DE102019131827A1

DE102019131827A1 - Frequenzkonversionsanordnung zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers

Info

Publication number: DE102019131827A1
Application number: DE102019131827.0A
Authority: DE
Inventors: Axel Reiser
Original assignee: Arges GmbH
Current assignee: NOVANTA TECHNOLOGIES UK LTD., STOCKPORT, GB
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-11-26
Also published as: WO2021105094A1; GB2603417B; JP2023502411A; CN114667484A; US11796889B2; GB202205543D0; DE102019131827B4; GB2603417A; KR20220104810A; US20220317543A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Frequenzkonversionsanordnung (100) zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, insbesondere eines Strahlprofils und/oder einer Langzeitstabilität, wobei die Anordnung umfasst:- einen ersten nichtlinearen Kristall (X1), der derart ausgebildet ist, eine erste Wellenlänge (λ1) teilweise in eine zweite Wellenlänge (λ2) zu konvertieren; und- eine optische Einheit, die insbesondere mindestens ein Prisma (P) umfasst, die derart ausgebildet ist, Strahlprofile der ersten Wellenlänge (λ1) und/oder der zweiten Wellenlänge (λ2) in ihren jeweiligen Hauptachsen (x1, y1, x2, y2) unterschiedlich zu beeinflussen; und- einen zweiten nichtlinearen Kristall (X2), der derart ausgebildet ist, eine dritte Wellenlänge (λ3) aus dem nicht konvertiertem Teil der ersten Wellenlänge (λ1) und/oder der zweiten Wellenlänge (λ2) zu erzeugen,wobei der zweite nichtlineare Kristall (X2) eine Eintrittsfläche (A1) und eine Austrittsfläche (A2) aufweist und die Austrittsfläche (A2) schräg zu der Eintrittsfläche (A1) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Frequenzkonversionsanordnung zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, wie beispielsweise des Strahlprofils oder der Langzeitstabilität.
Um eine Harmonische einer Wellenlänge eines Lasersystems zu erzeugen, werden vorzugsweise nichtlineare Kristalle verwendet. Je nach Wellenlänge des Lasersystems können unterschiedliche Kristalle mit unterschiedlichen Eigenschaften oder in unterschiedlichen Konfigurationen zum Einsatz kommen. Je nach Wellenlängenbereich sind verschiedene Kristalle hinsichtlich diverser Eigenschaften unterschiedlich gut für eine Frequenzkonversion geeignet. Die meisten Kristalle, die für derartige Konversionsprozesse in Frage kommen, sind heutzutage kommerziell erhältlich.
Kommerzielle Laserlichtquellen im Nahinfrarotbereich (NIR), beispielsweise bei ca. 800 nm oder 1030 nm bzw. 1064 nm, sind heutzutage weit verbreitet. Für viele Anwendungen sind allerdings Wellenlängen wünschenswert, die abseits der genannten Wellenlängen liegen. Ein einfacher Weg um zu einer Harmonischen dieser Laserwellenlängen zu gelangen, ist eine Frequenzkonversion in nichtlinearen Kristallen.
Im Stand der Technik ist es bekannt, dass beispielsweise die dritte Harmonische erzeugt werden kann, in dem eine zentrale Laserwellenlänge in einem ersten nichtlinearen Kristall teilweise zur zweiten Harmonischen frequenzverdoppelt wird und diese zweite Harmonische anschließend in einem zweiten nichtlinearen Kristall mit der zentralen Wellenlänge in einer Summenfrequenzmischung zur dritten Harmonischen konvertiert wird. Im Falle einer zentralen Laserwellenlänge von 1064 nm liegt die dritte Harmonische bei ca. 355 nm (dreifache Frequenz), also im Ultraviolett-Bereich (UV).
Um die jeweiligen Konversionsprozesse möglichst effizient zu gestalten ist es bekannt, die (optischen) Eintritts- sowie Austrittsflächen der zu verwendenden Kristalle mit einer Beschichtung zu versehen, um Reflexionsverluste zu minimieren. Insbesondere im UV-Bereich ist es allerdings auch bekannt, dass die Beschichtungen der Kristalle zu Problemen, insbesondere im Hinblick auf eine Langzeitstabilität, führen können. Verschiedene Alterungseffekte, verursacht durch eine Wechselwirkung mit Licht, lassen die Qualität der Beschichtung mit der Betriebsdauer degradieren, was sich bei steigender Verwendungsdauer der Kristalle bzw. des Lasersystems in einer Abnahme der Strahlqualität und Laserleistung niederschlägt.
Ferner ist es bekannt, mit fokussierten bzw. relativ kleinen Strahlenbündeln zu arbeiten, um eine hohe Intensität des Lichts zu erhalten, um die Effizienz des Konversionsprozesses zu optimieren. Kleinere Strahlenbündel weisen einen höheren Divergenzwinkel der Laserstrahlung auf. Überschreitet der Divergenzwinkel eines Strahls einen bestimmten Wert (Akzeptanzwinkel des nichtlinearen Kristalls) bei einer Frequenzkonversion, so kann dies zu Verzerrungen im Strahlprofil, insbesondere zu elliptischen Strahlprofilen, einer erzeugten Harmonischen führen.
Ferner ist es ebenfalls bekannt, dass bei Verwendung von bestimmten nichtlinearen Kristallen, eine Verzerrung des Strahlprofils durch den sogenannten „Walk-off“ erzeugt wird. Dieser Effekt basiert im Wesentlichen auf der Doppelbrechung der beteiligten Kristalle und führt unter Umständen ebenfalls zu einer Verschlechterung der Symmetrie einer erzeugten Harmonischen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Frequenzkonversionsanordnung zu realisieren, die eine robuste und langzeitstabile Erzeugung einer Harmonischen erreicht und dabei ein kontrollierbares, insbesondere rotationssymmetrisches, Strahlprofil der Harmonischen generiert.
