DE102017001188B3

DE102017001188B3 - Pockelszelle und Verfahren zur Herstellung einer Pockelszelle

Info

Publication number: DE102017001188B3
Application number: DE102017001188.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Heist; Uwe Kutschki; Shanna Heinitz; Sven Poggel
Original assignee: Jenoptik Laser GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: WO2018141516A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pockelszelle, die einen ersten Kristall umfasst, der einen Pockels-Effekt zeigt. Es wird die Verwendung eines thermisch ausdehnungsangepassten zweiten Kristalls zur Veränderung der akustischen Resonanzfrequenzen des ersten Kristalls beschrieben. Dadurch kann ein piezoelektrisches Klingeln vermindert werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Pockelszelle. Pockelszellen sind allgemein bekannt, siehe beispielsweise W. Koechner: Solid-State Laser Engineering; 6th rev. Ed. 2006, Springer, p. 502+ oder https://www.rp-photonics.com/pockels_cells.html. Unter einer Pockelszelle versteht man eine Anordnung, die einen elektro-optischen Kristall umfasst, an dem Elektroden angeordnet sind und der so gehaltert ist, dass eine elektrische Spannung (Hochspannung) an die Elektroden angelegt werden kann und dass ein Lichtstrahl den Kristall durchlaufen kann. Die angelegte Spannung bewirkt ein elektrisches Feld, welches den Kristall durchsetzt. Das an den Kristall über die Elektroden angelegte elektrische Feld bewirkt aufgrund des elektro-optischen Effekts eine Veränderung des Brechungsindexellipsoids, wodurch das den Kristall durchlaufende Licht eine Phasendifferenz zwischen senkrecht zueinander polarisierten Anteilen erfährt.
Stand der Technik
Die Pockelszelle wirkt wie eine über die elektrische Spannung gesteuerte Verzögerungsplatte und kann daher in Verbindung mit einem Polarisator als elektrooptischer Modulator bzw. Schalter eingesetzt werden. Insbesondere werden Pockelszellen als schnelle Schalter bzw. Modulatoren für Laserstrahlen verwendet. Schnell bedeutet hier, dass eine hohe Modulations- bzw. Schaltfrequenz erreicht werden kann.
Als elektro-optischer Kristall kommt für Laseranwendungen oft BBO (Beta-Bariumborat, BaB₂O₄) zum Einsatz, weil dieses Material besonders herausragende Eigenschaften hat, insbesondere eine sehr hohe Zerstörschwelle sowie vergleichsweise wenig ausgeprägte piezoelektrische Effekte. Ersteres erlaubt das Schalten sehr hoher Laserleistungen, letzteres die Verwendung in einem weiten Bereich der Modulationsfrequenz (bzw. der Repetitionsrate des Lasers) f bis etwa 1000 kHz.
Allerdings kann das elektrische Feld einen piezoelektrischen Effekt im Kristall verursachen, der bei einer Pockelszelle unerwünscht ist. Der bei einer elektro-optischen Pockelszelle unerwünschte piezo-elektrische Effekt ist beim BBO zwar klein, aber nicht vollständig abwesend. Durch das wechselnde elektrische Feld werden akustische Schwingungen angeregt, die wiederum über den photo-elastischen Effekt sowie den reziproken piezo-elektrischen Effekt die Doppelbrechungseigenschaften beeinflussen. Die elektro-optische Pockelszelle schaltet in einem solchen Fall nicht mehr ideal zwischen den gewünschten Polarisationszuständen bzw. es können beim Einsatz als Modulator Abweichungen der tatsächlichen Modulation zum Sollwert auftreten. Man bezeichnet diesen Effekt als Ringing, was man in der deutschen Sprache als Klingeln oder Geläute bezeichnen könnte. Dieses piezo-elektrische Ringing hat negative Auswirkungen, weil die Qualität des Schalt- bzw. Modulationsverhaltens beeinträchtigt ist. Beispielsweise ist das Ringing nachteilig, wenn die Pockelszelle als Schalter im Resonator eines regenerativen Verstärkers angeordnet ist. Dann können aufgrund der veränderten Beeinflussung des Polarisationszustandes unerwünschte Vor- und Nachpulse der Laserstrahlung im Verstärker entstehen.
Der Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn die angeregten akustischen Schwingungen in Resonanz mit den mechanischen Eigenfrequenzen des Kristalls sind. Hier besteht zusätzlich die Gefahr einer Zerstörung des Kristalls aufgrund der auftretenden mechanischen Spannungen.
Es sind verschiedene Ansätze bekannt, das unerwünschte Ringing zu reduzieren. Aus US5221988A ist ein Dämpfungssystem für eine Pockelszelle bekannt. Durch am Kristall angebrachte Aluminiumblöcke mit speziell ausgebildeten Oberflächenstrukturen sollen die akustischen Schwingungen gedämpft werden.
Aus US5075795A ist ein elektrooptischer Schalter für hohe Repetitionsraten bekannt. Die akustischen Schwingungen des Kristalls werden durch einen Block aus Aluminium oder Blei absorbiert, der mit dem Kristall mechanisch verbunden ist. Die mechanische Verbindung erfolgt mittels eines Zwischenteils aus Quarzglas. Die Nachteile dieser Anordnung werden weiter unten erläutert.
Aus US3653743A ist ein elektrooptischer Schalter mit Unterdrückung des akustooptischen Effekts bekannt. Dabei werden die lateralen Flächen des Kristalls mit Platten aus Blei, Bleiglas oder Titan zur Absorption der Schallwellen verbunden. Die Nachteile dieser Anordnung werden weiter unten erläutert.
Aus US5079642A ist ein elektrooptischer Modulator mit akustischer Dämpfung bekannt. Durch am Kristall angebrachte speziell geformte Koppler werden die akustischen Wellen geformt und auf einen Absorber geleitet. Als Material für die Koppler wird Silber empfohlen. Für die Absorber werden Blei, Titan oder Wolfram oder ein Gemisch aus 97% Wolfram und 3% Epoxidharz empfohlen. Die Nachteile dieser Anordnung werden weiter unten erläutert.
Aus DE 10 2013 012 966 A1 ist eine Pockelszelle mit einem gedämpften elektrooptischen Kristall bekannt. Die Vermeidung bzw. Reduzierung von Ringing soll hier dadurch bewirkt werden, dass der Kristall an wenigstens einer Fläche stoffschlüssig mit einer der Elektroden oder beiden Elektroden verbunden ist. Die Nachteile dieser Anordnung werden im Folgenden erläutert.
Die vorgenannten fünf Veröffentlichungen beinhalten eine Dämpfung der Schallwellen. Das kann den Nachteil haben, dass die Schallwellen in Wärmeenergie umgewandelt werden. Wegen der Energieerhaltung muss diese Energie von der Hochspannungsquelle bereitgestellt werden. Dadurch kann die maximal mögliche Repetitionsrate begrenzt sein oder die Hochspannungsquelle muss für eine hohe Ausgangsleistung dimensioniert werden. Zudem kann Abwärme in den Schallabsorbern entstehen. Außerdem müssen bei den fünf vorgenannten bekannten Anordnungen Dämpfungs- und/oder Kopplungselemente am Kristall angebracht sein und mit diesem in einer festen mechanischen Verbindung stehen. Die bekannten Dämpfungs- und Kopplungselemente besitzen jedoch einen vom Kristall abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Eine Temperaturänderung kann deshalb mechanische Spannungen bewirken, die die Doppelbrechungseigenschaften des Kristalls beeinträchtigen und sogar zu einer Zerstörung des vergleichsweise spröden elektro-optischen Kristalls führen können. Das ist besonders kritisch, wenn man bedenkt, dass Geräte für den industriellen Einsatz bei der Lagerung und dem Transport Bedingungen ausgesetzt sind, bei denen Temperaturunterschiede von 60 K oder mehr auftreten können. Angemerkt sei noch, dass der Kristall in verschiedenen Richtungen unterschiedliche thermische Ausdehnungen aufweisen kann. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kristalls kann im Allgemeinen anisotrop, d. h. richtungsabhängig, sein.
Aus DE 10 2014 201 472 A1 ist bekannt, unerwünschte mechanische Schwingungen dadurch zu unterdrücken, dass modifizierte Rechtecksignale zur Ansteuerung der Pockelszelle verwendet werden. Das hat den Nachteil, dass die Pockelszelle langsamer schaltet.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig herstellbare Pockelszelle zu zeigen, bei der im Arbeitsbereich keine Störung des Betriebs durch den piezoelektrischen Effekt (Ringing, Klingeln) auftritt und die unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Pockelszelle ist kostengünstig herzustellen und kann hohe Laserleistungen mit hohen Modulationsfrequenzen im Bereich von einigen hundert kHz und mehr schalten.
Sie weist dabei in einem weiten Bereich variabler Modulationsfrequenz kein oder ein nur vernachlässigbar geringes Ringing auf. Sie ist zugleich derart stabil ausgeführt, dass sie den typischen Anforderungen an ein Industrieprodukt hinsichtlich Lagerung und Transport genügt, insbesondere große Temperaturbereiche für Betrieb und Lagerung betreffend. Im Vergleich zu bekannten Anordnungen, die auf eine Dämpfung mechanischer Schwingungen abzielen, kann mit der vorliegenden Erfindung schon die Entstehung resonanter mechanischer Schwingungen vermieden werden. Dadurch wird die Umsetzung elektrischer Energie aus der Hochspannungsquelle in Wärme reduziert und die Hochspannungsquelle wird entsprechen geringer belastet bzw. diese kann kleiner dimensioniert werden.
Lösung der Aufgabe:
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Pockelszelle, umfassend

