozesse zweiter Ordnung (Χ²-Prozesse). Grundsätzlich geeignet sind nichtlinear optische Prozesse, bei denen es zu einer Phasenfehlanpassung über die Länge des nichtlinear optischen Materials hinweg kommen kann. Geeignet sind bspw. eine Frequenzverdopplung (SHG; Second Harmonic Generation) oder auch optisch parametrische Prozesse.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Tatsache, dass in dem nichtlinear optischen Material eine Frequenzkonversion der zu konvertierenden elektromagnetischen Strahlung mit einer ersten Frequenz in die konvertierte elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer zweiten Frequenz erfolgt. Dabei treten in dem nichtlinear optischen Material Streuprozesse auf, die dazu führen, dass die konvertierte elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz nicht nur in Transmissionsrichtung aus dem Kristall austritt, sondern geringe Anteile der konvertierten elektromagnetischen Strahlung an dem Material selbst gestreut werden und durch eine Seitenfläche aus dem nichtlinear optischen Material austreten. Diese Anteile sind für einen Betrachter, aber auch für eine Kamera bzw. einen Detektor sichtbar.
Daher verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine Kamera, die derart eingerichtet und angeordnet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung ein Bild der Seitenfläche des nichtlinear optischen Materials und damit der von dem nichtlinear optischen Material gestreuten konvertierten elektromagnetischen Strahlung mit der zweiten Frequenz erfasst.
Unter einer Kamera im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird jede Art eines Detektors verstanden, der in der Lage ist eine Mehrzahl von Bildpunkten zu erfassen. Insbesondere ist in einer Ausführungsform die Kamera eine Zeilenkamera, wobei die Zeile im Wesentlichen parallel zu einer Längsrichtung der Seitenfläche des nichtlinear optischen Materials und damit zu der Transmissionsrichtung der konvertierten elektromagnetischen Strahlung ausgerichtet ist. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kamera jedoch eine zweidimensionale Matrixanordnung von Sensoren auf. Beispiele für geeignete Kameras zur Realisierung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kamera zudem ein Filter auf, das für die mit Hilfe des nichtlinear optischen Materials konvertierte elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz transparent ist und andere Frequenzkomponenten reduziert.
Entscheidend für die vorliegende Erfindung ist, dass die Phasenanpassung des nichtlinearen optischen Materials einstellbar ist, um eine über die gesamte Länge des nichtlinear optischen Materials hinweg effiziente Konversion zu erreichen. Dabei wird unter einer minimalen Phasenfehlanpassung eine Phasenanpassung in Transmissionsrichtung über die Länge des nichtlinear optischen Materials verstanden, bei der die Intensität der konvertierten elektromagnetischen Strahlung in Transmissionsrichtung von einem Ende des nichtlinear optischen Materials zu dem anderen Ende zunimmt.
Für eine Einstellung der Phasenanpassung des nichtlinear optischen Materials eignet sich ein Parameter des nichtlinearen Frequenzkonversionsprozesses, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Temperatur des nichtlinear optischen Materials, einem Temperaturgradienten des nichtlinear optischen Materials in der Transmissionsrichtung, einer Frequenz der elektromagnetischen Pumpstrahlung, einem Winkel zwischen der elektromagnetischen Pumpstrahlung und einer Achse des nichtlinear optischen Materials, insbesondere einer Kristallachse, einem Winkel zwischen einer Signalstrahlung und einer Achse des nichtlinear optischen Materials, insbesondere einer Kristallachse, oder zwischen einer Idlerstrahlung und einer Achse des nichtlinear optischen Materials, insbesondere einer Kristallachse, oder allgemein einer Position des nichtlinear optischen Materials, oder einer Kombination davon. All diese Parameter sind für sich alleine oder in irgendeiner Kombination miteinander dazu geeignet, die Phasenfehlanpassung über die Länge des nichtlinear optischen Materials einzustellen.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung dient der jeweilige Parameter dann als Stellgröße der in dieser Anmeldung beschriebenen Regelung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Stellglied auf, welches den jeweiligen Parameter einstellbar macht, sodass die Phasenanpassung des nichtlinear optischen Materials bei der Frequenzkonversion einstellbar ist.
Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner erforderlich, dass diese über einen Regler verfügt, welcher die Regelung ausführt. Ein solcher Regler ist in einer Ausführungsform ein Mikroprozessor oder ein Rechner mit einer Software, welche die beschriebenen Verfahrensschritte der Regelung ausführt. Um die Regelung wahrnehmen zu können, ist der Regler wirksam mit der Kamera und dem Stellglied verbunden, sodass der Regler das Bild von der Kamera empfangen und die Stellgröße an das Stellglied ausgeben kann.
Es zeigt sich, dass dann, wenn eine Phasenfehlanpassung des Kristalls vorliegt, oder mit anderen Worten ausgedrückt die Phasenanpassung nicht optimiert ist, der gestreute, durch die Seitenfläche des nichtlinear optischen Materials austretende Teil der konvertierten elektromagnetischen Strahlung eine in Transmissionsrichtung variierende Intensität, d.h. ein Muster in Transmissionsrichtung, aufweist. Dieses Muster mit hellen und dunklen Abschnitten lässt sich dadurch erklären, dass in Transmissionsrichtung in einigen Bereichen die Phasenanpassung gut ist, d.h. eine hohe Konversionseffizienz vorliegt, während sie in anderen Abschnitten oder Bereichen des nichtlinearen Materials schlecht ist, sodass keine Konversion auftritt.
Daher gibt es ein optimiertes Bild der Seitenfläche des Kristalls, welches einer optimierten Phasenanpassung entspricht. Dieses Bild ist die Führungsgröße der hier beschriebenen Regelung bzw. die Führungsgröße lässt sich aus diesem optimierten Bild ableiten.
Darüber hinaus lässt sich aus dem von der Kamera erfassten und von dem Regler empfangenen Bild eine Regelgröße ableiten, wobei sich aus dem Vergleich zwischen der Regelgröße und der Führungsgröße eine Stellgröße bestimmen lässt. Es versteht sich, dass dann wenn die Regelgröße und die Führungsgröße keinerlei Abweichung aufweisen die Stellgröße 0 ist, d.h. keine Einwirkung auf das Stellglied und damit den nichtlinear optischen Prozess erforderlich ist. Weicht die Regelgröße von der Führungsgröße ab, so muss zumindest ein Parameter des nichtlinear optischen Prozesses verändert werden. Dies geschieht dadurch, dass eine von 0 verschiedene Stellgröße an das Stellglied ausgegeben wird und das Stellglied den Parameter und damit die Phasenanpassung des nichtlinear optischen Prozesses ändert.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das Stellglied eine Temperiereinrichtung zum Einstellen einer Temperatur des nichtlinear optischen Kristalls und die Stellgröße umfasst eine Temperatur des nichtlinear optischen Kristalls. Die Temperatur des Kristalls ist insbesondere geeignet, eine Phasenanpassung des nichtlinear optischen Frequenzkonversionsprozesses einzustellen.
In einer Ausführungsform umfasst das Stellglied eine Temperiereinrichtung, wobei die Temperiereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie einen Temperaturgradienten in der Transmissionsrichtung des nichtlinear optischen Kristalls erzeugt, wobei die Stellgröße einen Temperaturgradienten des nichtlinear optischen Kristalls in der Transmissionsrichtung umfasst.
Eine solche Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, da bereits aufgrund der Absorption in dem nichtlinear optischen Material in Transmissionsrichtung dieses einen Temperaturgradienten aufweist, der über die Länge des nichtlinear optischen Materials hinweg zu Phasenfehlanpassungen führen kann. Dieser lässt sich kompensieren, wenn man gewissermaßen gegenheizt, d.h. in Temperiereinrichtung selbst einen Temperaturgradienten erzeugt. Allerdings kann diese Temperiereinrichtung auch genutzt werden, um einen Temperaturgradienten in dem nichtlinear optischen Material zu generieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Temperiereinrichtung ein Ofen oder ein Kühlelement, vorzugsweise ein Peltier-Kühler, oder eine Kombination davon.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Stellglied eine Pumpquelle zum Erzeugen der zu konvertierenden elektromagnetischen Strahlung, die auch als Pumpstrahlung bezeichnet wird, wobei die Frequenz der elektromagnetischen Pumpstrahlung einstellbar ist und wobei die Stellgröße die Frequenz der elektromagnetischen Pumpstrahlung umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Pumpquelle zum Erzeugen elektromagnetischer Pumpstrahlung auf, wobei das Stellglied eine Einrichtung zum Einstellen eines Winkels zwischen der elektromagnetischen Pumpstrahlung und einer Achse des nichtlinear optischen Materials umfasst, und wobei die Stellgröße der Winkel zwischen der elektromagnetischen Pumpstrahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials ist.