Diese Aufgabe wir erfindungsgemäß durch eine Frequenzkonversionsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Frequenzkonversionsanordnung zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, insbesondere eines Strahlprofils und/oder einer Langzeitstabilität, wobei die Anordnung umfasst:

- einen ersten nichtlinearen Kristall, der derart ausgebildet ist, eine erste Wellenlänge teilweise in eine zweite Wellenlänge zu konvertieren;
- und eine optische Einheit, die insbesondere mindestens ein Prisma umfasst, die derart ausgebildet ist, Strahlprofile der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge in ihren jeweiligen Hauptachsen unterschiedlich zu beeinflussen;
- und einen zweiten nichtlinearen Kristall, der derart ausgebildet ist, eine dritte Wellenlänge aus dem nicht konvertiertem Teil der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge zu erzeugen, wobei der zweite nichtlineare Kristall eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist und die Austrittsfläche schräg zu der Eintrittsfläche verläuft.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass mit der Frequenzkonversionsanordnung ein Laserstrahl effizient zu einer Harmonischen mit einer gewünschten Symmetrie des Strahlprofils, insbesondere zu einem rotationssymmetrischen Strahlprofil, konvertiert werden kann.
Alternativ oder zusätzlich können durch die schräg verlaufende Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls Reflexionsverluste minimiert werden. Dadurch ergibt sich bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Frequenzkonversionsanordnung eine hohe Flexibilität bezüglich des resultierenden Strahlprofils der Harmonischen, sowie eine hohe Langzeitstabilität bezüglich der konvertierten Harmonischen und eine lange Lebensdauer der verwendeten Kristalle.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die optische Einheit mindestens ein Prisma, das um mindestens eine Achse drehbar ist, um die jeweiligen Hauptachsen der Strahlprofile unterschiedlich zu beeinflussen. Dadurch wird auf eine konstruktiv einfache Art ermöglicht, dass in Kombination mit der schräg verlaufenden Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls ein einstellbares, insbesondere rotationssymmetrisches, Strahlprofil der Harmonischen erzeugt werden kann. Hierbei kann das Material bzw. der Brechungsindex, sowie der Apexwinkel des Prismas in Bezug auf die Kristalleigenschaften optimiert werden. Zudem bietet die drehbare Lagerung des Prismas einen oder mehrere Freiheitsgrade zur Justage und Optimierung der Frequenzkonversionsanordnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Prisma der optischen Einheit transversal verschiebbar, um einen Laufzeitunterschied zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge kontinuierlich einzustellen und/oder zu kompensieren. Durch die Einstellung des Laufzeitunterschiedes kann die Konversionseffizienz optimiert werden, da sich effektiv der Erzeugungsort der Harmonischen im zweiten nichtlinearen Kristall einstellen lässt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Wellenlänge die zweite Harmonische der ersten Wellenlänge. Dies kann durch einen einzelnen nichtlinearen Kristall realisiert werden. Je nach Wellenlängenbereich kommt hierfür eine Reihe nichtlinearer Kristalle in Frage, wie z.B. LBO, BBO, KTP, BiBO, etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die dritte Wellenlänge eine Wellenlänge, die der zweiten Harmonischen der ersten Wellenlänge oder der zweiten Harmonischen der zweiten Wellenlänge oder der Summen- bzw. Differenzfrequenz aus der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge entspricht. Auf diese Art und Weise lässt sich mit der Anordnung die dritte Harmonische aber beispielsweise auch die vierte Harmonische bzw. die „n-te“ Harmonische erzeugen. Je nach Wellenlängenbereich kommen hierfür eine Reihe nichtlinearer Kristalle in Frage, wie z.B. LBO, BBO, CLBO, BiBO, KTP, etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls im Wesentlichen in einer Brewster-Anordnung, vorzugsweise bezüglich der dritten Wellenlänge, angeordnet. Dabei können die Brewster-Anordnung bzw. der Brewster-Winkel für eine der Wellenlängen konfiguriert sein.
In einer möglichen Ausführungsform wird es, insbesondere durch Anwendung von Typ II Phasenanpassung, ermöglicht, Reflexionsverluste zu vermeiden. Konkret verhalten sich die Polarisationszustände der beteiligten Wellenlängen dahingehend, dass im zweiten nichtlinearen Kristall, bezogen auf die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls, die erste Wellenlänge in p-pol (parallele Polarisation), die zweite Wellenlänge in s-pol (senkrechte Polarisation) sowie die dritte Wellenlänge in p-pol (parallele Polarisation) schwingt. Diese Anordnung führt daher zu verminderten Reflexionsverlusten der ersten Wellenlänge und der dritten Wellenlänge beim Austritt aus dem zweiten nichtlinearen Kristall.