a) einen Verbundkristall
b) eine erste Elektrode
c) eine zweite Elektrode

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Zur Lösung der Aufgabe führt die Verwendung eines zweiten Kristalls, welcher eine c-Achse aufweist, zur Veränderung der akustischen Resonanzfrequenzen eines ersten elektrooptischen-Kristalls, welcher eine c-Achse aufweist, wobei
der erste Kristall und der zweite Kristall eine identische chemische Zusammensetzung aufweisen oder sich die chemische Zusammensetzung des zweiten Kristalls von der des ersten lediglich durch Isotope unterscheidet,
und
der erste und der zweite Kristall eine identische Kristallstruktur aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Phasen desselben Materials bestehen,
und
der zweite Kristall mit dem ersten Kristall an einer ersten Verbindungsfläche derart verbunden ist, dass die c-Achse des zweiten Kristalls parallel zur c Achse des ersten Kristalls ist, wobei der erste Kristall mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden kann und wenigstens ein Strahlweg für einen Lichtstrahl vorgesehen ist, der durch den ersten Kristall verläuft.
Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Pockelszelle angegeben umfassend

a) Bereitstellen eines ersten Kristalls, wobei der erste Kristall einen Pockels-Effekt zeigt, und wenigstens ein Strahlweg für einen Lichtstrahl vorgesehen ist, der durch den ersten Kristall verläuft
b) Anbringen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode an dem ersten Kristall,
c) Bereitstellen eines zweiten Kristalls,
d) Verbinden des zweiten Kristalls mit dem ersten Kristall an einer ersten Verbindungsfläche, wobei die erste Verbindungsfläche außerhalb des vorgesehenen Strahlwegs angeordnet ist

