DE102017223197B3 - Method and device for frequency conversion - Google Patents

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DE102017223197B3 DE102017223197.1A DE102017223197A DE102017223197B3 DE 102017223197 B3 DE102017223197 B3 DE 102017223197B3 DE 102017223197 A DE102017223197 A DE 102017223197A DE 102017223197 B3 DE102017223197 B3 DE 102017223197B3
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Chris Müller
Oliver Benson
Andreas Ahlrichs
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Humboldt Universitaet zu Berlin
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Humboldt Univ Zu Berlin
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Frequenzumsetzung elektromagnetischer Strahlung unter Mitwirkung von Pumpstrahlung (P). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Frequenzumsetzung in einem einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall (20) durchgeführt wird, ein erster Kristallabschnitt (A1) mit einer individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung (31) auf eine erste Kristalltemperatur (T1) temperiert und als erste Konverterstufe zur Frequenzumsetzung betrieben wird, und ein in Ausbreitungsrichtung der Pumpstrahlung (P) - unmittelbar oder getrennt durch einen Zwischenkristallabschnitts (Az) - hinter dem ersten Kristallabschnitt (A1) liegender zweiter Kristallabschnitt (A2) mit einer individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung (32) auf eine zweite, von der ersten Temperatur unterschiedliche, Kristalltemperatur (T2) temperiert wird und als zweite Konverterstufe zur Frequenzumsetzung betrieben wird.The invention relates to a method for frequency conversion of electromagnetic radiation with the assistance of pump radiation (P). According to the invention, it is provided that the frequency conversion is carried out in a one-piece, optically nonlinear crystal (20), a first crystal section (A1) with an individually adjustable first tempering device (31) tempered to a first crystal temperature (T1) and operated as a first converter stage for frequency conversion is, and in the propagation direction of the pump radiation (P) - directly or separated by an intermediate crystal section (Az) - behind the first crystal section (A1) lying second crystal section (A2) with an individually adjustable second tempering device (32) to a second, of the temperature first different temperature, crystal temperature (T2) is controlled and operated as a second converter stage for frequency conversion.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Frequenzumsetzung elektromagnetischer Strahlung unter Mitwirkung von Pumpstrahlung.The invention relates to a method for frequency conversion of electromagnetic radiation with the assistance of pump radiation.

Bei nichtlinearen Mischprozessen zweiter Ordnung müssen die Energieerhaltung und die Impulserhaltung, auch Phasenanpassung genannt, erfüllt sein.In non-linear mixing processes of the second order, the conservation of energy and the conservation of momentum, also called phase matching, must be fulfilled.

Im Falle einer Summenfrequenzerzeugung (auch kurz SFG genannt) wird ein Photon mit höherer Energie aus zwei anderen Photonen erzeugt, wobei wegen der Energieerhaltung ω 1 + ω 2 = ω 3

Figure DE102017223197B3_0001
gilt. Dabei sind ω1, ω2, ω3 die Kreisfrequenzen der drei involvierten Photonen.In the case of a sum frequency generation (also called SFG for short), a photon with higher energy is generated from two other photons, whereby, because of the energy conservation ω 1 + ω 2 = ω 3
Figure DE102017223197B3_0001
applies. In this case, ω1, ω2, ω3 are the angular frequencies of the three photons involved.

Die Phasenanpassung für die Summenfrequenzerzeugung erfordert k 1 + k 2 = k 3,

Figure DE102017223197B3_0002
wobei ki = ωi * ni/c (i=1...3) die Wellenvektoren der Photonen für die korrespondierenden Kreisfrequenzen ωi in einem Material mit dem dazugehörigen Brechungsindex ni bezeichnen.The phase adjustment for the sum frequency generation requires k 1 + k 2 = k 3,
Figure DE102017223197B3_0002
where ki = ωi * ni / c (i = 1 ... 3) denote the wave vectors of the photons for the corresponding angular frequencies ωi in a material with the associated refractive index ni.

Durch Temperaturänderung kann der Brechungsindex im Material verändert und eine Phasenanpassung erreicht werden. Wenn die Phasenanpassung nicht oder zumindest nicht ausreichend vorliegt, tritt keine Mischung auf oder die Konversionseffizienz sinkt zumindest drastisch.By changing the temperature, the refractive index in the material can be changed and a phase matching can be achieved. If the phase matching is not, or at least not sufficient, no mixture occurs or the conversion efficiency drops at least drastically.

Neben der Summenfrequenzerzeugung gibt es auch eine Differenzfrequenzerzeugung (auch kurz DFG genannt), bei der die Differenz aus zwei Photonenfrequenzen erzeugt wird, wobei gilt: ω 1 + ω 2 = ω 3 ( wegen der Energieerhaltung )

Figure DE102017223197B3_0003
k 1 + k 2 = k 3 ( wegen der Phasenanpassung )
Figure DE102017223197B3_0004
In addition to the sum frequency generation, there is also a difference frequency generation (also called DFG for short) in which the difference is generated from two photon frequencies, where: ω 1 + ω 2 = ω 3 ( because of the energy conservation )
Figure DE102017223197B3_0003
k 1 + k 2 = k 3 ( because of the phase matching )
Figure DE102017223197B3_0004

Die Differenzfrequenzerzeugung und die Summenfrequenzerzeugung werden häufig verwendet, um zum Beispiel Laserlicht mit einer Wellenlänge zu generieren, die sonst nicht so einfach erzeugt werden könnte.Differential frequency generation and sum frequency generation are often used, for example, to generate laser light of a wavelength that otherwise would not be easily generated.

Im Stand der Technik ist bekannt, ein nichtlineares Material mit Phasenanpassungsperiodizität auszubilden, um die Konversion für mehr Frequenzen zu ermöglichen („Enhancement of second-harmonic generation in LiNb03 crystals with periodic laminar ferroelectric domains“, Duan Feng et al., Applied Physics Letters 37, 607 (1980) ).It is known in the prior art to form a non-linear material with phase matching periodicity to allow conversion to more frequencies ("enhancement of second-harmonic generation in LiNb03 crystals with periodic laminar ferroelectric domains", Duan Feng et al., Applied Physics Letters 37, 607 (1980) ).

Aus dem US-Patent US 5,768,302 A ist ebenfalls eine Phasenanpassung mit unterschiedlichen Periodizitäten bekannt. Die verschiedenen Periodizitäten werden benutzt, um kurze Laserpulse, welche breit in der Frequenzdomäne sind, zu konvertieren.From the US patent US 5,768,302 A is also known a phase matching with different periodicities. The different periodicities are used to convert short laser pulses that are wide in the frequency domain.

Die Druckschriften DE 10 2014 017 931 B3 , DE 10 2016 112 343 B3 , DE 694 30 281 T2 , US 2002/0154663 A1 und WO 2017/062501 A1 befassen sich ebenfalls mit nichtlinearen Materialien und darauf basierenden Verfahren.The pamphlets DE 10 2014 017 931 B3 . DE 10 2016 112 343 B3 . DE 694 30 281 T2 . US 2002/0154663 A1 and WO 2017/062501 A1 also deal with nonlinear materials and methods based on them.