Die Anordnung unter dem Brewster-Winkel ermöglicht es somit, auf eine Beschichtung an der Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls zu verzichten und gleichzeitig Reflexionsverluste zu minimieren. Einerseits um einen möglichst geringen Leistungsverlust und andererseits keine Rückreflexe an der Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls zu erhalten, da diese unter Umständen aufwendig unterdrückt werden müssten. Speziell im UV-Bereich ist dies sinnvoll, da hier eine Beschichtung ggf. durch Dauerbestrahlung degradieren kann. Hierbei ist es nicht unbedingt nötig, dass der Brewster-Winkel der Anordnung exakt eingehalten wird. Abweichungen von gewissen Toleranzen sind hinnehmbar, was die Justage und Fertigungstoleranz der Frequenzkonversionsanordnung erhöht. Darunter ist zu verstehen, dass ein Toleranzbereich der Abweichung vom Brewster-Winkel von beispielsweise ±1° bis ±5° durchaus ausgebildet, und in manchen Fällen auch gewünscht, sein kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Einheit, insbesondere durch einen Apexwinkel und ein Material des Prismas, derart auf die schräg verlaufende Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls abgestimmt, um für die dritte Wellenlänge ein rotationssymmetrisches Strahlprofil, insbesondere unabhängig von der Symmetrie des Strahlprofils der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge, zu erzeugen.
Dadurch wird auf eine konstruktiv einfache Art ermöglicht, dass in Kombination mit der schräg verlaufenden Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls ein einstellbares, insbesondere rotationssymmetrisches, Strahlprofil der Harmonischen durch gezielte Stauchung des Strahlprofils erzeugt werden kann. Das Material des Prismas kann hierbei beispielsweise aus Fused Silica oder anderen laserbeständigen Gläsern und/oder Kristallen bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls unbeschichtet. Dies hat den Vorteil, dass auf eine Beschichtung verzichtet werden kann, da Qualität und Eigenschaften einer Beschichtung durch Wechselwirkung mit einer der Wellenlängen degradieren kann - speziell für erzeugte Wellenlängen im UV Bereich ist dies problematisch. Im UV Bereich ist das Problem bekannt, dass das erzeugte UV Licht speziell bei hohen Leistungen die Eigenschaften der Beschichtung durch Wechselwirkung mit dem Licht verändert. Da eine Degradation der Beschichtung einen Einfluss auf die Langzeitstabilität, das Strahlprofil und Streulicht hat. Daher ist es von Vorteil, auf eine Beschichtung der nichtlinearen Kristalle zu verzichten.
Die erfindungsgemäße Frequenzkonversionsanordnung ermöglicht es, auf die Beschichtung, insbesondere der Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls, zu verzichten und gleichwohl hervorragende reflexionsunterdrückende Eigenschaften zu erhalten. Zudem ist ein unbeschichteter Kristall oder ein teilweise beschichteter Kristall (beispielsweise ist lediglich die Eintrittsfläche beschichtet) kostengünstiger als ein beschichteter Kristall, da die Beschichtungsverfahren für eine Beschichtung zur, insbesondere gleichzeitigen, Reflexionsunterdrückung für mehrere Wellenlängen aufwendig und daher teuer sind
In einer alternativen Ausführungsform ist die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls beschichtet, vorzugsweise mit einem Antireflexcoating für die erste Wellenlänge und/oder die zweite Wellenlänge und/oder die dritte Wellenlänge und/oder einem p-coating. Die Beschichtung kann derart gewählt werden, dass beispielsweise die Brewster-Anordnung für eine Wellenlänge gewählt wird, bei der eine Beschichtung sehr aufwendig, teuer oder wie oben beschrieben problematisch bezüglich der Performance der Anordnung ist. Die Reflexion dieser Wellenlänge wird durch die Brewster-Anordnung unterdrückt. Da die weiteren Wellenlängen aber (teilweise starke) Reflexe an der schräg verlaufenden Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls erzeugen können, ist es möglich, eine Beschichtung für diese Wellenlängen auf der schräg verlaufenden Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls anzubringen.
Dabei wird die Langzeitstabilität und die Strahlprofilgüte der Frequenzkonversionsanordnung nicht durch eine Degradierung der Beschichtung gestört, aber gleichzeitig werden sämtliche Reflexionen der beteiligten Wellenlängen unterdrückt. Dies hat eine optimale Effizienz der Frequenzkonversion zur Folge. Es ist zudem nicht nötig, Rückreflexionen in dem Aufbau aufwendig unterdrücken zu müssen. Ein p-coating kann einen Kristall vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit, Ozon, oder ähnlichem schützen. In einer möglichen Ausführungsform weisen alle oder mehrere Kristalloberflächen, ggf. inklusive einer Mantelfläche (also äußeren Fläche) eines Kristalls, ein Antireflexcoating und/oder ein p-coating auf.
In einer Ausführungsform kann die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls auch für alle beteiligten Wellenlängen beschichtet sein. Beispielsweise in einem Fall in dem alle Wellenlängen in einem Bereich liegen, der für oben beschriebene Probleme hinreichend unkritisch bezüglich einer Beschichtungsdegradierung ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls nanostrukturiert. Dadurch wird ermöglicht, eine sehr breitbandige Reflexionsunterdrückung für alle beteiligten bzw. ausgewählte Wellenlängen bereitzustellen die zudem sehr stabil gegenüber Wechselwirkung mit Licht ist.