In einer Ausführungsform ist die Achse des nichtlinear optischen Materials eine Kristallachse eines nichtlinear optischen Kristalls.
In einem optisch parametrischen Prozess sind in einer Ausführungsform der Erfindung neben der Pumpstrahlung Signal- und Idlerstrahlung beteiligt. Dabei weist in einer Ausführungsform die Vorrichtung eine Quelle zum Erzeugen elektromagnetischer Signal- oder Idlerstrahlung auf, wobei das Stellglied eine Einrichtung zum Einstellen eines Winkels zwischen der Signalstrahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials oder zwischen der Idlerstrahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials umfasst, wobei dann die Stellgröße den Winkel zwischen der Signalstrahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials oder Winkel zwischen der Idlerstrahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials umfasst.
In einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher sich eine Phasenfehlanpassung durch Einstellen eines Winkels zwischen der Pumpstrahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials oder des Winkels zwischen der elektromagnetischen Signalstrahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials oder des Winkels zwischen der elektromagnetischen Idlerstrahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials eingestellt werden kann, ist die Einrichtung zum Einstellen des Winkels, d.h. das Stellglied, eine Verschwenkeinrichtung zum Verschwenken des nichtlinear optischen Materials. Es versteht sich, dass in einer solchen Ausführungsform das nichtlinear optische Material auf der Verschwenkeinrichtung angeordnet bzw. montiert ist.
In einer alternativen Ausführungsform weist das nichtlinear optische Material eine Polung auf, wobei sich die Polungsperiode über die Breite des nichtlinear optischen Materials in einer Richtung senkrecht zur Transmissionsrichtung ändert, wobei das Stellglied eine Translationseinrichtung umfasst, auf der das nichtlinear optische Material befestigt ist, und wobei die Stellgröße eine Position der Translationseinrichtung umfasst.
Derartig gepolte nichtlinear optische Materialien, insbesondere Kristalle werden auch als fan-out-Kristalle bezeichnet. Durch die Aufweitung der einzelnen gepolten Abschnitte des nichtlinear optischen Materials über die Breite des Materials hinweg, d.h. senkrecht zur Transmissionsrichtung, erhält man unterschiedliche Polungsperioden in Abhängigkeit von der Position des nichtlinear optischen Materials in Querrichtung in Bezug auf die elektromagnetische Pumpstrahlung. Daher lässt sich die Phasenanpassung durch eine Translationsbewegung des nichtlinear optischen Materials einstellen.
Unabhängig von der Art des Stellgliedes ist in einer Ausführungsform der Erfindung der Regler derart eingerichtet, dass er zu Beginn eines Regelungsprozesses, beispielsweise nach Einschalten einer Pumplichtquelle, welche die zu konvertierende elektromagnetische Strahlung bereitstellt, das Stellglied mit Hilfe einer definierten Stellgröße derart steuert, dass die Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion in einem bekannten Zustand mit einer Phasenfehlanpassung des nichtlinear optischen Materials ist. Von diesem bekannten Zustand aus lässt sich dann die Stellgröße mit dem richtige Vorzeichen anpassen, so dass die Regelung in verkürzter Zeit eine Minimierung der Phasenfehlanpassung erreicht.
Ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Stellgröße ein Temperaturgradient des nichtlinear optischen Materials in der Transmissionsrichtung und das Stellglied ist eine Temperiereinrichtung, die derart ausgestaltet ist, dass sie einen Temperaturgradienten in der Transmissionsrichtung des nichtlinear optischen Kristalls erzeugt, so ist beispielsweise ein bekannter Zustand der Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion dadurch definiert, dass das nichtlinear optische Material einen bestimmten Temperaturgradienten in Transmissionsrichtung aufweist, wobei die Temperatur des Kristalls in Transmissionsrichtung abnimmt. Das Bild der Seitenfläche des nichtlinear optischen Materials ist dann in dem Sinne eindeutig auswertbar, dass das Vorzeichen der Stellgröße, um von diesem Zustand ausgehend zu einer Minimierung der Phasenfehlanpassung zu gelangen, festgelegt ist.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch durch eine Quelle für elektromagnetische Strahlung mit einer Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion, so wie sie in Ausführungsformen davon zuvor beschrieben wurde, gelöst.