Die Druckschrift US 5,898,718 A offenbart ein Verfahren und eine Frequenzumsetzeinrichtung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 8.The publication US 5,898,718 A discloses a method and a frequency conversion device having the features according to the preamble of claims 1 and 8, respectively.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine Frequenzumsetzung besonders effizient möglich ist.The invention has for its object to provide a method with which a frequency conversion is particularly efficient.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features according to claim 1. Advantageous embodiments of the method according to the invention are specified in subclaims.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste und zweite Kristallabschnitt unterschiedliche Kristallperioden aufweisen. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der erste Kristallabschnitt mit der individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung auf eine erste Kristalltemperatur temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des Nutzsignals und der Pumpstrahlung für die Signaleingangsfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als erste Konverterstufe arbeitenden ersten Kristallabschnitt die Frequenz des Nutzsignals von der Signaleingangsfrequenz unter Bildung eines ersten Zwischensignals in eine erste Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der Signaleingangsfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht, und der zweite Kristallabschnitt mit der individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung auf eine zweite, von der ersten Temperatur unterschiedliche Kristalltemperatur temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des ersten Zwischensignals und der Pumpstrahlung für die erste Zwischenfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als zweite Konverterstufe arbeitenden zweiten Kristallabschriitt die Frequenz des ersten Zwischensignals von der ersten Zwischenfrequenz unter Bildung eines zweiten Zwischensignals oder eines Ausgangssignals in eine zweite Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der ersten Zwischenfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht.Thereafter, the invention provides that the first and second crystal sections have different crystal periods. In addition, it is provided that the first crystal section is tempered with the individually adjustable first temperature control to a first crystal temperature, in which the phase matching between the phases of the desired signal and the pump radiation for the signal input frequency and the pumping frequency is met, and working in the first converter stage first crystal section, the frequency of the useful signal is converted from the signal input frequency to a first intermediate frequency corresponding to the difference between the signal input frequency and the pumping frequency, and the second crystal section having the individually adjustable second temperature control means to a second, from the first temperature tempered different crystal temperature, wherein the phase matching between the phases of the first intermediate signal and the pump radiation for the first intermediate frequency and the pumping frequency is met, and in the second crystal step operating as a second converter stage, the frequency of the first intermediate signal is converted from the first intermediate frequency to a second intermediate frequency corresponding to the difference between the first intermediate frequency and the pumping frequency to form a second intermediate signal or an output signal.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch die zwei oder mehr Konverterstufen Eingangssignale über mehrere Stufen mehrfach in der Frequenz umgesetzt werden können und/oder zwei oder mehr Eingangssignale gleichzeitig in unterschiedlichen Konverterstufen in ihrer Frequenz umgesetzt werden können. Aufgrund der Einteiligkeit des optisch nichtlinearen Kristalls ist dabei ein nur minimaler Justageaufwand beim Ein- und Auskoppeln der optischen Strahlung und ein nur minimaler Aufwand beim Einstellen des Systems insgesamt nötig. A significant advantage of the method according to the invention is the fact that through the two or more converter stages, input signals can be converted several times in frequency over several stages and / or two or more input signals can be converted simultaneously in their frequency in different converter stages. Due to the one-piece nature of the optically non-linear crystal is only a minimal adjustment effort when coupling and decoupling the optical radiation and only a minimal effort in setting the system altogether necessary.

Da der erste und zweite Kristallabschnitt erfindungsgemäß unterschiedliche Kristallperioden aufweisen, können unterschiedliche Konverterstufen mit minimaler Heiz- oder Kühlleistung realisiert werden.Since the first and second crystal sections according to the invention have different crystal periods, different converter stages can be realized with minimal heating or cooling capacity.

Der Zwischenkristallabschnitt, der zwischen dem ersten und zweiten Kristallabschnitt angeordnet ist, nimmt vorzugsweise den Temperaturgradienten zwischen der ersten und zweiten Kristalltemperatur in Ausbreitungsrichtung der Strahlung vollständig bzw. bis auf eine Restabweichung von ± 5% auf.The intermediate crystal portion disposed between the first and second crystal portions preferably fully absorbs the temperature gradient between the first and second crystal temperatures in the propagation direction of the radiation, to a residual deviation of ± 5%, respectively.

Die Temperaturen in dem ersten und zweiten Kristallabschnitt werden bevorzugt jeweils für sich derart eingestellt, dass - in Ausbreitungsrichtung der Strahlung gesehen - der Temperaturgradient Null ist oder zumindest kleiner als 2K/cm.The temperatures in the first and second crystal sections are preferably individually set in such a way that-seen in the propagation direction of the radiation-the temperature gradient is zero or at least less than 2K / cm.

In Sonderzeitabschnitten kann die Phasenanpassung in dem ersten und/oder zweiten Kristallabschnitt in vorteilhafter Weise zerstört werden, indem der erste Kristallabschnitt auf eine andere als die erste Kristalltemperatur und/oder der zweite Kristallabschnitt auf eine andere als die zweite Kristalltemperatur gebracht wird.In special time sections, the phase matching in the first and / or second crystal section can advantageously be destroyed by bringing the first crystal section to a temperature other than the first crystal temperature and / or the second crystal section to a temperature other than the second crystal temperature.

In den Sonderzeitabschnitten wird die erste und/oder zweite Temperiereinrichtung vorzugsweise abgeschaltet oder umgeschaltet.In the special time sections, the first and / or second tempering device is preferably switched off or switched over.

Eine drei oder noch mehrstufigere Konversion wird bevorzugt mit Hilfe eines dritten Kristallabschnitts oder noch weiterer Kristallabschnitte durchgeführt, die - in Ausbreitungsrichtung der Pumpstrahlung gesehen - unmittelbar oder jeweils getrennt durch weitere Zwischenkristallabschnitte - kaskadiert hinter dem zweiten Kristallabschnitt liegen und jeweils eine Konverterstufe bilden.A three or more multi-stage conversion is preferably carried out with the aid of a third crystal section or even further crystal sections, which - viewed in the direction of propagation of the pump radiation - directly or in each case separated by further intermediate crystal sections - are cascaded behind the second crystal section and each form a converter stage.

Mittels individueller Temperiereinrichtungen wird jede Konverterstufe vorzugsweise auf eine Kristalltemperatur temperiert, bei der eine Phasenanpassung für die Pumpstrahlung und das konvertierte Zwischensignal einer vorherigen Konverterstufe, insbesondere der unmittelbar vorherigen Konverterstufe, oder eine Phasenanpassung zwischen einem individuell zugeordneten elektromagnetischen Nutzsignal, das in den einteiligen Kristall eingespeist wird, erreicht wird.By means of individual tempering devices, each converter stage is preferably tempered to a crystal temperature at which a phase adjustment for the pump radiation and the converted intermediate signal of a previous converter stage, in particular the immediately preceding converter stage, or a phase adjustment between an individually assigned electromagnetic useful signal, which is fed into the one-piece crystal , is achieved.

Die Pumpfrequenz ist vorzugsweise kleiner als die Signaleingangsfrequenz des oder der Nutzsignale. In den Kristallabschnitten wird also vorzugsweise jeweils die Frequenz in Richtung kleinerer Frequenzen konvertiert.The pumping frequency is preferably smaller than the signal input frequency of the useful signal (s). In the crystal sections, the frequency is preferably converted in each case in the direction of lower frequencies.