Insbesondere wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch ein System zur Frequenzkonversion eines Lasers gelöst, wobei das System Folgendes umfasst:

- eine Frequenzkonversionsanordnung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche;
- ein Lasersystem, das einen Strahl mit der ersten Wellenlänge erzeugt; und
- eine Strahlprofilgrößenanpassungseinheit, die derart ausgebildet ist, die Größe des Strahlprofils des Strahls anzupassen;

Hieraus ergeben sich die selben Vorteile wie sie bereits in Zusammenhang mit der Frequenzkonversionsanordnung beschreiben wurden. Zusätzlich ermöglich die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit die Größe des Strahlprofils des Lasersystems anzupassen. Dies ermöglicht eine Flexibilität hinsichtlich der Strahlprofilgröße und unmittelbar dadurch eine Flexibilität der verwendeten Intensität des Lichts des Lasersystems. Daraus ergibt sich eine mögliche Optimierung der Effizienz der Frequenzkonversion. Bei der Strahlprofilgrößenanpassungseinheit kann es sich beispielsweise um ein Teleskop und/oder eine einzelne Linse und/oder ein Linsenarray und/oder ein Spiegelteleskop und/oder einen oder mehrere parabolisch oder gekrümmte Spiegel handeln.
In einer Ausführungsform umfasst das System eine Strahlprofilanalyseeinheit zur Vermessung der Dimensionierungen der jeweiligen Hauptachsen des jeweiligen Strahlprofils der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge und/oder der dritten Wellenlänge, wobei die Strahlprofilanalyseeinheit insbesondere mindestens eine Kamera und/oder eine M²-Analyseeinheit umfasst. Dadurch wird ermöglicht, die Strahlprofile einer oder mehrerer Wellenlängen auf ihre jeweilige Geometrie zu optimieren. Beispielsweise kann durch die Strahlprofilanalyseeinheit kontrolliert ein rotationssymmetrisches Strahlprofil der dritten Wellenlänge erzeugt werden.
Ferner ist es auch möglich, für spezielle Anwendungen bewusst ein Strahlprofil mit einem definierten Verhältnis zweier Hauptachsen zu erzeugen, beispielsweise ein elongiertes Strahlprofil der dritten Wellenlänge mit einem Hauptachsenverhältnis von 1:2.
Mit der Strahlprofilanalyseeinheit ist es ferner möglich, auch die Strahlprofile der weiteren (ersten und zweiten) Wellenlängen kontrolliert zu vermessen und zu analysieren. In einer Ausführungsform sind automatisierte Elemente, beispielsweise ein oder mehrere Kristallhalter oder Optikhalter mit Piezomotoren zum Verkippen und/oder Drehen der Kristalle oder Optiken, der Frequenzkonversionsanordnung oder der Strahlprofilgrößenanpassungseinheit mit der Strahlprofilanalyseeinheit in Verbindung gesetzt, beispielsweise über einen Rechner. Dadurch wird ermöglicht, dass vorab bestimmte Werte, wie beispielsweise die Dimensionierungen der Hauptachsen des Strahls der dritten Wellenlänge, aktiv geregelt werden können.
In einer Ausführungsform weist die Größe des Strahlprofils des Strahls vor der Frequenzkonversionsanordnung einen Durchmesser von mindestens 250 µm, vorzugsweise mindestens 500 µm,weiter vorzugsweise mindestens 1.000 µm auf. Durch die Wahl eines kleinen Durchmessers des Strahls des Lasersystems wird es ermöglicht, auch verhältnismäßig geringe Lichtleistungen effizient zu konvertieren.
In einer alternativen Ausführungsform kann eine Größe des Strahlprofils vor der Frequenzkonversionsanordnung kleiner als 250 µm verwendet werden. Je nach Wellenlängenbereich und/oder Kristall bzw. Kristalltyp kann beispielsweise eine Größe des Strahlprofils 100 µm, oder kleiner, betragen.
In einer Ausführungsform ist das Lasersystem ein gepulstes Lasersystem, vorzugsweise mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich, weiter vorzugsweise im Nanosekundenbereich, noch weiter vorzugsweise im Pikosekundenbereich. Durch ein gepulstes Lasersystem lassen sich hohe (Spitzen)Intensitäten erreichen und somit die Effizienz der Frequenzkonversion optimieren. In einer alternativen Ausführungsform kann das Lasersystem auch Pulsdauern im Femtosekundenbereich aufweisen.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Lasersystem ein Dauerstrichlasersystem. Dadurch wird es ermöglicht das System für Anwendungen einzusetzen, bei denen keine gepulste Lichtquelle gewünscht oder vorhanden sind.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst das System einen dritten nichtlinearen Kristall zur Frequenzkonversion der dritten Wellenlänge zu einer vierten Wellenlänge. Hierbei kann die dritte Wellenlänge alleine oder alternativ in Wechselwirkung mit der ersten Wellenlänge oder der zweiten Wellenlänge zu einer vierten Wellenlänge konvertiert werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst das System eine zweite Frequenzkonversionsanordnung zur Konversion zu einer vierten und einer fünften Wellenlänge aus einer oder mehreren der beteiligten Wellenlängen.
Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

1a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Frequenzkonversionsanordnung, bei dem die optische Einheit zwischen einem ersten nichtlinearen und einem zweiten nichtlinearen Kristall angeordnet ist;
1b eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der Frequenzkonversionsanordnung aus 1a, bei dem die optische Einheit zwischen einem ersten nichtlinearen und einem zweiten nichtlinearen Kristall modifiziert angeordnet ist;
2 eine schematische Darstellung eines Strahlprofils eines Strahls einer an einer Frequenzkonversion, mittels der Frequenzkonversionsanordnung, beteiligten Wellenlänge;
3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Frequenzkonversionsanordnung, bei dem die optische Einheit vor einem ersten und einem zweiten nichtlinearen Kristall angeordnet ist; und
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Systems zur Frequenzkonversion.
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Systems zur Frequenzkonversion.