Es versteht sich, dass eine derartige Quelle eine Primärquelle für die elektromagnetische Pumpstrahlung, die in dem nichtlinear optischen Material frequenzkonvertiert wird, umfasst.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Quelle eine Kombination aus einer primären Pumpquelle, insbesondere einem Halbleiterlaser, einem optisch parametrischen Oszillator und einem Frequenzverdoppler, wobei die Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion, so wie sie in Ausführungsformen davon zuvor beschrieben wurde, sowohl für den optisch parametrischen Oszillator als auch für den Frequenzverdoppler oder für beide Verwendung finden kann.
In Ausführungsformen der Erfindung ist eine derartige Quelle abstimmbar, so dass die Frequenz der von der von der Quelle generierten elektromagnetischen Strahlung veränderbar, insbesondere einstellbar veränderbar ist.
Darüber hinaus wird zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben auch durch ein Verfahren zur nichtlinearen Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung gelöst, welches die Schritte aufweist:

– Einstrahlen der zu konvertierenden elektromagnetischen Strahlung in ein nichtlinear optisches Material mit einer Seitenfläche, wobei eine Transmissionsrichtung der konvertierten elektromagnetischen Strahlung die Seitenfläche nicht schneidet,
– Erfassen eines Musters in Transmissionsrichtung der in dem Material gestreuten und durch die Seitenfläche austretenden konvertierten elektromagnetischen Strahlung,
– Vergleichen des erfassten Musters mit einem Soll-Muster und
– Ändern eines Parameters der Frequenzkonversion so lange bis ein Unterschied zwischen dem erfassten Muster und dem Soll-Muster minimal ist.

Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben wurden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zur nichtlinearen Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung und umgekehrt. Soweit das Verfahren mit einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist diese die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere sind aber Ausführungsformen der Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion der elektromagnetischen Strahlung zum Ausführen der hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens geeignet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann, wenn das Muster eine in der Transmissionsrichtung zunehmende Länge von Abschnitten der Seitenfläche aufweist, aus denen konvertierte elektromagnetische Strahlung austritt, die Änderung des Parameters, d.h. der Stellgröße, positiv und dann, wenn das Muster eine in der Transmissionsrichtung abnehmende Länge von Abschnitten der Seitenfläche aufweist, aus denen konvertierte elektromagnetische Strahlung austritt, die Änderung des Parameters, d.h. der Stellgröße, negativ. Alternativ kann auch eine umgekehrte Zuordnung erfolgen.
Mit anderen Worten ausgedrückt kann aus einem einzigen Bild, d.h. mit einer einzigen Messung auch das Vorzeichen der auszugebenden Stellgröße bestimmt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion.
2a) bis 2c) zeigt Bilder der Seitenfläche des nichtlinear optischen Kristalls aus 1 in verschiedenen Zuständen.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Ofens mit dem nichtlinear optischen Kristall aus 1.
In den Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung. Betrachtet wird hier beispielhaft die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG; Second Harmonic Generation). Dazu weist die Vorrichtung 1 einen nichtlinear optischen Kristall 2 als nichtlinear optisches Material im Sinne der vorliegenden Anmeldung auf. Die zu konvertierende elektromagnetische Strahlung 3 mit einer Fundamentalfrequenz tritt durch eine Facette in den Kristall 2 ein und wird in dem Kristall in die konvertierte Strahlung 4 mit der doppelten Frequenz der Fundamentalfrequenz gewandelt.
Durch Streuprozesse in dem nichtlinear optischen Kristall 2 treten Teile der konvertierten Strahlung 4 durch eine Seitenfläche 5 des Kristalls aus, sodass eine Zeilenkamera 6, welche ein Bild der Seitenfläche 5 erfasst, ein Muster bzw. eine Struktur der konvertierten Strahlung 4 über die Länge des Kristalls 2 als Bild aufnimmt. Der Kristall 2 ist zudem in einem Gradientenofen 7 als Temperiereinrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung angeordnet.