Die unterschiedlichen Kristallperioden werden vorzugsweise durch eine Polung, insbesondere ein Anlegen eines oder mehrerer äußerer elektrischer Felder, eingestellt.The different crystal periods are preferably set by a polarity, in particular an application of one or more external electric fields.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Frequenzumsetzeinrichtung zur Frequenzumsetzung elektromagnetischer Strahlung mit einem Eingang zum Einspeisen zumindest eines elektromagnetischen Nutzsignals, das eine Signaleingangsfrequenz aufweist, und von Pumpstrahlung, die eine sich von der Signaleingangsfrequenz unterscheidende Pumpfrequenz aufweist, wobei die Frequenzumsetzeinrichtung einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall aufweist und sich in dem einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall das zumindest eine Nutzsignal und die Pumpstrahlung überlagern, und wobei ein erster Kristallabschnitt mit einer individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung ausgestattet ist und ein in Ausbreitungsrichtung der Pumpstrahlung - unmittelbar oder getrennt durch einen Zwischenkristallabschnitt - dahinter liegender zweiter Kristallabschnitt mit einer individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung ausgestattet ist.The invention also relates to a frequency conversion device for frequency conversion of electromagnetic radiation having an input for feeding at least one useful electromagnetic signal having a signal input frequency, and pumping radiation having a different from the signal input frequency pumping frequency, wherein the frequency conversion means a one-piece, optically non-linear crystal and in the one-piece, optically non-linear crystal superimpose the at least one useful signal and the pump radiation, and wherein a first crystal section is equipped with an individually adjustable first temperature control and in the propagation direction of the pump radiation - directly or separated by an intermediate crystal section - lying behind second crystal section equipped with an individually adjustable second tempering device.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste und zweite Kristallabschnitt unterschiedliche Kristallperioden aufweisen und eine Steuereinrichtung der Frequenzumsetzeinrichtung mit der ersten und zweiten Temperiereinrichtung verbunden ist und diese derart ansteuert, dass der erste Kristallabschnitt mit der individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung auf eine erste Kristalltemperatur temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des zumindest einen Nutzsignals und der Pumpstrahlung für die Signaleingangsfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als erste Konverterstufe arbeitenden ersten Kristallabschnitt die Frequenz des zumindest einen Nutzsignals von der Signaleingangsfrequenz unter Bildung eines ersten Zwischensignals in eine erste Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der Signaleingangsfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht, und der zweite Kristallabschnitt mit der individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung auf eine zweite, von der ersten Kristalltemperatur unterschiedliche Kristalltemperatur temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des ersten Zwischensignals und der Pumpstrahlung für die erste Zwischenfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als zweite Konverterstufe arbeitenden zweiten Kristallabschnitt die Frequenz des ersten Zwischensignals von der ersten Zwischenfrequenz unter Bildung eines zweiten Zwischensignals oder eines Ausgangssignals in eine zweite Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der ersten Zwischenfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht.According to the invention, it is provided that the first and second crystal sections have different crystal periods and a control device of the frequency conversion device is connected to the first and second temperature control means and controls them in such a way that the first crystal section is tempered to a first crystal temperature with the individually adjustable first temperature control device the phase matching between the phases of the at least one useful signal and the pump radiation for the signal input frequency and the pumping frequency is satisfied, and in the operating as a first converter stage first crystal section, the frequency of the at least one useful signal from the signal input frequency is converted to form a first intermediate signal in a first intermediate frequency corresponding to the difference between the signal input frequency and the pumping frequency, and the second crystal section with the individually adjustable second tempering is tempered to a second, different from the first crystal temperature crystal temperature at which the phase matching between the phases of the first intermediate signal and the pump radiation for the first intermediate frequency and the pumping frequency is met, and in the second converter stage operating second crystal section the Frequency of the first intermediate signal from the first intermediate frequency is converted to form a second intermediate signal or an output signal in a second intermediate frequency, the difference between corresponds to the first intermediate frequency and the pumping frequency.

Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Frequenzumsetzeinrichtung sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.With regard to the advantages of the frequency conversion device according to the invention, reference is made to the above statements in connection with the method according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft

  • 1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Frequenzumsetzeinrichtung, anhand derer beispielhaft ein Verfahren zur zweistufigen kaskadierten Frequenzumsetzung eines Nutzsignals erläutert wird,
  • 2 den Temperaturverlauf über dem Ort in dem Kristall der Frequenzumsetzeinrichtung gemäß 1 während der Frequenzumsetzung,
  • 3 beispielhaft die resultierende Amplitudenverteilung der Signale über der Frequenz,
  • 4 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Frequenzumsetzeinrichtung, anhand derer beispielhaft ein Verfahren zur jeweils einstufigen Frequenzumsetzung bei zwei eingangsseitigen Nutzsignalen erläutert wird,
  • 5 beispielhaft die resultierende Amplitudenverteilung der Signale über der Frequenz bei der Variante gemäß 4,
  • 6 das Ausführungsbeispiel gemäß 4 bei einem Einsatz zur Frequenzumsetzung bei Photonenpaaren,
  • 7 in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der Seite ein Ausführungsbeispiel für einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall, der bei den Frequenzumsetzeinrichtungen gemäß den 1 bis 6 eingesetzt werden kann,
  • 8 in einem Querschnitt den einteiligen Kristall gemäß 7 mit daran angebrachten Temperiereinrichtungen,
  • 9 in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der Seite ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall, der bei den Frequenzumsetzeinrichtungen gemäß den 1 bis 6 eingesetzt werden kann, und
  • 10 in einem Querschnitt den einteiligen Kristall gemäß 9 mit daran angebrachten Temperiereinrichtungen.
The invention will be explained in more detail with reference to embodiments; thereby show by way of example
  • 1 An exemplary embodiment of a frequency conversion device according to the invention, with reference to which a method for two-stage cascaded frequency conversion of a useful signal is explained by way of example,
  • 2 the temperature profile over the location in the crystal of the Frequenzumsetzeinrichtung according to 1 during the frequency conversion,
  • 3 exemplarily the resulting amplitude distribution of the signals over the frequency,
  • 4 an embodiment of a frequency conversion device according to the invention, based on which by way of example a method for each single-stage frequency conversion is explained at two input-side payloads,
  • 5 for example, the resulting amplitude distribution of the signals over the frequency in the variant according to 4 .
  • 6 the embodiment according to 4 when used for frequency conversion in photon pairs,
  • 7 in a three-dimensional representation obliquely from the side of an embodiment of a one-piece, optically nonlinear crystal, in the frequency conversion devices according to the 1 to 6 can be used
  • 8th in a cross section the one-piece crystal according to 7 with tempering devices attached thereto,
  • 9 in a three-dimensional representation obliquely from the side of a further embodiment of a one-piece, optically nonlinear crystal, in the frequency conversion devices according to the 1 to 6 can be used, and
  • 10 in a cross section the one-piece crystal according to 9 with attached tempering.

In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.For the sake of clarity, the same reference numbers are always used in the figures for identical or comparable components.