In 1a ist eine erfindungsgemäße Frequenzkonversionsanordnung 100 schematisch dargestellt. Ein zur Frequenzkonversion bereitgestellter erster Strahl einer ersten Wellenlänge λ1 propagiert in horizontaler Richtung von links nach rechts. Solange nicht explizit darauf hingewiesen wird, wird nachfolgend stets davon ausgegangen, dass alle Strahlen, die in den entsprechenden nachfolgenden Figuren dargestellt sind, von links kommend nach rechts propagieren.
Die erste Wellenlänge λ1 wird in einem ersten nichtlinearen Kristall X1 frequenzkonvertiert. In einem Ausführungsbeispiel wird die erste Wellenlänge λ1 in dem ersten nichtlinearen Kristall X1 frequenzverdoppelt. Ein Kristalltyp für dieses Ausführungsbeispiel mit einer derartigen Frequenzkonversion kann beispielweise ein LBO-Kristall oder ein BBO-Kristall sein. Weitere Kristalle die zur Frequenzkonversion ausgebildet sind, sind dem Fachmann geläufig.
Der erste nichtlineare Kristall X1 kann für eine kritische oder nichtkritische Phasenanpassung zur Frequenzkonversion ausgebildet sein. Der erste nichtlineare Kristall X1 wird in einem dafür ausgebildeten (nicht gezeigten) Halter gelagert, der es vorzugsweise erlaubt, den ersten nichtlinearen Kristall X1 zu in unterschiedlichen Richtungen zu verkippen. Das Verkippen kann manuell, beispielsweise durch Feingewindeschrauben oder automatisch bzw. gesteuert beispielsweise durch Piezo(schritt)motoren.
Ferner ist es möglich, dass der Halter des ersten nichtlinearen Kristalls X1 heizbar bzw. temperierbar ist.
Nach der Frequenzkonversion im ersten nichtlinearen Kristall propagieren der Strahl der ersten Wellenlänge λ1 und der durch die Frequenzkonversion erzeugte zweite Strahl einer zweiten Wellenlänge λ2 im Wesentlichen kollinear. In dem Ausführungsbeispiel, in dem durch den ersten nichtlinearen Kristall XI eine Frequenzverdopplung erfolgt, entspricht die zweite Wellenlänge λ2 im Wesentlichen der halben Wellenlänge von der ersten Wellenlänge λ1.
In einem Ausführungsbeispiel weist der erste nichtlineare Kristall eine Beschichtung auf seiner Eintrittsfläche und seiner Austrittsfläche auf, um Reflexionen der ersten Wellenlänge λ1 (an der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche) und der zweiten Wellenlänge λ2 (an der Austrittsfläche) zu unterdrücken.
In einem Ausführungsbeispiel der Frequenzkonversionsanordnung 100 in 1a bildet ein Prisma P die erfindungsgemäße optische Einheit. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die optische Einheit weitere Optiken umfassen. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel wird die optische Einheit durch ein (anamorphes) Prismenpaar gebildet.
Das Prisma P in dem Ausführungsbeispiel in 1a ist derart gelagert, dass es entlang einer Achse parallel zu einer Eintrittsfläche des Prismas P kontinuierlich verschiebbar ist. Weiterhin ist das Prisma P derart gelagert, dass es ferner in einer Ebene parallel zu den Strahlen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 kontinuierlich verdreht werden kann.
Das Verschieben und/oder das Drehen des Prismas bzw. der optischen Einheit kann manuell, beispielsweise durch Feingewindeschrauben, oder automatisch bzw. gesteuert, beispielsweise durch Piezo(schritt)motoren, erfolgen.
Mit Hilfe des Prismas lassen sich die Strahlprofilquerschnitte der Strahlen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 in einer Ebene parallel zur Propagationsrichtung der Strahlen entlang einer jeweiligen Hauptachse des jeweiligen Strahlprofils beeinflussen, während die Strahlprofilquerschnitte in einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung im Wesentlichen unverändert bleiben. Ein Drehen des Prismas P erlaubt eine Anpassung des Aspekt-Verhältnis zwischen den beiden Hauptachsen. Die Anpassung des Aspekt-Verhältnisses wird nachfolgend in 2 beschrieben.
Zusätzlich ist es auch möglich, dass das Prisma P derart gelagert ist, dass auch eine oder mehrere Dreh- bzw. Verkipprichtungen vorgesehen sind. So kann ein weiterer Optimierungsparameter beispielsweise dadurch gebildet werden, das Prisma P um eine Achse parallel zu einer Propagationsrichtung eines Eingangsstrahls der ersten Wellenlänge λ1 und/oder der zweiten Wellenlänge λ2 zu drehen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Prisma P auch um eine Achse parallel zu der Eintrittsfläche des Prismas P und/oder der Austrittsfläche des Prismas P verkippt werden.
Die Strahlen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 propagieren nach dem Prisma P unter einem Winkel zu der (ursprünglichen) Einfallsrichtung der beiden Strahlen. Der Winkel ist abhängig von dem Material des Prismas P, dem Apexwinkel des Prismas P, der Verdrehung des Prismas P und der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2.
Nach der Anpassung des Aspekt-Verhältnisses der Strahlprofile der Strahlen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 entlang ihrer entsprechenden Hauptachsen, progieren die Strahlen durch den zweiten nichtlinearen Kristall X2. In dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 werden die erste Wellenlänge λ1 und die zweite Wellenlänge λ2 gemeinsam frequenzkonvertiert, um die dritte Wellenlänge λ3 zu erzeugen.