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Beschreibung
Als Pockels-Effekt, auch bekannt als linearer elektro-optischer Effekt, wird eine über einen bestimmten Bereich lineare Änderung des Brechungsindex durch ein elektrisches Feld bezeichnet. In Kristallen kann dabei durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ein elektrisches Feld entstehen. Durch das elektrische Feld kann eine Doppelbrechung im Kristall auftreten bzw. eine vorhandene Doppelbrechung verändert werden. Dabei kann die Änderung der Doppelbrechung linear zur Änderung der elektrischen Feldstärke des angelegten elektrischen Feldes erfolgen. Materialien, die einen Pockelseffekt zeigen, werden als elektrooptische Materialien bezeichnet. Kristalle, die einen Pockelseffekt zeigen, werden als elektrooptische Kristalle bezeichnet. Es ist bekannt, dass inversionssymmetrische Kristalle keinen Pockels-Effekt zeigen können, sondern nur einen Kerr-Effekt, d. h. eine quadratische Abhängigkeit des Brechungsindex von der elektrischen Feldstärke. Inversionssymmetrische Materialien werden in der englischsprachigen Fachliteratur als „centrosymmetric” bezeichnet. Ausschließlich nicht inversionssymmetrische (non-centrosymmetric) Materialien können nach derzeitigem Kenntnisstand einen Pockels-Effekt zeigen.
Die Modulation Δn des Brechungsindex n eines Materials durch ein elektrisches Feld kann beim Pockels-Effekt gemäß der Formel Δn = n₀ ³r_effE beschrieben werden. Dabei bezeichnet n₀ den unmodifizierten Brechungsindex des Materials in der gewählten Geometrie r_eff den effektiven elektro-optischen Tensor, der von der Kristallausrichtung und der Polarisation des Lichtes abhängt und E das elektrische Feld. Eine allgemeinere Beschreibung des Pockels-Effekts ist mittels Betrachtung der Abänderung der Fletcherschen Indikatrix möglich. In einem doppelbrechenden elektrooptischen Kristall kann durch das elektrische Feld die Differenz der Brechzahlen des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls vergrößert oder verkleinert werden.
Der Pockels-Effekt kann u. a. in der Pockels-Zelle dazu genutzt werden, in doppelbrechenden Kristallen durch gezielte Modifikation des Brechungsindex Phasendifferenzen zu induzieren, die wiederum zu Polarisationsdrehungen in einem durchlaufenden Lichtstrahl führen können. Mittels eines nachgeschalteten Polarisators kann die Intensität eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, moduliert werden.
Als Pockelszelle kann ein Gerät bezeichnet werden, welches auf Grundlage des Pockels-Effekts eine Modulation eines Lichtstrahls bewirkt. Die Modulation kann kontinuierlich erfolgen. Die Modulation kann aber auch zwischen mehreren, vorzugsweise zwei, diskreten Zuständen erfolgen. In diesem Fall kann man die Modulation als Schalten bezeichnen.
Die erfindungsgemäße Pockelszelle kann als longitudinale oder als transversale Pockelszelle ausgebildet sein. Eine longitudinale Pockelszelle ist eine solche, bei der das über die Elektroden angelegte elektrische Feld longitudinal bezüglich des Lichtstrahls liegt. Eine transversale Pockelszelle ist eine solche, bei der das über die Elektroden angelegte elektrische Feld transversal bezüglich des Lichtstrahls liegt.
Die erfindungsgemäße Pockelszelle umfasst einen Verbundkristall. Als Verbundkristall kann man einen Kristall bezeichnen, der wenigstens einen ersten Kristall und einen zweiten Kristall umfasst. Der erste und der zweite Kristall können separate Kristalle sein, die miteinander zu einem Verbundkristall verbunden worden sind. Der zweite Kristall ist mit dem ersten Kristall an einer ersten Verbindungsfläche verbunden. Die Verbindung kann vorteilhaft so ausgeführt sein, dass mechanische Schwingungen vom ersten Kristall zum zweiten und umgekehrt übertragen werden können. Dazu kann eine unelastische Verbindung besonders geeignet sein. Bei einer unelastischen Verbindung können Schallwellen zwischen den beiden genannten Kristallen übertragen werden, ohne dass eine erhebliche Dämpfung der Schallwellen auftritt. Die Verbindung kann vorteilhaft flächig ausgeführt sein. Die Verbindung kann aber auch an mehreren über die Verbindungsfläche verteilten Verbindungspunkten oder Verbindungslinien ausgeführt sein. Die Verbindung des ersten Kristalls mit dem zweiten Kristall kann stoffschlüssig sein. Die Verbindung des ersten Kristalls mit dem zweiten Kristall kann mit einem Fügemittel hergestellt sein. Vorteilhaft kann ein aushärtbares Fügemittel verwendet werden. Das Fügemittel kann thermisch härtend und/oder chemisch härtend und/oder lichthärtend sein. Als Fügemittel können organische oder anorganische Klebstoffe, beispielsweise gefüllte oder ungefüllte Acrylat- oder Epoxidharzklebstoffe, zement- oder wasserglasbasierte Klebstoffe, oder Lote, beispielsweise metallische Lote oder Glaslote, verwendet werden.
Als erster Kristall ist erfindungsgemäß ein solcher Kristall vorzusehen, der einen Pockels-Effekt aufweist. Der erste Kristall kann beispielsweise aus BBO (Bariummetaborat, auch als Bariumdibortetraoxid bezeichnet, Ba(BO₂)₂), KD·P (Kaliumdideuteriumphosphat, KD₂PO₄), Lithiumniobat (LiNbO₃), KTP (Kaliumtitanylphosphat, KTiOPO₄) oder RTP (Rubidium Titanyl Phosphat, RbTiOPO₄) bestehen. Im Falle von BBO kann vorteilhaft die β-Form (β-BBO, auch als Niedertemperaturform bezeichnet) als erster Kristall verwendet werden. Die α- Form des BBO (α-BBO, auch als Hochtemperaturform bezeichnet) kann wegen des Fehlens eines Pockel-Effekts als erster Kristall ungeeignet sein. Der erste Kristall kann beispielsweise eine Dicke, d. h. eine Ausdehnung in y-Richtung, zwischen 0,5 mm und 10 mm aufweisen. Die Länge, d. h. die Ausdehnung in z-Richtung, kann beispielsweise zwischen 1 mm und 30 mm liegen.
Der erste Kristall kann eine optische Achse aufweisen. Es sei angemerkt, dass der Begriff optische Achse hier im kristalloptischen Sinne verwendet wird und nicht im strahlenoptischen Zusammenhang. Der erste Kristall kann genau eine optische Achse aufweisen, in diesem Fall kann man von einem einachsigen Kristall sprechen. Der erste Kristall kann auch zwei optische Achsen aufweisen. Im letzteren Fall kann man von einem zweiachsigen Kristall sprechen.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zu dem ersten Kristall einen vierten Kristall zu verwenden, der ebenfalls einen Pockels-Effekt aufweist. Die optischen Achsen des ersten und vierten Kristalls können transversal senkrecht zueinander liegen. Auf diese Weise kann eine transversale Pockelszelle aufgebaut werden, bei welcher die natürliche Doppelbrechung kompensiert werden kann. Unter natürlicher Doppelbrechung kann man eine ohne elektrisches Feld vorhandene Doppelbrechung des Kristalls verstehen.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, zur Modulation des Lichts nur genau einen, nämlich nur den ersten Kristall zu verwenden. Die optische Achse des ersten Kristalls kann vorteilhaft longitudinal in einer transversalen Pockelszelle angeordnet sein. Die optische Achse des ersten Kristalls kann auch vorteilhaft longitudinal in einer longitudinalen Pockelszelle angeordnet sein, beispielsweise bei einer KD·P Pockelszelle.
Der erste Kristall kann eine kristallografische c-Achse aufweisen. Außerdem kann der Kristall eine kristallografische a Achse aufweisen Außerdem kann der Kristall eine kristallografische b Achse aufweisen. Die Lage der c-Achse, sowie der a- und b-Achsen ist bei handelsüblichen Kristallen zumeist vom Hersteller angegeben. Es ist üblich, die a- b und c-Achse so zu bezeichnen, dass das Hermann-Mauguin-Symbol dem Standard der International Tables for Crystallography entspricht. Im trigonalen Kristallsystem, beispielsweise für die Punktgruppe 3m, würde man die dreizählige Drehachse als c-Achse bezeichnen, im hexagonalen Kristallsystem die sechszählige Drehachse. Im tetragonalen Kristallsystem, beispielsweise für die Punktgruppe 422 oder 42m, würde man die vierzählige Drehachse als c-Achse bezeichnen. Die kristallografische c-Achse kann im Falle eines optisch einachsigen Kristalls die optische Achse des Kristalls sein. Dadurch ist in den wirteligen Kristallsystemen (trigonal, tetragonal und hexagonal) die letztgenannte vereinfachte Betrachtung möglich. Im orthorhombischen Kristallsystem hingegen, beispielsweise für die Punktgruppe mm2, kann man diejenige der zweizähligen Drehachsen, die den größten Gitterparameter aufweist, als c-Achse bezeichnen.