Die 1 zeigt eine Frequenzumsetzeinrichtung 10 zur Frequenzumsetzung elektromagnetischer Strahlung. Die Frequenzumsetzeinrichtung 10 umfasst einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall 20, eine erste Temperiereinrichtung 31, eine zweite Temperiereinrichtung 32, eine Steuereinrichtung 40 und ein Filter 50.The 1 shows a frequency conversion device 10 for the frequency conversion of electromagnetic radiation. The frequency conversion device 10 comprises a one-piece, optically nonlinear crystal 20 , a first tempering device 31 , a second tempering device 32 , a control device 40 and a filter 50 ,

Die erste Temperiereinrichtung 31 befindet sich in einem ersten Kristallabschnitt A1 des nichtlinearen Kristalls 20 und die zweite Temperiereinrichtung 32 in einem - in Betriebsrichtung bzw. Strahlrichtung R der Frequenzumsetzeinrichtung 10 gesehen - dahinter liegenden zweiten Kristallsabschnitt A2. Die beiden Kristallabschnitte A1 und A2 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch einen Zwischenkristallabschnitt Az getrennt, der zur thermischen Trennung der Kristallabschnitte A1 und A2 vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig ist.The first tempering device 31 is located in a first crystal section A1 of the nonlinear crystal 20 and the second tempering device 32 in one - in the operating direction or beam direction R the frequency conversion device 10 seen - behind it second crystal section A2 , The two crystal sections A1 and A2 are in the embodiment according to 1 through an intermediate crystal section az separated, for the thermal separation of the crystal sections A1 and A2 advantageous, but not mandatory.

Die Steuereinrichtung 40 ist an die beiden Temperiereinrichtungen 31 und 32 angeschlossen und steuert diese individuell mit Steuersignalen ST1 und ST2 an, so dass jede der beiden Temperiereinrichtungen 31 und 32 jeweils eine eigenständige Konverterstufe bildet.The control device 40 is to the two tempering 31 and 32 connected and controls these individually with control signals ST1 and ST2 so that each of the two tempering 31 and 32 each forms an independent converter stage.

Das Filter 50 dient zum Unterdrücken nicht gewünschter Ausgangsfrequenzen im Ausgangssignal des nichtlinearen Kristalls 20; dies wird weiter unten noch näher erläutert.The filter 50 serves to suppress unwanted output frequencies in the output signal of the nonlinear crystal 20 ; this will be explained in more detail below.

Die Frequenzumsetzeinrichtung 10 kann beispielsweise wie folgt betrieben werden:The frequency conversion device 10 can for example be operated as follows:

An einem Eingang 21 des nichtlinearen Kristalls 20 wird ein Summensignal N+P eingestrahlt, das durch eine Überlagerung eines Nutzsignals N, das eine Signaleingangsfrequenz f1 aufweist, und Pumpstrahlung P, die eine sich von der Signaleingangsfrequenz f1 unterscheidende Pumpfrequenz fp aufweist, gebildet worden ist (Frequenzspektrum siehe 3).At an entrance 21 of the nonlinear crystal 20 a sum signal N + P is irradiated, which has been formed by a superimposition of a useful signal N, which has a signal input frequency f1, and pump radiation P, which has a pump frequency fp differing from the signal input frequency f1 (frequency spectrum see FIG 3 ).

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird das Nutzsignals N über einen Umlenkspiegel 15 und einen Strahlteiler 30 an einen Eingang 21 des nichtlinearen Kristalls 20 geleitet. Die Pumpstrahlung P wird ebenfalls über den Strahlteiler 30 eingekoppelt, so dass der Strahlteiler 30 zur Überlagerung bzw. Addition des Nutzsignals N und der Pumpstrahlung P und zur Bildung des genannten Summensignals N+P dient.In the embodiment according to 1 is the useful signal N via a deflection mirror 15 and a beam splitter 30 to an entrance 21 of the nonlinear crystal 20 directed. The pump radiation P is also via the beam splitter 30 coupled, so that the beam splitter 30 for superposition or addition of the useful signal N and the Pump radiation P and the formation of said sum signal N + P is used.

Das Pumpsignal P wird vorzugsweise von einem in der 1 nicht gezeigten Laser erzeugt. Bei dem Nutzsignal N kann es sich beispielsweise um ein optisches Datensignal handeln, wie es im Telekombereich üblich ist und das von einer in der 1 nicht gezeigten Signalquelle stammt.The pump signal P is preferably of a in the 1 not shown laser generated. The useful signal N may be, for example, an optical data signal, as is customary in the telecommunications sector and that of a in the 1 not shown signal source comes.

Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die Pumpfrequenz fp kleiner als die Signaleingangsfrequenz f1 ist und der nichtlineare Kristall 20 zur zweistufigen Konvertierung des Nutzsignal N in Richtung kleinerer Frequenzen eingesetzt werden soll. Zu diesem Zweck heizt oder kühlt die Steuereinrichtung 40 den ersten Kristallabschnitt A1 auf bzw. ab eine erste Kristalltemperatur T1 und den zweiten Kristallabschnitt A2 auf eine davon unterschiedliche zweite Kristalltemperatur T2 auf bzw. ab; der Temperaturverlauf T ist in der 2 über dem Ort x gezeigt. Es lässt sich erkennen, dass der Zwischenkristallabschnitt Az den thermischen Gradienten zwischen den Kristallabschnitten A1 und A2 aufnimmt.In the following, it is assumed by way of example that the pumping frequency fp is smaller than the signal input frequency f1 and the nonlinear crystal 20 is to be used for two-stage conversion of the useful signal N in the direction of lower frequencies. For this purpose, the controller heats or cools 40 the first crystal section A1 up or down a first crystal temperature T1 and the second crystal section A2 to a different second crystal temperature T2 up or down; the temperature profile T is in the 2 shown above the location x. It can be seen that the intermediate crystal portion Az the thermal gradient between the crystal sections A1 and A2 receives.

Die erste Kristalltemperatur T1 ist derart gewählt, dass in dem ersten Kristallabschnitt A1 zur Bildung eines gewünschten ersten Zwischensignals Z1 mit einer ersten Zwischenfrequenz fz1 (siehe 3) für einen nichtlinearen Mischprozess zweiter Ordnung sowohl die Energieerhaltung als auch die Impulserhaltung bzw. Phasenanpassung erfüllt werden und somit Folgendes gilt: fz 1 = f 1 fp

Figure DE102017223197B3_0005
und kz 1 = k 1 kp
Figure DE102017223197B3_0006
wobei fz1 die Frequenz eines bei der Mischung gebildeten ersten Zwischensignals Z1, kz1 den Wellenvektor des Zwischensignals Z1, k1 den Wellenvektor des Nutzsignals N und kp den Wellenvektor der Pumpstrahlung P bezeichnet.The first crystal temperature T1 is chosen such that in the first crystal section A1 to form a desired first intermediate signal Z1 with a first intermediate frequency fz1 (please refer 3 ) for a second-order non-linear mixing process, both the energy conservation and the momentum conservation or phase matching are fulfilled, and thus the following applies: fz 1 = f 1 - fp
Figure DE102017223197B3_0005
and concentration camp 1 = k 1 - kp
Figure DE102017223197B3_0006
in which fz1 the frequency of a first intermediate signal formed during the mixing Z1 . kz1 the wave vector of the intermediate signal Z1 , k1 denotes the wave vector of the useful signal N and kp denotes the wave vector of the pump radiation P.

Für die Wellenvektoren gilt im ersten Kristallabschnitt A1: kz 1 = 2 * π * fz 1 * n 1,  z1/c

Figure DE102017223197B3_0007
k 1 = 2 * π * f 1 n 1,  1/c
Figure DE102017223197B3_0008
kp = 2 * π * fp * n 1,  p/c
Figure DE102017223197B3_0009
wobei n1,i (i=1,z1,p) die frequenz- bzw. wellenlängenabhängige Brechzahl im ersten Kristallabschnitt A1 und c die Vakuumlichtgeschwindigkeit bezeichnet.For the wave vectors, the first crystal segment is valid A1 : concentration camp 1 = 2 * π * fz 1 * n 1, z1 / c
Figure DE102017223197B3_0007
k 1 = 2 * π * f 1 - n 1, 1 / c
Figure DE102017223197B3_0008
kp = 2 * π * fp * n 1, p / c
Figure DE102017223197B3_0009
where n1, i (i = 1, z1, p) the frequency or wavelength-dependent refractive index in the first crystal section A1 and c denotes the vacuum light velocity.