Während der Ofen 7 in der 1 nur schematisch dargestellt ist, zeigt die Abbildung aus 3 den Aufbau des Ofens 7 detaillierter. Der Ofen 7 dient dazu, den nichtlinear optischen Kristall 2 mit einem Temperaturgradienten zu erwärmen, so dass er in Transmissionsrichtung der in dem Frequenzverdoppler generierten Strahlung 4 von seinem ersten Ende 33 zu seinem zweiten Ende 34 eine einstellbare Temperatur aufweist, wobei der Temperaturgradient des Ofens mit Hilfe des Reglers 8 aus 1 auswählbar einstellbar ist. Der Temperaturgradient des Ofens kann entweder dazu dienen, dem Kristall selbst einen Temperaturgradienten aufzuprägen oder aber einen Temperaturgradienten, den der Kristall aufgrund der Absorption der Pumpstrahlung hat, zu kompensieren.
Zu diesem Zweck verfügt der Ofen 7 über je ein Heizelement 16 an seinem ersten Ende 33 und an seinem zweiten Ende 34. Werden diese Heizelemente 16 an den zwei Enden 33, 34 des Kristalls 2 auf unterschiedliche Temperaturen geheizt, so stellt sich ein Temperaturgradient über die Längsausdehnung des Kristalls 2 hinweg ein. Bei den Heizelementen 16 handelt es sich um Peltier-Elemente, die in thermischem Kontakt mit dem Kristall 2 sind. Zwischen den Heizelementen 16 am ersten und zweiten Ende 33, 34 sind Distanzstücke 17 vorgesehen, welche den Kristall 2 in einem Abstand zu einer Isolierung 18 halten, die den Kristall 2 umgibt.
Zudem verfügt der Ofen 7 an jedem der Enden 33, 34 des Kristalls 2 über einen Temperaturfühler 35. Dieser ist ebenfalls mit dem Regler verbunden, sodass der Temperaturgradient über die Längsausdehnung des Kristalls 2 hinweg nicht nur steuerbar, sondern auch regelbar ist.
Über die Einstellung des Temperaturgradienten lässt sich die effektive Länge des Kristalls einstellen, über welche hinweg eine Phasenanpassung für eine gegebene Frequenz der die Frequenzverdopplung treibenden Pumpstrahlung 3 gegeben ist.
Sowohl die Kamera 6 als auch der Gradientenofen 7 sind in dem Sinne wirksam mit dem Regler 8 verbunden, dass ein von der Kamera 6 erfasstes Bild über eine Signalleitung an den Regler ausgegeben wird, während der Regler 8 über eine andere Signalleitung die Temperatur des Ofens 7 regelt.
2a) bis 2d) zeigen Bilder der Seitenfläche 5 des Kristalls 2 aus 1, so wie sie die Kamera 6 aufnimmt.
In den 2a) bis 2d) zeigen die schraffierten Flächen bzw. Flächenabschnitte Bereiche des Kristalls 2, an denen dieser in der Farbe, d.h. mit der Wellenlänge bzw. Frequenz der konvertierten elektromagnetischen Strahlung 4 „leuchtet“. Die Dicke der Schraffur stellt in den 2a) bis 2d) die Intensität der konvertierten Strahlung 4 dar. Schwarze Flächen hingegen strahlen keine konvertierte Strahlung 4 durch die Seitenfläche 5 ab.
2d) zeigt ein Bild, wie es entsteht, wenn die Phasenanpassung in dem Kristall 2 optimiert ist. 2d) zeigt daher eine Frequenzkonversion über die gesamte Länge des Kristalls 2 hinweg, wobei die Intensität der konvertierten Strahlung 4 in Transmissionsrichtung, d.h. in den 1 und 2 von links nach rechts zunimmt. 2d) zeigt damit das Bild der Seitenfläche 5, aus welchem die Führungsgröße abgeleitet ist. Ist der Zustand des Kristalls aus diesem Bild erreicht, so ist die Phasenanpassung optimiert.
In 2a) wiederholen sich hingegen Abschnitte des Kristalls, die schwarz, d.h. in Bezug auf die konvertierte Strahlung 4 dunkel sind, und solche Abschnitte, in denen eine Frequenzkonversion stattfindet und daher konvertierte Strahlung 4 durch die Seitenfläche 5 abgestrahlt wird. Durch Anpassen des Temperaturgradienten des Kristall lässt sich nun die Phasenanpassung im Kristall verbessern. 2b) zeigt ein Bild der Seitenfläche 5 des Kristalls, wobei die der veränderte Temperaturgradient des Kristalls 2 dazu geführt hat, dass die Phasenanpassung des Kristalls von links nach rechts, d.h. in Transmissionsrichtung zunimmt. Erkennbar ist dies an der zunehmenden Länge derjenigen Abschnitte, in denen eine Konversion der zu konvertierenden Strahlung 3 in die konvertierte Strahlung 4 erfolgt. Die Änderung des Temperaturgradienten hätte auch zu einem Bild führen können, so wie es in 2c) gezeigt ist, wobei die Phasenanpassung in der linken Hälfte des Kristalls besser ist als in der rechten Hälfte. Die 2b) und 2c) zeigen, dass das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbare Verfahren zur Regelung der Phasenanpassung auch Vorzeichensensitiv ist.