Die a-Achse und die b-Achse können gleiche Gitterparameter (cell parameters) aufweisen. Im Falle eines BBO-Kristalls kann der Gitterparameter der a- und b-Achsen 0,12532 nm, der Gitterparameter der c-Achse 0,12717 nm betragen. In Richtung der a-Achse kann der Kristall den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wie in b-Richtung. Der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der c-Achse kann größer sein, als der Ausdehnungskoeffizient in Richtung der a-Achse und der in Richtung der b-Achse. Die c-Achse kann dadurch ausgezeichnet sein, dass der Kristall in dieser Richtung den größten Ausdehnungskoeffizienten aufweist, d. h. den Maximalwert des richtungsabhängigen Ausdehnungskoeffizienten. Beispielsweise kann der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der c-Achse wenigstens dreimal so groß sein wie in Richtung der a-Achse sowie in Richtung der b-Achse.
Im Falle eines Lithiumniobat-Kristalls kann der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der a- und b-Achsen 10·10^–6 K^–1 bzw. 14·10^–6 K^–1 betragen, während der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der c-Achse 42·10^–6 K^–1 betragen kann. In diesem Fall kann die Ausdehnung in Richtung c also wenigstens drei Mal so groß sein wie in den anderen Richtungen.
Im Falle eines BBO-Kristalls kann der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der a- und b-Achsen 4·10^–6 K^–1 betragen, während der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der c-Achse 36·10^–6 K^–1 betragen kann. In diesem Fall kann die Ausdehnung in Richtung c also neunmal so groß sein wie in den anderen Richtungen.
Im Falle eines KD·P Kristalls kann der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der a- und b-Achsen 19·10^–6 K^–1 betragen, während der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der c-Achse 44·10^–6 K^–1 betragen kann. In diesem Fall kann die Ausdehnung in Richtung c also mehr als doppelt so groß sein wie in den anderen Richtungen.
Im Falle eines KDP Kristalls (Kaliumdihydrogenphosphat, KH₂PO₄) kann der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der a- und b-Achsen 25·10^–6 K^–1 betragen, während der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der c-Achse 44·10^–6K^–1 betragen kann. In diesem Fall kann die Ausdehnung in Richtung c also fast doppelt so groß sein wie in den anderen Richtungen.
Im Falle eines RTP-Kristalls kann der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der a- und b-Achsen 2·10^–6 K^–1 betragen, während der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtung der c-Achse 17·10^–6 K^–1 betragen kann. In diesem Fall kann die Ausdehnung in Richtung c also mehr als acht Mal so groß sein wie in den anderen Richtungen.
Die kristallografische c-Achse des ersten Kristalls kann vorteilhaft in Richtung des Lichtstrahls, d. h. in z-Richtung angeordnet sein. Beispielsweise kann eine solche Anordnung für erste Kristalle aus Lithiumniobat, BBO oder KTP vorteilhaft sein.
Falls der erste Kristall eine b-Achse aufweist, welche nicht äquivalent zur a-Achse ist, kann ein zweiachsiger Kristall vorliegen, der zwei optische Achsen aufweist. Dann kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zum ersten Kristall einen vierten Kristall zu verwenden, dessen kristallografische a-Achse senkrecht zur Richtung der a-Achse des ersten Kristalls angeordnet werden kann. Die c-Achsen des ersten und des vierten Kristalls können beide in Richtung z des Lichtstrahls liegen. Der vierte Kristall kann im Strahlweg angeordnet sein und dazu verwendet werden, die natürliche Doppelbrechung des ersten Kristalls zu kompensieren. Eine solche Kompensation kann beispielsweise für Lithiumniobatkristalle vorteilhaft sein.
Die kristallografische c-Achse des ersten Kristalls kann ebenfalls vorteilhaft senkrecht zur Richtung des Lichtstrahls, d. h. in x- oder y-Richtung liegen. Beispielsweise kann eine solche Anordnung für einen ersten Kristall aus RTP vorteilhaft sein. Bei einer solchen Anordnung kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zum ersten Kristall einen vierten Kristall zu verwenden, dessen kristallografische c-Achse senkrecht zur Richtung des Lichtstrahls und ebenfalls senkrecht zur Richtung der c-Achse des ersten Kristalls angeordnet werden kann. Der vierte Kristall kann im Strahlweg angeordnet sein und dazu verwendet werden, die natürliche Doppelbrechung des ersten Kristalls zu kompensieren.
Die kristallografische c Achse muss nicht notwendigerweise mit einer der Richtungen x, y oder z übereinstimmen. Die Normalen der Schnittflächen des ersten Kristalls, insbesondere die der Lichteintrittsfläche und die der Lichtaustrittsfläche und die der Normalen der unten beschriebenen ersten und zweiten Elektrode können, müssen aber nicht, in Richtung einer der kristallografischen a- b- oder c-Achse zu verlaufen. RTP-Kristalle beispielsweise können ebenfalls vorteilhaft in einem 45°-z-Schnitt verwendet werden.
Die Pockelszelle umfasst außerdem eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode. Die zweite Elektrode kann von der ersten elektrisch isoliert sein. Die erste Elektrode ist an einer ersten Seite des ersten Kristalls angeordnet ist und die zweite Elektrode ist an einer zweiten Seite des ersten Kristalls angeordnet ist. Die erste und die zweite Seite des ersten Kristalls können gegenüberliegende Seiten des ersten Kristalls sein. Die zweite Elektrode kann parallel zur ersten Elektrode angeordnet sein. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können als ebene Flächen ausgebildet sein. Die erste und/oder die zweite Elektrode können als Schicht, beispielsweise als metallische Schicht ausgebildet sein. Die metallische Schicht kann als Beschichtung mittels eines bekannten Beschichtungsverfahrens auf einer Fläche des ersten Kristalls aufgebracht sein. Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können beispielsweise eine Dicke zwischen 50 nm und 2000 nm aufweisen. Die erste und/oder die zweite Elektrode können alternativ als leitfähige Folie, beispielsweise als Metallfolie oder als Karbonfolie oder als metallisch beschichtete oder als leitfähige Kunststofffolie ausgebildet sein. Eine solche Folie kann beispielsweise eine Dicke zwischen 5 μm und 500 μm aufweisen. Die Folie kann dann vorteilhaft jeweils an einer Fläche des ersten Kristalls angeordnet sein. Die erste und/oder die zweite Elektrode können alternativ als metallisierte Flächen des weiter unten beschriebenen zweiten bzw. dritten Kristalls ausgebildet sein, wobei die metallisierte Fläche des zweiten bzw. dritten Kristalls an jeweils einer Fläche des ersten Kristalls angeordnet werden können. Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode kann eine elektrische Spannung U angelegt werden. Die elektrische Spannung U(t) kann veränderlich, also beispielsweise zeitabhängig, sein. Infolge der elektrischen Spannung kann ein elektrisches Feld im ersten Kristall entstehen. Die elektrische Spannung kann eine Hochspannung sein. Der Betrag der Spannung kann beispielsweise zwischen 0 und 50 kV liegen
Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Strahlweg für einen Lichtstrahl vorgesehen, der durch den ersten Kristall verläuft. Der Lichtstrahl kann den ersten Kristall wenigstens einmal durchlaufen. Der Lichtweg kann auch derart vorgesehen sein, dass der Lichtstrahl den ersten Kristall mehrfach durchläuft. Dazu kann an einer Seite des Kristalle oder vom Kristall beabstandet eine Reflexionsfläche vorgesehen sein. Der erste Kristall kann eine Lichteintrittsfläche und eine Lichtaustrittsfläche aufweisen. Vorteilhaft können die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche entspiegelt sein. Der auf den ersten Kristall einfallende Lichtstrahl kann einen bestimmten ersten Polarisationszustand aufweisen. Der Polarisationszustand kann durch die Amplitude zweier zueinander senkrecht stehender Feldstärkevektoren des Lichts, beispielsweise E-Feld-Vektoren des Lichts, und den Gang- bzw. Phasenunterschied zwischen diesen Vektoren gekennzeichnet sein. Vorteilhaft kann der auf den ersten Kristall einfallende Lichtstrahl linear polarisiert sein. In gleicher Weise kann der vom ersten Kristall ausfallende Lichtstrahl einen zweiten Polarisationszustand aufweisen. Beim Durchlaufen des Strahlwegs im ersten Kristall kann der Lichtstrahl eine Modulation erfahren, die von der Höhe der momentanen Feldstärke des mittels der Elektroden an den Kristall angelegten elektrischen Feldes abhängt. Dadurch kann der zweite Polarisationszustand beeinflusst (moduliert) werden. Die Stärke der Modulation kann proportional zur elektrischen Feldstärke des angelegten elektrischen Feldes sein. Der modulierte Parameter des Lichtstrahls kann der Polarisationszustand sein, also beispielsweise das Amplitudenverhältnis der senkrecht zueinander stehenden Licht-Feldstärke und/oder deren Gang- bzw. Phasenunterschied zueinander. Beispielsweise kann das einfallende Licht in einer ersten Polarisationsrichtung linear polarisiert sein und das ausfallende Licht in einer zweiten Polarisationsrichtung linear polarisiert sein. Dann kann durch die an die Elektroden angelegte elektrische Spannung die zweite Polarisationsrichtung verändert werden. Das heißt, dass die Polarisationsrichtung des Lichts beim Durchgang durch den ersten Kristall gedreht werden kann und der Drehwinkel von der an die Elektroden angelegten elektrischen Spannung abhängen kann.
Es kann auch vorteilhaft sein, einen vorbestimmten Einfallswinkel und einen vorbestimmten Ausfallswinkel des Lichtstrahls in den bzw. aus dem Kristall vorzusehen. Dazu können die Eintritts- oder Austrittsfläche gegenüber dem Lichtweg im ersten Kristall geneigt angeordnet sein. Der Einfallswinkel und/oder der Ausfallswinkel kann beispielsweise 0° betragen. Er kann auch beispielsweise zwischen 3° und 10° betragen. In diesem Falle können Rückreflexe vermieden werden. Er kann auch als Brewsterwinkel ausgebildet sein. Auf diese Weise können Reflexionsverluste an der Grenzfläche reduziert werden.
Der erste Kristall kann in einer Richtung z eine größere Ausdehnung aufweisen als in einer Richtung x und in einer Richtung y. Die Richtungen x, y und z können ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden. Die Ausdehnung des Kristalls in Richtung z kann man als Länge bezeichnen, die in Richtung y als Höhe und die in Richtung x als Breite. Für den Lichtweg durch den ersten Kristall kann die Richtung z vorgesehen sein. Dann können durch die Höhe und die Breite des ersten Kristalls eine Eintrittsapertur und eine Austrittsapertur festgelegt sein.
Der Verbundkristall umfasst außerdem wenigstens einen zweiten Kristall. Der zweite Kristall ist mit dem ersten Kristall an einer ersten Verbindungsfläche verbunden. Die erste Verbindungsfläche ist außerhalb des vorgesehenen Strahlwegs angeordnet. Der zweite Kristall kann so angeordnet sein, dass er nicht von dem Lichtstrahl durchlaufen wird. Das kann den Vorteil haben, dass der zweite Kristall keine optische Qualität aufzuweisen braucht. Außerdem kann für den zweiten Kristall ein Pockels-Effekt entbehrlich sein.
Die erste Verbindungsfläche weist eine Normale y auf. Der erste Kristall weist in einer zu y senkrechten Richtung x einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x in einer zu x und zu y senkrechten Richtung z einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z auf.
Der zweite Kristall weist in der Richtung x einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x2 und in der Richtung z einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z2 auf. Der zweite Kristall kann an den ersten Kristall ausdehnungsangepasst sein. Erfindungsgemäß weicht der thermische Ausdehnungskoeffizient α_x um weniger als 30% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x2 ab. Bevorzugt weicht der thermische Ausdehnungskoeffizient α_x um weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x2 ab. Idealerweise können α_x und α_x2 gleich groß sein. Erfindungsgemäß weicht der thermische Ausdehnungskoeffizient α_z um weniger als 30% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z2 ab. Bevorzugt weicht der thermische Ausdehnungskoeffizient α_z um weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z2 ab. Idealerweise können α_z und α_z2 gleich groß sein. Die eventuelle Abweichung ist betragsmäßig zu betrachten, da der erste Kristall in der jeweiligen Richtung x bzw. z einen kleineren oder einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen kann als der zweite Kristall. Der erste Kristall kann beispielsweise so angeordnet sein, dass die kristallografische c-Achse in Richtung z zeigt. Dann kann beispielsweise α_z erheblich größer sein als α_x, beispielsweise 5 bis 10 mal so groß. Daher kann eine Ausdehnungsanpassung in z-Richtung im Vergleich zu der in Richtung x von besonders großer Bedeutung sein.
Der erste und der zweite Kristall können jeweils eine c-Achse aufweisen. Die c-Achse des zweiten Kristalls kann vorteilhaft parallel zur c-Achse des ersten Kristalls angeordnet sein. Eine Ausdehnungsanpassung beider Kristalle an der ersten Verbindungsfläche kann dadurch erreicht werden, dass der zweite Kristall mit der kristallografischen c-Richtung parallel zur c-Richtung des ersten Kristalls orientiert wird.
Der erste Kristall und der zweite Kristall können vorteilhaft die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen, d. h. sie können aus den gleichen Gitteratomen aufgebaut sein, die im gleichen stöchiometrischen Verhältnis vorliegen. Der erste und der zweite Kristall können dann die gleiche chemische Summenformel ausweisen. Der erste Kristall und der zweite Kristall können beispielsweise aus dem gleichen Material bestehen und eine identische Kristallstruktur aufweisen. Der erste Kristall und der zweite Kristall können aber auch aus unterschiedlichen Phasen desselben Materials bestehen. Der erste Kristall und der zweite Kristall können auch bei ansonsten gleicher chemischer Zusammensetzung unterschiedliche Isotope aufweisen. In den in diesem Absatz genannten Fällen kann die oben beschriebene Anpassung der thermischen Ausdehnung dadurch erreicht werden, dass die c Achse des zweiten Kristalls parallel zur c-Achse des ersten Kristalls ausgerichtet ist.
Beispielsweise kann die Summenformel des zweiten Kristalls ein oder mehrere Wasserstoffatome aufweisen, die in der Summenformel des ersten Kristalls ganz oder teilweise durch Deuteriumatome ersetzt sind. Beispielsweise kann der erste Kristall ein KD·P Kristall sein, während der zweite Kristall ein KDP-Kristall ist. Ein Vorteil kann darin bestehen, dass der zweite Kristall aus einem billigeren Material hergestellt werden kann.
Der zweite Kristall kann aber auch aus einem vom ersten Kristall verschiedenen Material bestehen, wenn mit den entsprechenden Materialien eine thermische Ausdehnungsanpassung hergestellt werden kann.
Der erste Kristall kann vorteilhaft ein nicht inversionssymmetrischer Kristall sein. Der zweite Kristall kann, muss aber nicht, ein inversionssymmetrischer Kristall sein. Das kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn ein inversionssymmetrischer Kristall billiger ist als ein vergleichbarer nicht inversionssymmetrischer. Beispielsweise kann der erste Kristall ein β-BBO Kristall sein. Der zweite Kristall kann ein α-BBO Kristall sein. Das hat den Vorteil, dass nur der erste Kristall aus dem relativ teuren β-BBO besteht, während der zweite Kristall aus dem billigeren α-BBO besteht. In diesem Fall können also verschiedene Phasen ein und desselben Materials vorliegen.
Der zweite Kristall kann dazu verwendet werden, eine Veränderung der akustischen Resonanzfrequenzen des ersten Kristalls zu bewirken. Das kann bedeuten, dass die Frequenzbereiche, in denen Ringing auftritt, verschoben werden können. Außerdem können die die Frequenzbereiche, in denen kein Ringing auftritt verschoben und/oder verbreitert werden. Der Vergleich kann zwischen einer Anordnung mit der erfindungsgemäßen Verwendung des zweiten Kristalls gegenüber einer Anordnung ohne Verwendung eines zweiten Kristalls erfolgen. Vorteilhaft kann der zweite Kristall ein größeres Volumen aufweisen als der erste Kristall. Unter akustischen Resonanzfrequenzen kann man die mechanischen Eigenfrequenzen verschiedener Schwingungsmoden des ersten Kristalls verstehen.