Die 3 zeigt beispielhaft die resultierende Amplitudenverteilung A(f) über der Frequenz f.The 3 shows by way of example the resulting amplitude distribution A (f) over the frequency f.

Die zweite Kristalltemperatur T2 ist derart gewählt, dass für eine nichtlineare Mischung der ersten Zwischenfrequenz fz1 mit der Pumpfrequenz fp und zur Bildung eines zweiten Zwischensignals Z2 ebenfalls sowohl die Energieerhaltung als auch die Impulserhaltung bzw. Phasenanpassung erfüllt werden und somit Folgendes gilt: fz 2 = fz 1 fp = f 1 2 * fp

Figure DE102017223197B3_0010
und kz 2 = k 1 kp = k 1 2 * kp
Figure DE102017223197B3_0011
wobei fz2 die Frequenz eines bei der Mischung gebildeten zweiten Zwischensignals Z2 und kz2 den Wellenvektor des zweiten Zwischensignals Z2 bezeichnet.The second crystal temperature T2 is chosen such that for a non-linear mixing of the first intermediate frequency fz1 at the pumping frequency fp and to form a second intermediate signal Z2 both the conservation of energy as well as the momentum conservation or phase matching are fulfilled and thus the following applies: fz 2 = fz 1 - fp = f 1 - 2 * fp
Figure DE102017223197B3_0010
and concentration camp 2 = k 1 - kp = k 1 - 2 * kp
Figure DE102017223197B3_0011
in which fz2 the frequency of a second intermediate signal formed during the mixing Z2 and kz2 the wave vector of the second intermediate signal Z2 designated.

Für die Wellenvektoren gilt im zweiten Kristallabschnitt A2: kz 2 = 2 * π * fz 2 * n 2,  z2/c

Figure DE102017223197B3_0012
kz 1 = 2 * π * f 1 * n 2,  z1/c
Figure DE102017223197B3_0013
kp = 2 * π * fp * n 2,  p/c
Figure DE102017223197B3_0014
wobei n2,i (i=z1,z2,p) die frequenz- bzw. wellenlängenabhängige Brechzahl im zweiten Kristallabschnitt A2 bezeichnet.For the wave vectors applies in the second crystal section A2 : concentration camp 2 = 2 * π * fz 2 * n 2, z2 / c
Figure DE102017223197B3_0012
concentration camp 1 = 2 * π * f 1 * n 2, z1 / c
Figure DE102017223197B3_0013
kp = 2 * π * fp * n 2, p / c
Figure DE102017223197B3_0014
where n2, i (i = z1, z2, p), the frequency or wavelength-dependent refractive index in the second crystal section A2 designated.

Die in den nichtlinearen Kristall 20 eingestrahlte Pumpstrahlung P und das Nutzsignal N sowie die von dem nichtlinearen Kristall 20 durch Nichtlinearität zweiter Ordnung gebildeten Zwischensignale Z1 und Z2 verlassen den nichtlinearen Kristall 20 an einem Ausgang 22.The in the nonlinear crystal 20 irradiated pump radiation P and the useful signal N and that of the nonlinear crystal 20 intermediate signals formed by second order nonlinearity Z1 and Z2 leave the nonlinear crystal 20 at an exit 22 ,

Das Filter 50 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die Frequenzen bzw. Wellenlängen der Pumpstrahlung P, des Nutzsignals N und des ersten Zwischensignals Z1 zu dämpfen bzw. zu unterdrücken und ausgangsseitig nur oder vornehmlich das zweite Zwischensignal Z2 passieren zu lassen. Das zweite Zwischensignal Z2, das durch eine zweistufige Frequenzumsetzung erzeugt wurde, bildet somit das Ausgangssignal der Frequenzumsetzeinrichtung 10 gemäß 1.The filter 50 is preferably adapted to the frequencies or wavelengths of the pump radiation P, the desired signal N and the first intermediate signal Z1 to attenuate or suppress and the output side only or primarily the second intermediate signal Z2 to let happen. The second intermediate signal Z2 , which was generated by a two-stage frequency conversion, thus forming the output of the frequency conversion device 10 according to 1 ,

Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Frequenzumsetzeinrichtung 10, die mit Ausnahme der Ausgestaltung des Filters 50 der Ausführungsvariante gemäß 1 entsprechen kann. Das Filter 50 wird weiter unten näher erläutert. The 4 shows an embodiment of a frequency conversion device 10 , with the exception of the design of the filter 50 the embodiment according to 1 can correspond. The filter 50 will be explained in more detail below.

Die 4 zeigt die Frequenzumsetzeinrichtung 10 in einem Betrieb, bei dem ein erstes elektromagnetisches Nutzsignal N1, das eine erste Signaleingangsfrequenz fs1 aufweist, ein zweites elektromagnetisches Nutzsignal N2, das eine zweite Signaleingangsfrequenz fs2 aufweist, und Pumpstrahlung P, die eine sich von der ersten und zweiten Signaleingangsfrequenz unterscheidende Pumpfrequenz fp aufweist, in den einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall 20 eingestrahlt wird.The 4 shows the frequency conversion device 10 in an operation in which a first electromagnetic useful signal N1 that has a first signal input frequency fs1 has a second electromagnetic useful signal N2 that has a second signal input frequency fs2 and pumping radiation P having a pumping frequency fp different from the first and second signal input frequencies into the one-piece optically nonlinear crystal 20 is irradiated.

Der erste Kristallabschnitt A1 wird mit seiner individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung 31 auf eine erste Kristalltemperatur T1 temperiert, bei der in dem ersten Kristallabschnitt A1 für einen nichtlinearen Mischprozess zweiter Ordnung sowohl die Energieerhaltung als auch die Impulserhaltung bzw. Phasenanpassung zwischen den Phasen des ersten Nutzsignals N1 und der Pumpstrahlung P für die erste Signaleingangsfrequenz fs1 und die Pumpfrequenz fp erfüllt werden.The first crystal section A1 comes with its individually adjustable first tempering device 31 to a first crystal temperature T1 tempered, in the in the first crystal section A1 for a second-order non-linear mixing process, both the conservation of energy and the conservation of momentum or phase matching between the phases of the first useful signal N1 and the pump radiation P for the first signal input frequency fs1 and the pumping frequency fp are met.

In dem als erste Konverterstufe arbeitenden ersten Kristallabschnitt A1 wird die Signaleingangsfrequenz fs1 des ersten Nutzsignals N1 somit unter Bildung eines ersten Zwischensignals Z1 in eine erste Zwischenfrequenz fz1 konvertiert, die der Differenz zwischen der ersten Signaleingangsfrequenz fs1 und der Pumpfrequenz fp entspricht, wie dies im Zusammenhang mit der 1 oben erläutert wurde; die obigen Ausführungen gelten hier entsprechend.In the first crystal stage working as the first converter stage A1 becomes the signal input frequency fs1 of the first useful signal N1 thus forming a first intermediate signal Z1 in a first intermediate frequency fz1 converts the difference between the first signal input frequency fs1 and the pumping frequency fp, as related to the 1 has been explained above; the above statements apply accordingly.