In dem Ausführungsbeispiel wird in dem zweiten nichtlinearen Kristall eine Summenfrequenz der beiden Eingangswellenlängen λ1 und λ2 gebildet. Ein Kristalltyp für dieses Ausführungsbeispiel mit einer derartigen Frequenzkonversion kann beispielweise ein LBO oder ein BBO sein. Weitere Kristalle die zur Frequenzkonversion ausgebildet sind, sind dem Fachmann geläufig. Der zweite nichtlineare Kristall X2 kann für eine kritische oder nichtkritische Phasenanpassung zur Frequenzkonversion ausgebildet sein. Der zweite nichtlineare Kristall X2 wird in einem dafür ausgebildeten (nicht gezeigten) Halter gelagert, der es beispielsweise erlaubt den zweiten nichtlinearen Kristall X2 in mehreren Richtungen zu verkippen.
Das Verkippen kann manuell, beispielsweise durch Feingewindeschrauben, und/oder automatisch bzw. gesteuert, beispielsweise durch Piezo(schritt)motoren, erfolgen.
Ferner ist es möglich, dass der Halter des ersten nichtlinearen Kristalls X2 heizbar bzw. temperierbar ist. In alternativen Ausführungsbeispielen kann in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 auch eine Differenzfrequenz aus der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 gebildet werden. In weiteren alternativen Ausführungsbeispielen kann in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 die zweite Wellenlänge λ2 frequenzverdoppelt werden.
In 1a ist die Eintrittsfläche A1 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 im Wesentlichen senkrecht zu der Propagationsrichtung des ersten Strahls der ersten Wellenlänge λ1 und/oder des zweiten Strahls der zweiten Wellenlänge λ2. Die Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 ist unter einem Winkel zu der Eintrittsfläche 1 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 ausgebildet.
In dem Ausführungsbeispiel ist die Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 derart ausgebildet, dass sie mit der Propagationsrichtung des Strahls der in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 erzeugten dritten Wellenlänge λ3 eine Brewster-Anordnung bildet. Unter einer Brewster-Anordnung ist hier zu verstehen, dass der Strahl der dritten Wellenlänge λ3 im Wesentlichen unter dem Brewster-Winkel auf die Austrittsfläche A2 (bzw. auf das entsprechende Lot der Austrittsfläche A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 auftrifft. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass eine Reflexion der dritten Wellenlänge λ3 an der Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 unterdrückt wird. Dies bietet die Möglichkeit auf eine Beschichtung auf der Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 zu verzichten.
Gleichwohl kann die Eintrittsfläche A1 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 beschichtet sein, nämlich beispielsweise mit einem Antireflexcoating für die erste Wellenlänge λ1 und die zweite Wellenlänge λ2, um Reflexionen an der Eintrittsfläche A1 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 zu vermeiden.
In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 eine Beschichtung aufweist. Beispielsweise kann der Kristall eine Beschichtung für die erste Wellenlänge λ1 und die zweite Wellenlänge λ2 auf der Austrittfläche A2 aufweisen.
Durch konstruktive Anpassung des Materials des Prismas P und des Apexwinkels des Prismas P auf die Brewster-Anordnung der Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 wird auf einfache Art ermöglicht, dass ein einstellbares, insbesondere rotationssymmetrisches, Strahlprofil der dritten Wellenlänge λ3 erzeugt werden kann. Durch ein Verkippen des Prismas P kann auch eine „beliebige“ Symmetrie des Strahlprofils erzeugt werden. Unter einer „beliebigen Symmetrie“ ist hier ein einstellbares Verhältnis einer horizontalen und vertikalen Achse des Strahlprofils der dritten Wellenlänge λ3 zu verstehen.
In 1b ist ein Ausführungsbeispiel analog zu 1a gezeigt, mit dem Unterschied, dass die Position des Prismas P wie zuvor beschrieben modifiziert wurde. Durch eine derartige Translation des Prismas P kann ein Laufzeitunterschied der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 eingestellt bzw. kompensiert werden.
Unter einem Laufzeitunterschied ist hier zu verstehen, dass sich ein Auftreffzeitpunkt der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge λ2 auf das Prisma P unterscheiden, da unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich schnell durch Material propagieren. In diesem Fall also unterschiedlich schnell durch den ersten nichtlinearen Kristall XI und das Medium (beispielsweise Luft) zwischen dem ersten nichtlinearen Kristall X1 und dem Prisma P. Durch die dispersive Eigenschaft des Prismas P kann dieser Laufzeitunterschied durch eine Translation des Prismas P eingestellt bzw. kompensiert bzw. überkompensiert werden, da die erste Wellenlänge λ1 und die zweite Wellenlänge λ2 einen unterschiedlichen optischen Weg durch das Prisma P durchlaufen.
Durch Translation des Prismas P kann also effektiv der Entstehungsort der dritten Wellenlänge λ3 im zweiten nichtlinearen Kristall X2 variiert werden. Somit lässt sich die Effizienz der Frequenzkonversion einstellen, indem die maximal mögliche Kristalllänge für die Frequenzkonversion ausgenutzt wird.
In 2 ist schematisch die Auswirkung der optischen Einheit auf ein Strahlprofil dargestellt. Die durchgezogene Kreislinie in 2 beschreibt ein Strahlprofil bevor es durch die optische Einheit beeinflusst wurde. Dabei entspricht eine Hauptachse x1, x2, x3, vorzugsweise einer horizontalen Hauptachse der ersten oder der zweiten oder der dritten Wellenlänge.