Die erste Verbindungsfläche kann sich auf der ersten Elektrode oder auf der zweiten Elektrode befinden. Es ist aber auch möglich, dass sich die Verbindungsfläche auf keiner der beiden Elektroden befindet.
Der zweite Kristall kann eine Metallisierung aufweisen. Die Metallisierung des zweiten Kristalls kann sich über die erste Verbindungsfläche und wenigstens eine weitere Fläche des zweiten Kristalls erstreckt. Insbesondere wenn sich die Verbindungsfläche auf einer Elektrode befindet, kann eine Metallisierung des zweiten Kristalls dazu benutzt werden, die elektrische Spannung an die Elektrode anzulegen. Besonders vorteilhaft kann eine umlaufende Metallisierung des zweiten Kristalls sein.
Der zweite Kristall kann eine oder mehrere Ausnehmungen aufweisen. In den Ausnehmungen oder seitlich neben dem zweiten Kristall können ein oder mehrere elektrische Verbindungselemente angeordnet sein. Diese können dazu vorgesehen sein, die elektrische Spannung an die erste und/oder zweite Elektrode heranzuführen.
Der erste Kristall kann kraftschlüssig mit einem ersten Kontaktkörper verbunden sein. Der erste Kontaktkörper kann elektrisch leitfähig sein und/oder eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen. Der erste Kontaktkörper kann aus einem isotropen Material bestehen. Der erste Kristall kann beispielsweise an einer Elektrode, d. h. an der ersten oder an der zweiten Elektrode, flächig mit dem ersten Kontaktkörper verbunden sein, wobei diese Verbindung elektrisch leitfähig sein kann. Die Verbindung kann durch Andrücken mit einer bestimmten Kraft erfolgen. Der erste Kristall kann über eine erste flexible Schicht mit einem ersten Kontaktkörper verbunden sein. Vorteilhaft kann man diese Verbindung durch Kraftschluss herstellen. Die Kraft kann bevorzugt normal zu der flexiblen Schicht gerichtet sein. Die erste flexible Schicht kann elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Die erste flexible Schicht kann dazu vorgesehen sein, die unterschiedliche thermische Ausdehnung des ersten Kristalls im Bezug auf den ersten Kontaktkörper auszugleichen, wobei die Unterschiede der thermischen Ausdehnung zudem richtungsabhängig sein können. Durch den Kraftschluss und/oder die erste flexible Schicht können thermisch induzierte mechanische Spannungen im ersten Kristall vermieden werden.
Der zweite Kristall kann kraftschlüssig mit einem ersten Kontaktkörper verbunden sein. Der erste Kontaktkörper kann elektrisch leitfähig sein und/oder eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen. Der erste Kontaktkörper kann aus einem isotropen Material bestehen. Der zweite Kristall kann beispielsweise an einer Elektrode, d. h. an der ersten oder an der zweiten Elektrode, flächig mit dem ersten Kontaktkörper verbunden sein, wobei diese Verbindung elektrisch leitfähig sein kann. Die Verbindung kann durch Andrücken mit einer bestimmten Kraft erfolgen. Der zweite Kristall kann über eine erste flexible Schicht mit einem ersten Kontaktkörper verbunden sein. Vorteilhaft kann man diese Verbindung durch Kraftschluss herstellen. Die Kraft kann bevorzugt normal zu der flexiblen Schicht gerichtet sein. Die erste flexible Schicht kann elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Die erste flexible Schicht kann dazu vorgesehen sein, die unterschiedliche thermische Ausdehnung des zweiten Kristalls im Bezug auf den ersten Kontaktkörper auszugleichen, wobei die Unterschiede der thermischen Ausdehnung zudem richtungsabhängig sein können. Durch den Kraftschluss und/oder die erste flexible Schicht können thermisch induzierte mechanische Spannungen im zweiten Kristall vermieden werden.
Der erste Kristall kann mit einem dritten Kristall an einer zweiten Verbindungsfläche verbunden sein. Die zweite Verbindungsfläche kann parallel zur ersten Verbindungsfläche sein. Die zweite Verbindungsfläche kann auf einer der ersten Verbindungsfläche gegenüberliegenden Seite des ersten Kristalls angeordnet sein. Die erste Verbindungsfläche kann auf der ersten Elektrode, die zweite Verbindungsfläche auf der zweiten Elektrode angeordnet sein.
Der dritte Kristall kann kraftschlüssig mit einem zweiten Kontaktkörper verbunden sein. Der zweite Kontaktkörper kann elektrisch leitfähig sein und/oder eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen. Der zweite Kontaktkörper kann aus einem isotropen Material bestehen. Der dritte Kristall kann beispielsweise an einer Elektrode, d. h. an der ersten oder an der zweiten Elektrode, flächig mit dem zweiten Kontaktkörper verbunden sein, wobei diese Verbindung elektrisch leitfähig sein kann. Die Verbindung kann durch Andrücken mit einer bestimmten Kraft erfolgen. Der dritte Kristall kann über eine zweite flexible Schicht mit einem zweiten Kontaktkörper verbunden sein. Vorteilhaft kann man diese Verbindung durch Kraftschluss herstellen. Die Kraft kann bevorzugt normal zu der flexiblen Schicht gerichtet sein. Die zweite flexible Schicht kann elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Die zweite flexible Schicht kann dazu vorgesehen sein, die unterschiedliche thermische Ausdehnung des dritten Kristalls im Bezug auf den zweiten Kontaktkörper auszugleichen, wobei die Unterschiede der thermischen Ausdehnung zudem richtungsabhängig sein können. Durch den Kraftschluss und/oder die zweite flexible Schicht können thermisch induzierte mechanische Spannungen im dritten Kristall vermieden werden.
Der erste Kontaktkörper oder der zweite Kontaktkörper kann als Grundplatte oder Gehäuse ausgebildet sein. Der erste Kontaktkörper oder der zweite Kontaktkörper kann ein elektrisches Massepotential aufweisen. Das kann bedeuten, dass dieser Kontaktkörper geerdet ist. Dann kann der andere Kontaktkörper mit der Hochspannung beaufschlagt werden. In diesem Fall kann die Hochspannungsquelle als asymmetrische Spannungsquelle bezüglich dem Massepotential ausgebildet sein.
Eine Vorrichtung zum Erzeugen einer gepulsten Laserstrahlung kann eine oben beschriebene erfindungsgemäße Pockelszelle nach einem der nachstehenden Ansprüche umfassen, außerdem einen Laserresonator, ein im Laserresonator angeordnetes optisches Verstärkermedium und eine Pumpquelle. Der Lichtstrahl, für welchen der Strahlweg im ersten Kristall vorgesehen ist, kann in diesem Fall ein Laserstrahl sein. Die Pumpquelle dient zum Pumpen des Lasermediums. Das Lasermedium kann beispielsweise ein Laserkristall, eine Laserscheibe, eine aktive optische Faser oder eine Halbleiterlaserscheibe sein. Die Pumpquelle kann ein Diodenlaser sein. Die Pockelszelle kann im Laserresonator angeordnet sein. Der Laserresonator kann als Laseroszillator ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann beispielsweise als gütegeschalteter Laser ausgebildet sein, die ohne Eingangspulse selbst anschwingen kann. Der Laserresonator kann aber auch als Laserverstärker ausgebildet sein, welcher einen Eingang für wenigstens einen zu verstärkenden Laserpuls aufweist. Der Laserverstärker kann als regenerativer Verstärker ausgebildet sein, beispielsweise als Ultrakurzpulslaser. Ein Ultrakurzpulslaser kann zum Erzeugen von Laserpulsen von weniger als 50 ps oder weniger als 10 ps vorgesehen sein. Der Laserresonator kann weiterhin ein Element zur Frequenzvervielfachung enthalten. Die Pockelszelle kann dafür vorgesehen sein, zu einem zweiten Zeitpunkt jeweils einen Laserpuls oder eine Laserpulsfolge aus dem Laserresonator auszukoppeln. Das Auskoppeln kann durch das Zusammenwirken der Pockelszelle mit einem polarisationsabhängigen Reflexionselement erfolgen. Die Pockelszelle kann außerdem dafür vorgesehen sein, zu einem ersten Zeitpunkt jeweils einen Laserpuls oder eine Laserpulsfolge in den Laserresonator einzukoppeln.
Die Herstellung einer erfindungsgemäßem Pockelszelle kann folgende Schritte umfassen:

a) Bereitstellen eines ersten Kristalls, wobei der erste Kristall einen Pockels-Effekt zeigt, und wenigstens ein Strahlweg für einen Lichtstrahl vorgesehen ist, der durch den ersten Kristall verläuft
b) Anbringen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode an dem ersten Kristall,
c) Bereitstellen eines zweiten Kristalls,
d) Verbinden des zweiten Kristalls mit dem ersten Kristall an einer ersten Verbindungsfläche, wobei die erste Verbindungsfläche außerhalb des vorgesehenen Strahlwegs angeordnet ist. Die erste Verbindungsfläche weist eine Normale y auf, wobei der erste Kristall in einer zu y senkrechten Richtung x einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x aufweist und der erste Kristall in einer zu x und zu y senkrechten Richtung z einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z aufweist und

_x2

_z2

_x

_x2

_z

_z2

Die Figuren zeigen Folgendes:
1 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines ersten Ausführungsbeispiels in einem xy-Schnitt.
2 zeigt die erfindungsgemäße Pockelszelle des ersten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines zweiten Ausführungsbeispiels in einem xy-Schnitt.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines dritten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines vierten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines fünften Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines sechsten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt.
8 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines siebenten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt.
9 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines achten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt.
10 zeigt eine erfindungsgemäße Laseranordnung.
11 zeigt beispielhaft eine vorteilhafte Wirkung der Verwendung des zweiten Kristalls.
Ausführungsbeispiele:
1 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines ersten Ausführungsbeispiels in einem xy-Schnitt. Die Pockelszelle 1 umfasst einen Verbundkristall 2. Der Verbundkristall 2 umfasst einen ersten Kristall 3 und einen zweiten Kristall 4. Weiterhin umfasst die Pockelszelle eine erste Elektrode 11, die auf einer ersten Seite des ersten Kristalls angeordnet ist und eine zweite Elektrode 12, die auf der gegenüberliegenden zweiten Seite des ersten Kristalls angeordnet ist. Die erste und die zweite Elektrode sind als metallische Schichten ausgebildet, die Dicken zwischen 50 nm und 2000 nm aufweisen. Der zweite Kristall 4 ist mit dem ersten Kristall 3 an einer ersten Verbindungsfläche 9 verbunden. Die erste Verbindungsfläche befindet sich auf der ersten Seite des ersten Kristalls, auf der die erste Elektrode angeordnet ist. Die erste Verbindungsfläche 9 weist eine Normale auf, die in Richtung y zeigt. Der erste Kristall 3 weist einen Pockels-Effekt auf. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung U(t) an die Anschlüsse 20 kann in dem ersten Kristall ein elektrisches Feld 18 erzeugt werden.
2 zeigt die erfindungsgemäße Pockelszelle des ersten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt. Es ist ein Strahlweg für einen Lichtstrahl 22 vorgesehen, der durch den ersten Kristall 3 verläuft. Der Lichtstrahl kann durch eine veränderliche Spannung U(t) moduliert werden. Dabei ist eine Modulation des Polarisationszustands, beispielsweise eine Drehung der Polarisationsrichtung möglich. Ebenso möglich ist eine Modulation der Phase des Lichtstrahls. Die erste Verbindungsfläche 9 ist außerhalb des vorgesehenen Strahlwegs 22 angeordnet. Die c-Achsen des ersten und des zweiten Kristalls sind parallel und in Richtung z angeordnet. Dadurch wird an der ersten Verbindungsfläche eine Ausdehnungsanpassung erreicht und zwar in Richtung z und in Richtung x. Die Richtungen x, y und z bilden ein rechtwinkliges Koordinatensystem.
In einer speziellen Ausführung des ersten Ausführungsbeispiels ist der erste Kristall ein KD·P Kristall und der zweite Kristall ein KDP-Kristall, die beide so orientiert sind, dass die c-Achse jeweils in z-Richtung liegt. Beide Kristalle haben in Richtung z gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten α_z bzw. α_z2 von 44·10^–6 K^–1. Der erste Kristall hat in Richtung x einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x von 19·10^–6 K^–1 und der zweite Kristall in der Richtung x einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x2 von 25·10^–6 K^–1. Der thermische Ausdehnungskoeffizient α_x weicht somit um 24% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x2 ab. Damit ist in Richtung z eine ideale, in Richtung x eine ausreichende, wenn auch nicht ganz ideale thermische Anpassung vorhanden.
In einer weiteren speziellen Ausführung des ersten Ausführungsbeispiels ist der erste Kristall ein beta-BBO Kristall und der zweite Kristall ein alpha-BBO-Kristall, die beide so orientiert sind, dass die c-Achse jeweils in z-Richtung liegt. Beide Kristalle haben in Richtung z gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten α_z bzw. α_z2 von 36·10^–6K^–1 und in Richtung x ebenfalls gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten α_x bzw. α_x2 von 4·10^–6K^–1 Damit ist in beiden Richtung x und z eine ideale thermische Anpassung vorhanden.
In einer weiteren speziellen Ausführung des ersten Ausführungsbeispiels ist der erste Kristall ein Lithiumniobatkristall und der zweite Kristall ebenfalls ein Lithiumniobatkristall, die beide so orientiert sind, dass die c-Achse beider Kristalle parallel orientiert und die a-Achsen beider Kristalle ebenfalls parallel zueinander orientiert sind. Damit ist in beiden Richtung x und z eine ideale thermische Anpassung vorhanden.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines zweiten Ausführungsbeispiels in einem xy-Schnitt. Bei dieser Ausführung liegt die erste Verbindungsfläche 9 an einer Seite des ersten Kristalls 3, an welcher keine Elektrode angebracht ist. Das elektrische Feld 18 verläuft hier in Richtung x. Der Strahlweg 22 ist in Richtung z vorgesehen.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines dritten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt. Zusätzlich zum ersten Kristall 3 ist ein vierter Kristall 8 vorhanden. Während das elektrische Feld 18 im ersten Kristall in Richtung x liegt, liegt das elektrische Feld 19 im vierten Kristall in Richtung y.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines vierten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt. Hier wird ein elektrisches Feld 18 in Richtung z erzeugt, welches parallel zum Strahlweg 22 liegt. Die Elektroden 11, 12 sind an den Stirnseiten des ersten Kristalls angeordnet und als Ringelektroden ausgebildet.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines fünften Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt. Dabei ist zusätzlich zum ersten 3 und zweiten Kristall 4 ein dritter Kristall 6 vorhanden, der an einer zweiten Verbindungsfläche 10 mit dem ersten Kristall verbunden ist. Der zweite Kristall weist eine umlaufende Metallisierung 5 auf, der dritte Kristall eine umlaufende Metallisierung 7. Eine Kraft 17, beispielsweise eine Klemmkraft, hält die Kristalle zwischen einem ersten Kontaktkörper 15 und einem zweiten Kontaktkörper 16 fest. Der zweite Kontaktkörper ist als Grundplatte bzw. Gehäuseboden ausgebildet und mit einem elektrischen Massepotential 21 verbunden. Außerdem ist der zweite Kontaktkörper über eine elektrisch leitende, zweite flexible Schicht 14 und die umlaufende Metallisierung 7 des dritten Kristalls mit der zweiten Elektrode 12 elektrisch verbunden. Der erste Kontaktkörper ist über eine elektrisch leitende erste flexible Schicht 13 und die umlaufende Metallisierung 5 mit der ersten Elektrode 11 elektrisch verbunden. Daher kann der erste Kontaktkörper zum Anschluss der Spannung U(t) benutzt werden und die Spannung wird gegenüber dem Massepotential angelegt. Die Kontaktkörper bestehen aus Metall und die beiden flexiblen Schichten sorgen dafür, dass keine thermisch induzierten mechanischen Verspannungen auftreten können. Sie wirken als Dehnungsausgleich in der Schichtebene.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines sechsten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt. Hier ist der erste Kristall 3 mit einem ersten Kontaktkörper 15 verbunden.
8 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines siebenten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt. Hier ist ebenfalls eine Klemmung mit einer Klemmkraft 17 vorgesehen. Der erste Kristall wird mit einer zweiten flexiblen Schicht 14 auf den zweiten Kontaktkörper 16 aufgelegt. Der zweite Kristall 4 weist eine Ausnehmung 24 auf, in welcher ein elektrisches Verbindungselement 23, beispielsweise eine Feder oder eine Durchkontaktierung, angeordnet ist, wobei das Verbindungselement die erste Elektrode 11 elektrisch mit dem ersten Kontaktkörper 15 verbindet.
9 zeigt eine erfindungsgemäße Pockelszelle eines achten Ausführungsbeispiels in einem yz-Schnitt. Hier ist der zweite Kristall 4 mit dem ersten Kontaktkörper 1516 verbunden.
10 zeigt eine erfindungsgemäße Laseranordnung. Die Laseranordnung 25 zum Erzeugen einer gepulsten Laserstrahlung umfasst einen Laserresonator 26 und eine Pumplichtquelle 30. Der Laserresonator wird von einem ersten Spiegel 27 und einem zweiten Spiegel 28 begrenzt. Im Resonator ist ein Verstärkermedium 29 angeordnet, das von der Pumpquelle gepumpt wird, um eine Besetzungsinversion zu erreichen. Weiterhin sind im Laserresonator angeordnet eine erfindungsgemäße Pockelszelle 1, eine Phasenverzögerungsplatte 32 und ein Polarisator 31. Der Resonator weist einen offenen Zustand auf, in welchem keine Laserstrahlung ausgebildet ist bzw. keine Verstärkung eines Laserpulses möglich ist. Außerdem weist der Resonator einen geschlossenen Zustand auf, in welchem Laserstrahlung entstehen und/oder ein Laserpuls im Resonator zwischen beiden Spiegeln hin und her laufen kann und während eines Umlaufs jeweils verstärkt wird. Mittels Umschalten des Hochspannungswertes an den Elektroden der Pockelszelle kann der Resonator zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand umgeschaltet werden. Bei einem regenerativen Verstärker wird durch das Umschalten zwischen dem offenen und dem geschlossenen Resonatorzustand die Ein- und Auskopplung der Pulse bewirkt. Ein Eingangspuls 33 kann im offenen Zustand des Resonators in den Resonator eingeführt werden. Dann wird dieser im geschlossenen Zustand des Resonators verstärkt. Wenn die gewünschte Pulsenergie erreicht ist, wird der Resonator wieder in den offenen Zustand umgeschaltet und der verstärkte Ausgangspuls 34 kann den Resonator verlassen.
11 zeigt beispielhaft eine vorteilhafte Wirkung der Verwendung des zweiten Kristalls. Die Kurve 35 zeigt die Frequenzbereiche, in welchen ein Ringing auftritt für den Fall, dass die Pockelszelle herkömmlich ohne Verwendung eines zweiten Kristalls aufgebaut wird. Dabei wurde ein 4 mm dicker erster Kristall verwendet. Die Kurve 36 zeigt die Frequenzbereiche in welchen ein Ringing auftritt für den Fall, dass die Pockelszelle erfindungsgemäß zusätzlich zum ersten Kristall einen zweiten Kristall umfasst. Dabei wurde ein zweiter Kristall mit einer Dicke von 4 mm auf den ersten Kristall aufgeklebt. Damit kann gezeigt werden, dass es in diesem Fall allein durch die erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht wird, die Frequenzbereiche zwischen 410 kHz und 550 kHz sowie zwischen 200 kHz und 330 kHz uneingeschränkt zur Modulation zu verwenden, ohne dass eine Beeinträchtigung durch Ringing zu befürchten wäre. Durch die Verwendung eines noch dickeren zweiten Kristalls können die Bereiche oberhalb von 200 kHz, in denen Ringing auftritt, ganz beseitigt werden.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die Figuren nicht maßstäblich gezeichnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Pockelszelle
2: Verbundkristall
3: Erster Kristall
4: Zweiter Kristall
5: Metallisierung des zweiten Kristalls
6: Dritter Kristall
7: Metallisierung des dritten Kristalls
8: Vierter Kristall
9: Erste Verbindungsfläche
10: Zweite Verbindungsfläche
11: Erste Elektrode
12: Zweite Elektrode
13: Erste flexible Schicht
14: Zweite flexible Schicht
15: Erster Kontaktkörper
16: Zweiter Kontaktkörper
17: Kraft
18: Elektrisches Feld
19: Elektrisches Feld im vierten Kristall
20: Anschluß für elektrische Spannung
21: Elektrisches Massepotential
22: Lichtstrahl, Strahlweg
23: Elektrisches Verbindungselement
24: Ausnehmung
25: Vorrichtung zum Erzeugen einer gepulsten Laserstrahlung
26: Laserresonator
27: Erster Spiegel
28: Zweiter Spiegel
29: Verstärkermedium
30: Pumpquelle
31: Polarisator
32: Phasenverzögerungsplatte
33: Eingangspuls
34: Ausgangspuls
35: Frequenzbereiche mit Ringing für Pockelszelle ohne zweiten Kristall
36: Frequenzbereiche mit Ringing für Pockelszelle mit zweitem Kristall