Der zweite Kristallabschnitt A2 wird mit seiner individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung 32 auf eine zweite Kristalltemperatur T2 temperiert, bei der in dem zweiten Kristallabschnitt A2 für einen nichtlinearen Mischprozess zweiter Ordnung sowohl die Energieerhaltung als auch die Impulserhaltung bzw. Phasenanpassung zwischen den Phasen des zweiten Nutzsignals N2 und der Pumpstrahlung P für die zweite Signaleingangsfrequenz fs2 und die Pumpfrequenz fp erfüllt werden.The second crystal section A2 comes with its individually adjustable second tempering device 32 to a second crystal temperature T2 tempered, in which in the second crystal section A2 for a second-order nonlinear mixing process, both the conservation of energy and the conservation of momentum or phase matching between the phases of the second useful signal N2 and the pump radiation P for the second signal input frequency fs2 and the pumping frequency fp are met.

In dem als zweite Konverterstufe arbeitenden zweiten Kristallabschnitt A2 wird die Signaleingangsfrequenz fs2 des zweiten Nutzsignals N2 somit unter Bildung eines zweiten Zwischensignals Z2 in eine zweite Zwischenfrequenz fz2 konvertiert, die der Differenz zwischen der zweiten Signaleingangsfrequenz fs2 und der Pumpfrequenz fp entspricht; die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der 1 gelten hier entsprechend.In the working as a second converter stage second crystal section A2 becomes the signal input frequency fs2 of the second useful signal N2 thus forming a second intermediate signal Z2 in a second intermediate frequency fz2 converts the difference between the second signal input frequency fs2 and the pumping frequency fp corresponds; the above statements in connection with the 1 apply here accordingly.

Die in den nichtlinearen Kristall 20 eingestrahlte Pumpstrahlung P, die Nutzsignale N1 und N2 sowie die von dem nichtlinearen Kristall 20 durch Nichtlinearität zweiter Ordnung gebildeten Zwischensignale Z1 und Z2 verlassen den nichtlinearen Kristall 20 an einem Ausgang 22.The in the nonlinear crystal 20 irradiated pump radiation P, the useful signals N1 and N2 as well as that of the nonlinear crystal 20 intermediate signals formed by second order nonlinearity Z1 and Z2 leave the nonlinear crystal 20 at an exit 22 ,

Die 5 zeigt beispielhaft die resultierende Amplitudenverteilung A(f) über der Frequenz f.The 5 shows by way of example the resulting amplitude distribution A (f) over the frequency f.

Das Filter 50 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die Frequenzen bzw. Wellenlängen der Pumpstrahlung P und der Nutzsignale N1 und N2 zu dämpfen bzw. zu unterdrücken und ausgangsseitig nur oder vornehmlich das erste und zweite Zwischensignal Z1 und Z2 passieren zu lassen. Die beiden Zwischensignale Z1 und Z2, die unabhängig voneinander jeweils durch Mischen mit dem Pumpsignal erzeugt worden sind, bilden somit Ausgangssignale der Frequenzumsetzeinrichtung 10 gemäß 4.The filter 50 is preferably adapted to the frequencies or wavelengths of the pump radiation P and the useful signals N1 and N2 to attenuate or suppress and on the output side only or primarily the first and second intermediate signal Z1 and Z2 to let happen. The two intermediate signals Z1 and Z2 , which have been generated independently of each other by mixing with the pump signal, thus form output signals of the frequency conversion device 10 according to 4 ,

Zur Trennung der beiden Zwischensignale Z1 und Z2 kann die Frequenzumsetzeinrichtung 10 gemäß 4 außerdem ein wellenlängenselektives Element 60 aufweisen.To separate the two intermediate signals Z1 and Z2 can the frequency conversion device 10 according to 4 also a wavelength-selective element 60 exhibit.

Die 6 zeigt die Frequenzumsetzeinrichtung 10 gemäß der 4 in einem Betrieb, bei dem in den einteiligen Kristall 20 ein verschränktes Photonenpaar PP oder eine Folge solcher Photonenpaare eingespeist wird. Ein Photon P1 des Photonenpaares PP weist eine erste Signaleingangsfrequenz fs1 auf und bildet ein erstes elektromagnetisches Nutzsignal N1. Das andere Photon P2 des Photonenpaares PP weist eine zweite Signaleingangsfrequenz fs2 auf und bildet eines zweites elektromagnetisches Nutzsignal N2.The 6 shows the frequency conversion device 10 according to the 4 in a factory where in the one-piece crystal 20 an entangled photon pair PP or a sequence of such photon pairs is fed. A photon P1 of the photon pair PP has a first signal input frequency fs1 and forms a first electromagnetic useful signal N1 , The other photon P2 of the photon pair PP has a second signal input frequency fs2 and forms a second electromagnetic useful signal N2 ,

Nach der Frequenzumsetzung, wie sie im Zusammenhang mit der 4 erläutert wurde, werden die beiden frequenzumgesetzten Photonen P1' und P2' des Photonenpaares PP mittels des wellenlängenselektiven Elements 60 voneinander getrennt.After the frequency conversion, as related to the 4 has been explained, the two frequency-converted photons P1 'and P2' of the photon pair PP by means of the wavelength-selective element 60 separated from each other.

Die 7 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der Seite ein Ausführungsbeispiel für einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall 20, der bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 6 eingesetzt werden kann.The 7 shows in a three-dimensional representation obliquely from the side of an embodiment of a one-piece, optically nonlinear crystal 20 , which in the embodiments according to the 1 to 6 can be used.

Bei dem einteiligen Kristall 20 gemäß 7 weisen der erste Kristallabschnitt A1 und der zweite Kristallabschnitt A2 unterschiedliche Kristallperioden Λ1 bzw. Λ2 auf. Die unterschiedlichen Kristallperioden Λ1 bzw. Λ2 werden vorzugsweise durch eine Polung, insbesondere ein Anlegen eines oder mehrerer äußerer elektrischer Felder E, eingestellt.In the one-piece crystal 20 according to 7 have the first crystal section A1 and the second crystal section A2 different crystal periods Λ1 or Λ2. The different crystal periods Λ1 or Λ2 are preferably set by a polarity, in particular an application of one or more external electric fields E.

Die 8 zeigt in einem Querschnitt den einteiligen Kristall 20 gemäß 7 mit daran angebrachten Temperiereinrichtungen 31 und 32. Die Temperiereinrichtungen 31 und 32 weisen beispielsweise zum Heizen jeweils eine hochohmige Heizschicht 300, eine Zwischenschicht 310, beispielsweise in Form einer Metallschicht, und einen darin eingebetteten oder daran angebrachten Temperatursensor 320 auf.The 8th shows in a cross section the one-piece crystal 20 according to 7 with attached tempering 31 and 32 , The tempering devices 31 and 32 For example, each have a high-resistance heating layer for heating 300 , an intermediate layer 310 , for example in the form of a metal layer, and a temperature sensor embedded therein or attached thereto 320 on.

Alternativ oder zusätzlich zu den hochohmigen Heizschichten 300 können die Temperiereinrichtungen 31 und 32 Peltierelemente aufweisen, mit denen wahlweise geheizt oder gekühlt wird.Alternatively or in addition to the high-resistance heating layers 300 can the tempering 31 and 32 Have Peltier elements with which either heated or cooled.