Eine zu x1, x2, x3 senkrecht stehende Hauptachse ist mit y1, y2, y3 bezeichnet und vorzugsweise eine vertikale Hauptachse des entsprechenden Strahlprofils der ersten oder der zweiten oder der dritten Wellenlänge. Die erfindungsgemäße optische Einheit kann nun einen Strahl dahingehend beeinflussen, dass - je nach Orientierung der optischen Einheit - eine Hauptachse x1, x2, x3 eines Strahlprofiles beeinflusst wird, während die dazu senkrecht ausgebildete Hauptachse y1, y2, y3 unverändert bleibt. Dieser Fall eines beeinflussten Strahlprofils ist durch die gestrichelte Linie in 2 verdeutlicht. Die beeinflusste Achse ist hierbei mit x1', x2', x3' bezeichnet. Mit den jeweils drei Bezugszeichen pro Hauptachse soll verdeutlicht werden, dass die optische Einheit die erste Wellenlänge und/oder die zweite Wellenlänge und/oder die dritte Wellenlänge im Wesentlichen gleichermaßen beeinflusst, sobald eine (oder mehrere) dieser Wellenlängen durch die optische Einheit propagiert/propagieren. Ein Drehen der optischen Einheit um eine Achse parallel zu einer Richtung der ersten Wellenlänge beeinflusst das Aspekt-Verhältnis der beteiligten Wellenlänge(n).
Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßem Frequenzkonversionsanordnung 100 ist schematisch in 3 dargestellt. In 3 werden dieselben Bezugszeichen für dieselben Strahlen bzw. Elemente wie in den zuvor beschriebenen Figuren verwendet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die optische Einheit durch ein Prisma P ausgebildet, das sich vor einem ersten nichtlinearen Kristall X1 befindet. Mit diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen Strahl der dritten Wellenlänge mit einer gewünschten Symmetrie - also einem gewünschten Aspekt-Verhältnis der Hauptachsen - zu erzeugen. Hierzu wird das Prisma P um eine Achse gedreht, die parallel zu einer Achse ist, die in 3 durch die Propagationsrichtung der ersten Wellenlänge λ1 vorgegeben ist.
Durch eine Rotation des Prismas P kann/können dabei ein oder mehrere Effekte, die in dem ersten nichtlinearen Kristall XI und/oder in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 auftreten, und die das Strahlprofil der dritten Wellenlänge beeinflussen, kompensiert werden, um vorzugsweise ein rotationssymmetrisches Strahlprofil bei der dritten Wellenlänge λ3 zu erzeugen. Dabei können beispielsweise Effekte wie Walk-off der zweiten Wellenlänge λ2 und/oder der dritten Wellenlänge λ3 und/oder ein Überschreiten des Akzeptanzwinkels im ersten nichtlinearen Kristall XI und/oder im zweiten nichtlinearen Kristall X2, kompensiert werden.
Die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 ist in 3, analog zu dem Ausführungsbeispiel aus 1a und 1b, im Wesentlichen in einer Brewster-Anordnung, vorzugsweise in Bezug auf die dritte Wellenlänge λ3, ausgebildet, um für die dritte Wellenlänge Reflexionsverluste zu minimieren. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Anordnung der Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 auch von der beschriebenen Brewster-Anordnung abweichen.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Systems zur Frequenzkonversion 200 schematisch dargestellt. Das System zur Frequenzkonversion 200 umfasst in dem Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Frequenzkonversionsanordnung 100, wie zuvor beschrieben. In 4 werden für die Elemente der Frequenzkonversionsanordnung 100 die identischen Bezugszeichen wie in den zuvor beschriebenen Figuren verwendet. Das System des Ausführungsbeispiels in 4 umfasst ferner eine Lasersystem L, das einen Strahl B bei der ersten Wellenlänge λ1 für eine Zuführung zu der Frequenzkonversionsanordnung 100 bereitstellt. Bevor der Strahl B der Frequenzkonversionsanordnung 100 zugeführt wird, kann eine Größe des Strahlprofils des Strahls B durch eine Strahlprofilgrößenanpassungseinheit T beeinflusst werden. In einem Ausführungsbeispiel ist es beispielsweise möglich, dass die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit ein Teleskop umfasst, das die Größe des Strahlprofils auf eine Größe von 250 µm einstellt. Ferner ist in einem alternativen Ausführungsbeispiel möglich, dass die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit durch eine einzelne Linse bereitgestellt wird, die die Größe des Strahlprofils des Strahls B an einem Ort, beispielsweise zwischen erstem nichtlinearen Kristall X1 und zweiten nichtlinearen Kristall X2, einstellt.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems zur Frequenzkonversion 200 schematisch dargestellt. Das System zur Frequenzkonversion 200 umfasst in dem Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Frequenzkonversionsanordnung 100, wie zuvor in Zusammenhang mit 3 beschreiben. So ist es möglich in dem System 200 ein Aspekt-Verhältnis des Strahlprofils der ersten Wellenlänge, wie zuvor beschrieben, einzustellen.
In 5 werden für die Elemente der Frequenzkonversionsanordnung 100 die identischen Bezugszeichen wie in den zuvor beschriebenen Figuren verwendet.
Das System des Ausführungsbeispiels in 5 umfasst ferner ein Lasersystem L, das einen Strahl B bei der ersten Wellenlänge λ1 für eine Zuführung zu der Frequenzkonversionsanordnung 100 bereitstellt. Bevor der Strahl B der Frequenzkonversionsanordnung 100 zugeführt wird, kann eine Größe des Strahlprofils des Strahls B durch eine Strahlprofilgrößenanpassungseinheit T beeinflusst werden. In einem Ausführungsbeispiel ist es beispielsweise möglich, dass die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit ein Teleskop umfasst, das die Größe des Strahlprofils auf eine Größe von 250 µm einstellt.