Der Regler 8, in der dargestellten Ausführungsform ein herkömmlicher Messrechner, wertet das mit der Kamera 6 erfasste Bild dahingehend aus, dass er die Breite der phasenangepassten Streifen der Muster, so wie sie bspw. in den Figuren a), b) und c) gezeigt sind, durch Auszählen der beleuchteten Pixel der Zeilenkamera 6 zählt. Zudem wird zusätzlich die Intensität der die konvertierte Strahlung 4 abstrahlenden Bereiche des Kristalls ausgewertet. Aus dieser Auswertung des Bildes wird die Regelgröße abgeleitet, welche den Ist-Zustand der Phasenanpassung des Kristalls 2 beschreibt. Diese Regelgröße wird verglichen mit der Führungsgröße, die auf die gleiche Weise aus dem Bild der optimalen Phasenanpassung aus 2d) abgeleitet wurde. Aus der Differenz zwischen der Regelgröße und der Führungsgröße wird die Stellgröße bestimmt, nämlich das Steuersignal für eine Änderung des Temperaturgradienten, so wie es vom Regler 8 an den Ofen 7 ausgegeben wird. Erst wenn der Zustand des Bildes aus 2d) erreicht ist, wird die Stellgröße 0, da es keine Abweichung mehr zwischen der Regelgröße und der Führungsgröße gibt.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen 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 Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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.
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.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Frequenzkonversion
2: nichtlinear optischer Kristall
3: zu konvertierende elektromagnetische Strahlung
4: konvertierte elektromagnetische Strahlung
5: Seitenfläche
6: Zeilenkamera
7: Gradientenofen
8: Regler
16: Heizelement
17: Distanzstück
18: Isolierung
33: erstes Ende des Kristalls 2
34: zweites Ende des Kristalls 2
35: Temperaturfühler

Claims

Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion (1) elektromagnetischer Strahlung (3) mit einem nichtlinear optischen Material (2) mit einer Seitenfläche (5) und einer Transmissionsrichtung, wobei das nichtlinear optische Material (2) so ausgestaltet ist, dass sich in einem Betrieb der Vorrichtung (1) die konvertierte elektromagnetische Strahlung (4) in der Transmissionsrichtung durch das nichtlinear optischen Material (2) ausbreitet, so dass sich die Seitenfläche (5) und die Transmissionsrichtung nicht schneiden, einem derart wirksam mit dem nichtlinear optischen Material (2) verbundenen Stellglied (7), dass eine Phasenanpassung des nichtlineare optischen Materials (2) bei der Frequenzkonversion mit dem Stellglied (7) einstellbar ist, einer Kamera (6), wobei die Kamera (6) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung (1) ein Bild der Seitenfläche (5) des nichtlinear optischen Materials (2) erfasst, und einem derart wirksam mit der Kamera (6) und dem Stellglied (7) verbundenen Regler (8), dass der Regler (8) das Bild von der Kamera (6) empfängt und eine Stellgröße an das Stellglied (7) ausgibt, wobei der Regler (8) derart ausgestaltet ist, dass der Regler (8) in dem Betrieb der Vorrichtung (1) aus dem Bild eine Regelgröße ableitet, die Regelgröße mit einer Führungsgröße vergleicht und aus einer Abweichung der Regelgröße von der Führungsgröße die Stellgröße bestimmt, so dass eine Phasenfehlanpassung in Transmissionsrichtung des nichtlinear optischen Materials (2) minimiert wird.
Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (7) eine Temperiereinrichtung zum Einstellen einer Temperatur des nichtlinear optischen Materials (2) umfasst und dass die Stellgröße eine Temperatur des nichtlinear optischen Materials (2) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (7) eine Temperiereinrichtung umfasst, wobei die Temperiereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie das nichtlinear optische Material mit einen Temperaturgradienten in der Transmissionsrichtung temperiert, und dass die Stellgröße einen Temperaturgradienten des nichtlinear optischen Materials (2) in der Transmissionsrichtung umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung ein Ofen oder ein Kühlelement, vorzugsweise ein Peltier-Kühler, ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (7) eine Pumpquelle zum Erzeugen elektromagnetischer Pumpstrahlung (3) umfasst, wobei die Frequenz der elektromagnetischen Pumpstrahlung (3) einstellbar ist, und dass die Stellgröße die Frequenz der elektromagnetischen Pumpstrahlung (3) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Pumpquelle zum Erzeugen elektromagnetischer Pumpstrahlung (3) aufweist, wobei das Stellglied (7) eine Einrichtung zum Einstellen eines Winkels zwischen der elektromagnetischen Pumpstrahlung (3) und einer Achse des nichtlinear optischen Materials (2) umfasst, und dass die Stellgröße der Winkel zwischen der elektromagnetischen Pumpstrahlung (3) und der Achse des nichtlinear optischen Materials (2) ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Quelle zum Erzeugen elektromagnetischer Signal-Strahlung oder elektromagnetischer Idler-Strahlung aufweist, wobei das Stellglied eine Einrichtung zum Einstellen eines Winkels zwischen der elektromagnetischer Signal-Strahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials (2) oder eines Winkels zwischen der elektromagnetischen Idler-Strahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials (2) umfasst, und dass die Stellgröße den Winkel zwischen der elektromagnetischen Signal-Strahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials (2) oder zwischen der elektromagnetischen Idler-Strahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials (2) umfasst.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einstellen des Winkels zwischen der elektromagnetischen Pumpstrahlung (3) und der Achse des nichtlinear optischen Materials (2) oder des Winkels zwischen der elektromagnetischen Signal-Strahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials (2) oder des Winkels zwischen der elektromagnetischen Idler-Strahlung und der Achse des nichtlinear optischen Materials (2) eine Verschwenkeinrichtung zum Verschwenken des nichtlinear optischen Materials (2) ist, auf der das nichtlinear optische Material (2) befestigt ist, wobei das nichtlinear optische Material (2) auf der Verschwenkeinrichtung montiert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlinear optische Material (2) eine Polung aufweist, wobei sich die Polungsperiode über die Breite des nichtlinear optischen Materials (2) in einer Richtung senkrecht zur Transmissionsrichtung ändert, wobei das Stellglied (7) eine Translationseinrichtung umfasst, auf der das nichtlinear optische Material (2) befestigt ist, und wobei die Stellgröße eine Position der Translationseinrichtung umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (6) eine Zeilenkamera ist, wobei die Zeile der Kamera (6) im Wesentlichen parallel zur Transmissionsrichtung ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (6) ein Filter aufweist, das für die mit Hilfe des nichtlinear optischen Materials (2) konvertierte elektromagnetische Strahlung (4) transparent ist.
Quelle für elektromagnetische Strahlung mit einer Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion (1) elektromagnetischer Strahlung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur nichtlinearen Frequenzkonversion elektromagnetischer Strahlung (3) mit den Schritten Einstrahlen der zu konvertierenden elektromagnetischen Strahlung (3) in ein nichtlinear optisches Material (2) mit einer Seitenfläche (5), wobei eine Transmissionsrichtung der konvertierten elektromagnetischen Strahlung (4) die Seitenfläche (5) nicht schneidet, Erfassen eines Musters in Transmissionsrichtung der in dem Material (2) gestreuten und durch die Seitenfläche (5) austretenden konvertierten elektromagnetischen Strahlung (4), Vergleichen des erfassten Musters mit einem Soll-Muster und Ändern eines Parameters der Frequenzkonversion solange bis ein Unterschied zwischen dem erfassten Muster und dem Soll-Muster minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Muster eine in der Transmissionsrichtung zunehmende Länge von Abschnitten der Seitenfläche (5) aufweist, aus denen konvertierte elektromagnetische Strahlung (4) austritt, die Änderung des Parameters positiv ist und dann, wenn das Muster eine in der Transmissionsrichtung abnehmende Länge von Abschnitten der Seitenfläche (5) aufweist, aus denen konvertierte elektromagnetische Strahlung (4) austritt, die Änderung des Parameters negativ ist, oder umgekehrt.