Die 9 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der Seite ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall 20, der bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 6 eingesetzt werden kann.The 9 shows in a three-dimensional representation obliquely from the side of another embodiment of a one-piece, optically non-linear crystal 20 , which in the embodiments according to the 1 to 6 can be used.

Die 10 zeigt den Kristall 20 gemäß 9 im Querschnitt mit daran angebrachten Temperiereinrichtungen 33, die den Temperiereinrichtungen 31 und 32 bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 8 entsprechen können. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 sind kaskadiert in Ausbreitungsrichtung R der Strahlung vier Kristallabschnitte A1, A2, A3 und A4 hintereinander angeordnet, die unterschiedliche Kristallperioden Λ1 bis Λ4 aufweisen und jeweils eine Konverterstufe bilden. Jede Konverterstufe wird auf eine individuelle Kristalltemperatur temperiert, bei der eine Phasenanpassung für die Pumpstrahlung und das konvertierte Zwischensignal einer vorherigen Konverterstufe, insbesondere der unmittelbar vorherigen Konverterstufe, oder eine Phasenanpassung zwischen einem individuell zugeordneten elektromagnetischen Nutzsignal, das in den einteiligen Kristall eingespeist wird, erreicht wird.The 10 shows the crystal 20 according to 9 in cross-section with tempering devices attached thereto 33 that the temperature control equipment 31 and 32 in the embodiments according to the 1 to 8th can correspond. In the embodiment according to 9 are cascaded in the propagation direction R of the radiation four crystal segments A1 . A2 . A3 and A4 arranged one behind the other, which have different crystal periods Λ1 to Λ4 and each form a converter stage. Each converter stage is tempered to an individual crystal temperature at which a phase matching for the pump radiation and the converted intermediate signal of a previous converter stage, in particular the immediately preceding converter stage, or a phase matching between an individually assigned electromagnetic useful signal fed into the one-piece crystal, is achieved ,

Die unterschiedlichen Kristallperioden Λ1 bis Λ4 werden vorzugsweise durch eine Polung, insbesondere ein Anlegen eines oder mehrerer äußerer elektrischer Felder, eingestellt.The different crystal periods Λ1 to Λ4 are preferably set by a polarity, in particular an application of one or more external electric fields.

Claims (8)