Claims

Pockelszelle (1), umfassend a) einen Verbundkristall (2) b) eine erste Elektrode (11) c) eine zweite Elektrode (12) wobei der Verbundkristall (2) wenigstens einen ersten Kristall (3) und wenigstens einen zweiten Kristall (4) umfasst und der erste Kristall (3) einen Pockels-Effekt aufweist und die erste Elektrode (11) an einer ersten Seite des ersten Kristalls (3) angeordnet ist und die zweite Elektrode (12) an einer zweiten Seite des ersten Kristalls (3) angeordnet ist und wenigstens ein Strahlweg für einen Lichtstrahl (22) vorgesehen ist, der durch den ersten Kristall (3) verläuft und der zweite Kristall (4) mit dem ersten Kristall (3) an einer ersten Verbindungsfläche (9) verbunden ist, wobei die erste Verbindungsfläche (9) außerhalb des vorgesehenen Strahlwegs (22) angeordnet ist und die erste Verbindungsfläche (9) eine Normale y aufweist wobei der erste Kristall in einer zu y senkrechten Richtung x einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x aufweist und der erste Kristall in einer zu x und zu y senkrechten Richtung z einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z aufweist und der zweite Kristall in der Richtung x einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x2 aufweist und der zweite Kristall in der Richtung z einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z2 aufweist und der thermische Ausdehnungskoeffizient α_x um weniger als 30% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x2 abweicht und der thermische Ausdehnungskoeffizient α_z um weniger als 30% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z2 abweicht.
Pockelszelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall zur Modulation von Licht mit einer Lichtausbreitungsrichtung in der Richtung z vorgesehen ist und dass der thermische Ausdehnungskoeffizient α_z um weniger als 10% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z2 abweicht.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall und der zweite Kristall aus den gleichen Gitteratomen aufgebaut sind und die Gitteratome im gleichen stöchiometrischen Verhältnis vorliegen.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall ein nicht inversionssymmetrischer Kristall ist und der zweite Kristall ein inversionssymmetrischer Kristall ist.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall aus KD·P besteht und der zweite Kristall aus KDP besteht oder dass der erste Kristall aus beta-BBO besteht und der zweite Kristall aus alpha-BBO besteht.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kristall mit dem ersten Kristall stoffschlüssig und/oder mittels eines Fügemittels verbunden ist.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Verbindungsfläche auf der ersten Elektrode oder auf der zweiten Elektrode befindet.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kristall eine Metallisierung (5) aufweist, die sich über die erste Verbindungsfläche und wenigstens eine weitere Fläche des zweiten Kristalls erstreckt
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall kraftschlüssig (17) und/oder über eine erste flexible Schicht (13) mit einem ersten Kontaktkörper (15) verbunden ist.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kristall kraftschlüssig (17) und/oder über eine erste flexible Schicht (13) mit einem ersten Kontaktkörper verbunden ist.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kristall mit einem dritten Kristall (6) an einer zweiten Verbindungsfläche (10) verbunden ist,
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kristall kraftschlüssig und/oder über eine zweite flexible Schicht (14) mit einem zweiten Kontaktkörper (16) verbunden ist.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontaktkörper (15) oder der zweite Kontaktkörper (16) ein elektrisches Massepotential (21) aufweist.
Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste flexible Schicht (13) und/oder die zweite flexible Schicht (14) elektrisch leitfähig ausgebildet sind.
Vorrichtung zum Erzeugen einer gepulsten Laserstrahlung, umfassend eine Pockelszelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, einen Laserresonator (26), ein im Laserresonator angeordnetes optisches Verstärkermedium (29), eine Pumpquelle (30), wobei der Lichtstrahl, für welchen der Strahlweg (22) vorgesehen ist, ein Laserstrahl ist.
Verwendung eines zweiten Kristalls (4), welcher eine c-Achse aufweist, zur Veränderung der akustischen Resonanzfrequenzen eines ersten elektrooptischen-Kristalls (3), welcher eine c-Achse aufweist, wobei der erste Kristall (3) und der zweite Kristall (4) eine identische chemische Zusammensetzung aufweisen oder sich die chemische Zusammensetzung des zweiten Kristalls von der des ersten lediglich durch Isotope unterscheidet, und der erste und der zweite Kristall eine identische Kristallstruktur aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Phasen desselben Materials bestehen, und der zweite Kristall mit dem ersten Kristall an einer ersten Verbindungsfläche (9) derart verbunden ist, dass die c-Achse des zweiten Kristalls parallel zur c Achse des ersten Kristalls ist, wobei der erste Kristall mit einem elektrischen Feld (18) beaufschlagt werden kann und wenigstens ein Strahlweg (22) für einen Lichtstrahl vorgesehen ist, der durch den ersten Kristall (3) verläuft.
Verfahren zur Herstellung einer Pockelszelle (1) umfassend a) Bereitstellen eines ersten Kristalls (3), wobei der erste Kristall einen Pockels-Effekt zeigt, und wenigstens ein Strahlweg (22) für einen Lichtstrahl vorgesehen ist, der durch den ersten Kristall (3) verläuft b) Anbringen einer ersten Elektrode (11) und einer zweiten Elektrode (12) an dem ersten Kristall, c) Bereitstellen eines zweiten Kristalls (4), d) Verbinden des zweiten Kristalls mit dem ersten Kristall an einer ersten Verbindungsfläche (9), wobei die erste Verbindungsfläche (9) außerhalb des vorgesehenen Strahlwegs (22) angeordnet ist wobei die erste Verbindungsfläche (9) eine Normale y aufweist und der erste Kristall (3) in einer zu y senkrechten Richtung x einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x aufweist und der erste Kristall in einer zu x und zu y senkrechten Richtung z einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z aufweist und der zweite Kristall in der Richtung x einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x2 aufweist und der zweite Kristall in der Richtung z einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z2 aufweist und der thermische Ausdehnungskoeffizient α_x um weniger als 30% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_x2 abweicht und der thermische Ausdehnungskoeffizient α_z um weniger als 30% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_z2 abweicht.