Verfahren zur Frequenzumsetzung elektromagnetischer Strahlung unter Mitwirkung von Pumpstrahlung (P), wobei - die Frequenzumsetzung in einem einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall (20) durchgeführt wird, - ein erster Kristallabschnitt (A1) mit einer individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung (31) auf eine erste Kristalltemperatur (T1) temperiert und als erste Konverterstufe zur Frequenzumsetzung betrieben wird, und - ein in Ausbreitungsrichtung der Pumpstrahlung (P) - unmittelbar oder getrennt durch einen Zwischenkristallabschnitts (Az) - hinter dem ersten Kristallabschnitt (A1) liegender zweiter Kristallabschnitt (A2) mit einer individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung (32) auf eine zweite, von der ersten Temperatur unterschiedliche, Kristalltemperatur (T2) temperiert wird und als zweite Konverterstufe zur Frequenzumsetzung betrieben wird, - wobei ein elektromagnetisches Nutzsignal (N), das eine Signaleingangsfrequenz aufweist, und Pumpstrahlung (P), die eine sich von der Signaleingangsfrequenz unterscheidende Pumpfrequenz aufweist, in den einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall (20) eingestrahlt wird, in dem sich das Nutzsignal (N) und die Pumpstrahlung (P) überlagern, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste und zweite Kristallabschnitt (A1, A2) unterschiedliche Kristallperioden aufweisen, wobei - der erste Kristallabschnitt (A1) mit der individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung (31) auf ide erste Kristalltemperatur (T1) temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des Nutzsignals (N) und der Pumpstrahlung (P) für die Signaleingangsfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als erste Konverterstufe arbeitenden ersten Kristallabschnitt (A1) die Frequenz des Nutzsignals (N) von der Signaleingangsfrequenz unter Bildung eines ersten Zwischensignals (Z1) in eine erste Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der Signaleingangsfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht, und - der zweite Kristallabschnitt (A2) mit der individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung (32) auf die zweite Kristalltemperatur (T2) temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des ersten Zwischensignals (Z1) und der Pumpstrahlung (P) für die erste Zwischenfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als zweite Konverterstufe arbeitenden zweiten Kristallabschnitt (A2) die Frequenz des ersten Zwischensignals (Z1) von der ersten Zwischenfrequenz unter Bildung eines zweiten Zwischensignals (Z2) oder eines Ausgangssignals in eine zweite Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der ersten Zwischenfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht.Method for frequency conversion of electromagnetic radiation with the assistance of pump radiation (P), wherein - the frequency conversion is carried out in a one-piece, optically non-linear crystal (20), - a first crystal section (A1) with an individually adjustable first tempering device (31) to a first crystal temperature (T1) is tempered and operated as a first converter stage for frequency conversion, and - in the propagation direction of the pump radiation (P) - directly or separated by an intermediate crystal section (Az) - behind the first crystal section (A1) lying second crystal section (A2) with an individual adjustable second tempering device (32) is tempered to a second, different from the first temperature, crystal temperature (T2) and operated as a second converter stage for frequency conversion, - wherein an electromagnetic useful signal (N) having a signal input frequency, and pump radiation (P) , the a pump frequency which differs from the signal input frequency and is irradiated into the one-piece optically nonlinear crystal (20) in which the useful signal (N) and the pump radiation (P) are superimposed, characterized in that - the first and second crystal sections (A1 , A2) have different crystal periods, wherein - the first crystal section (A1) with the individually adjustable first tempering device (31) is heated to the first crystal temperature (T1) at which the phase matching between the phases of the useful signal (N) and the pump radiation ( P) is satisfied for the signal input frequency and the pump frequency, and in the operating as the first converter stage first crystal section (A1), the frequency of the useful signal (N) from the signal input frequency to form a first intermediate signal (Z1) is converted into a first intermediate frequency, the Corresponds to the difference between the signal input frequency and the pump frequency, and - the second crystal section (A2) is tempered with the individually adjustable second temperature control device (32) to the second crystal temperature (T2), wherein the phase matching between the phases of the first intermediate signal (Z1) and the pumping radiation (P) for the first intermediate frequency and the pumping frequency is satisfied, and in the second crystal section (A2) operating as the second converter stage, the frequency of the first intermediate signal (Z1) is converted from the first intermediate frequency to a second intermediate frequency forming the second intermediate signal (Z2) or an output signal Difference between the first intermediate frequency and the pumping frequency corresponds. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Zwischenkristallabschnitt (Az), der zwischen dem ersten und zweiten Kristallabschnitt (A1, A2) angeordnet ist, den Temperaturgradienten zwischen der ersten und zweiten Kristalltemperatur (T1, T2) in Ausbreitungsrichtung der Strahlung vollständig aufnimmt und/oder - die Temperaturen in dem ersten und zweiten Kristallabschnitt (A1, A2) jeweils für sich derart eingestellt werden, dass - in Ausbreitungsrichtung der Strahlung gesehen - der Temperaturgradient Null ist oder zumindest kleiner als 2K/cm.Method according to Claim 1 , characterized in that - the intermediate crystal section (Az), which is arranged between the first and second crystal sections (A1, A2), completely absorbs the temperature gradient between the first and second crystal temperature (T1, T2) in the propagation direction of the radiation and / or the temperatures in the first and second crystal sections (A1, A2) are individually set in such a way that - viewed in the propagation direction of the radiation - the temperature gradient is zero or at least less than 2K / cm. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrens in Sonderzeitabschnitten die Phasenanpassung in dem ersten und/oder zweiten Kristallabschnitt (A1, A2) zerstört wird, indem der erste Kristallabschnitt (A1) auf eine andere als die erste Kristalltemperatur (T1) und/oder der zweite Kristallabschnitt (A2) auf eine andere als die zweite Kristalltemperatur (T2) gebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the process in special time periods, the phase matching in the first and / or second crystal section (A1, A2) is destroyed by the first crystal section (A1) to a different than the first crystal temperature (T1) and / or the second crystal section (A2) on a other than the second crystal temperature (T2) is brought. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Sonderzeitabschnitten die erste und/oder zweite Temperiereinrichtung (31, 32) abgeschaltet oder umgeschaltet wird.Method according to Claim 3 , characterized in that in the special time sections, the first and / or second temperature control device (31, 32) is switched off or switched. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - eine dreistufige oder noch mehrstufigere Konversion mit Hilfe eines dritten Kristallabschnitts oder noch weiterer Kristallabschnitte (A3, A4) durchgeführt wird, die - in Ausbreitungsrichtung der Pumpstrahlung (P) gesehen - unmittelbar oder jeweils getrennt durch weitere Zwischenkristallabschnitte - kaskadiert hinter dem zweiten Kristallabschnitt (A2) liegen und jeweils eine Konverterstufe bilden, und - mittels individueller Temperiereinrichtungen jede Konverterstufe auf eine Kristalltemperatur temperiert wird, bei der eine Phasenanpassung für die Pumpstrahlung (P) und das konvertierte Zwischensignal einer vorherigen Konverterstufe, insbesondere der unmittelbar vorherigen Konverterstufe, erreicht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - a three-stage or more multi-stage conversion by means of a third crystal section or even further crystal sections (A3, A4) is performed, which - seen in the propagation direction of the pump radiation (P) - directly or respectively separated cascaded behind the second crystal section (A2) by cascading and forming a converter stage in each case, and tempering each converter stage to a crystal temperature by means of individual tempering means, in which a phase adaptation for the pump radiation (P) and the converted intermediate signal of a previous converter stage, especially the immediately preceding converter stage is reached. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpfrequenz kleiner als die Signaleingangsfrequenz des oder der Nutzsignale (N; N1, N2) ist und in den Kristallabschnitten jeweils die Frequenz in Richtung kleinerer Frequenzen konvertiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pumping frequency is smaller than the signal input frequency of the useful signal (s) (N, N1, N2) and in the crystal sections the frequency is respectively converted in the direction of lower frequencies. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Kristallperioden durch eine Polung, insbesondere ein Anlegen eines oder mehrerer äußerer elektrischer Felder, eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the different crystal periods by a polarity, in particular an application of one or more external electric fields, is set. Frequenzumsetzeinrichtung (10) zur Frequenzumsetzung elektromagnetischer Strahlung mit einem Eingang zum Einspeisen zumindest eines elektromagnetischen Nutzsignals (N), das eine Signaleingangsfrequenz aufweist, und von Pumpstrahlung (P), die eine sich von der Signaleingangsfrequenz unterscheidende Pumpfrequenz aufweist, - wobei die Frequenzumsetzeinrichtung (10) einen einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall (20) aufweist und sich in dem einteiligen, optisch nichtlinearen Kristall (20) das zumindest eine Nutzsignal (N) und die Pumpstrahlung (P) überlagern, und - wobei ein erster Kristallabschnitt (A1) mit einer individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung (31) ausgestattet ist und ein in Ausbreitungsrichtung der Pumpstrahlung (P) - unmittelbar oder getrennt durch einen Zwischenkristallabschnitt (Az) - dahinter liegender zweiter Kristallabschnitt (A2) mit einer individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung (32) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Kristallabschnitt (A1, A2) unterschiedliche Kristallperioden aufweisen, und eine Steuereinrichtung (40) der Frequenzumsetzeinrichtung mit der ersten und zweiten Temperiereinrichtung (31, 32) verbunden ist und diese derart ansteuert, dass - der erste Kristallabschnitt (A1) mit der individuell einstellbaren ersten Temperiereinrichtung (31) auf eine erste Kristalltemperatur (T1) temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des zumindest einen Nutzsignals (N) und der Pumpstrahlung (P) für die Signaleingangsfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als erste Konverterstufe arbeitenden ersten Kristallabschnitt (A1) die Frequenz des zumindest einen Nutzsignals (N) von der Signaleingangsfrequenz unter Bildung eines ersten Zwischensignals (Z1) in eine erste Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der Signaleingangsfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht, und - der zweite Kristallabschnitt (A2) mit der individuell einstellbaren zweiten Temperiereinrichtung (32) auf eine zweite, von der ersten Kristalltemperatur (T1) unterschiedliche Kristalltemperatur (T2) temperiert wird, bei der die Phasenanpassung zwischen den Phasen des ersten Zwischensignals (Z1) und der Pumpstrahlung (P) für die erste Zwischenfrequenz und die Pumpfrequenz erfüllt wird, und in dem als zweite Konverterstufe arbeitenden zweiten Kristallabschnitt (A2) die Frequenz des ersten Zwischensignals (Z1) von der ersten Zwischenfrequenz unter Bildung eines zweiten Zwischensignals (Z2) oder eines Ausgangssignals in eine zweite Zwischenfrequenz konvertiert wird, die der Differenz zwischen der ersten Zwischenfrequenz und der Pumpfrequenz entspricht.A frequency conversion device (10) for frequency converting electromagnetic radiation having an input for feeding at least one useful electromagnetic signal (N) having a signal input frequency and pump radiation (P) having a pumping frequency different from the signal input frequency, wherein the frequency conversion means (10) a one-piece, optically nonlinear crystal (20) and in the one-piece, optically non-linear crystal (20) the at least one useful signal (N) and the pump radiation (P) overlap, and - wherein a first crystal section (A1) with an individually adjustable first tempering device (31) is equipped and in the propagation direction of the pump radiation (P) - directly or separated by an intermediate crystal section (Az) - behind second crystal section (A2) with an individually adjustable second temperature control device (32) is provided, characterized in that he Ste and second crystal section (A1, A2) have different crystal periods, and a control device (40) of the frequency conversion device to the first and second temperature control (31, 32) is connected and controls them such that - the first crystal section (A1) with the individual adjustable first tempering device (31) is tempered to a first crystal temperature (T1), in which the phase matching between the phases of the at least one useful signal (N) and the pump radiation (P) for the signal input frequency and the pumping frequency is satisfied, and in the first Converter stage operating first crystal section (A1) the frequency of the at least one useful signal (N) from the signal input frequency is converted to form a first intermediate signal (Z1) in a first intermediate frequency corresponding to the difference between the signal input frequency and the pumping frequency, and - the second crystal section (A2) with the individual adj The second tempering device (32) is tempered to a second crystal temperature (T2) different from the first crystal temperature (T1), wherein the phase matching between the phases of the first intermediate signal (Z1) and the pumping radiation (P) for the first intermediate frequency and the In the second crystal section (A2) operating as a second converter stage, the frequency of the first intermediate signal (Z1) is converted from the first intermediate frequency to form a second intermediate signal (Z2) or an output signal to a second intermediate frequency equal to the difference between the first intermediate frequency and the pump frequency corresponds.
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