Ferner ist es in einem alternativen Ausführungsbeispiel möglich, dass die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit durch eine einzelne Linse bereitgestellt wird, die die Größe des Strahlprofils des Strahls B an einem Ort, beispielsweise zwischen erstem nichtlinearen Kristall X1 und zweiten nichtlinearen Kristall X2, einstellt.
Zur Analyse der Dimensionierungen der Hauptachsen x1, x2, x3, x1',x2', y3' und/oder y1, y2, y3 der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Wellenlänge und/oder der Qualität der Strahlprofile dient die Strahlprofilanalyseeinheit K in den Ausführungsbeispielen aus 4 und 5. Diese wird durch eine Kamera und/oder eine M² Analyseeinheit gebildet. Eine einzelne Wellenlänge lässt sich beispielsweise durch die Verwendung optischer Filter analysieren.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Strahlprofilanalyseeinheit weitere Komponenten wie beispielsweise ein Spektrometer und/oder ein Powermeter umfasst, um die spektralen Eigenschaften und die Leistung der (einzelnen) Wellenlängen zu erfassen.
In einem Ausführungsbeispiel werden die von der Strahlprofilanalyseeinheit erfassten Parameter von einem Rechner ausgewertet und dabei beispielsweise eine Langzeitstabilität von einem oder mehrerer Parameter erfasst. Die dabei erfassten Parameter können auch genutzt werden, um einzelne Komponenten wie Kristallhalter und/oder die optische Einheit und/oder die Stahlprofilgrößenanpassungseinheit elektronisch in einen Regelkreis einzubinden, um auf einen oder auf mehrere Parameter, wie vorzugsweise eine Leistungsstabilität der dritten Wellenlänge, zu regeln.
Die Ausführungsbeispiele aus 4 und 5 können auch weitere (in 4 und 5 nicht gezeigte) Komponenten umfassen. Für lange Strahlwege, beispielsweise zwischen Lasersystem L und Stahlprofilgrößenanpassungseinheit T und/oder zwischen Stahlprofilgrößenanpassungseinheit T und Frequenzkonversionsanordnung 100 und/oder zwischen erstem nichtlinearen Kristall X1 und zweiten nichtlinearen Kristall X2 können mehrere Umlenkspiegel vorhanden sein, die einen oder mehrere Strahlen umlenken.
Ferner kann das gesamte System zur Frequenzkonversion 200 oder Teile davon, beispielsweise die Frequenzkonversionsanordnung 100, in einer Einhausung untergebracht sein - beispielsweise um transportabel zu sein und/oder evakuiert zu werden und/oder mit einem Gas gespült bzw. geflutet zu werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere der in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden.
Bezugszeichenliste

100: Frequenzkonversionsanordnung
200: System zur Frequenzkonversion
λ1: (Strahl der) erste(n) Wellenlänge
λ2: (Strahl der) zweite(n) Wellenlänge
λ3: (Strahl der) dritte(n) Wellenlänge
P: optische Einheit
X1: erster nichtlinearer Kristall
X2: zweiter nichtlinearer Kristall
A1: Eintrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls
A2: Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls
L: Lasersystem
B: Strahl des Lasersystems
T: Stahlprofilgrößenanpassungseinheit
K: Strahlprofilanalyseeinheit
x1, x2, x3: erste Hauptachse eines Strahlprofils
x1',x2', x3': beeinflusste erste Hauptachse eines Strahlprofils
y1, y2, y3: zweite Hauptachse eines Strahlprofils

Claims

Frequenzkonversionsanordnung (100) zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, insbesondere eines Strahlprofils und/oder einer Langzeitstabilität, wobei die Anordnung umfasst: - einen ersten nichtlinearen Kristall (X1), der derart ausgebildet ist, eine erste Wellenlänge (λ1) teilweise in eine zweite Wellenlänge (λ2) zu konvertieren; und - eine optische Einheit, die insbesondere mindestens ein Prisma (P) umfasst, die derart ausgebildet ist, Strahlprofile der ersten Wellenlänge (λ1) und/oder der zweiten Wellenlänge (λ2) in ihren jeweiligen Hauptachsen (x1, y1, x2, y2) unterschiedlich zu beeinflussen; und - einen zweiten nichtlinearen Kristall (X2), der derart ausgebildet ist, eine dritte Wellenlänge (λ3) aus dem nicht konvertiertem Teil der ersten Wellenlänge (λ1) und/oder der zweiten Wellenlänge (λ2) zu erzeugen, wobei der zweite nichtlineare Kristall (X2) eine Eintrittsfläche (A1) und eine Austrittsfläche (A2) aufweist und die Austrittsfläche (A2) schräg zu der Eintrittsfläche (A1) verläuft.
Frequenzkonversionsanordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit mindestens ein Prisma (P) umfasst, das um mindestens eine Achse drehbar ist, um die jeweiligen Hauptachsen (x1, y1, x2, y2) der Strahlprofile unterschiedlich zu beeinflussen.
Frequenzkonversionsanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein/das Prisma (P) der optischen Einheit transversal derart verschiebbar ist, um einen Laufzeitunterschied (Δt) zwischen der ersten Wellenlänge (λ1) und der zweiten Wellenlänge (λ2) kontinuierlich einzustellen und/oder zu kompensieren.
Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wellenlänge (λ2) die zweite Harmonische der ersten Wellenlänge (λ1) ist.
Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Wellenlänge (λ3) eine Wellenlänge ist, die der zweiten Harmonischen der ersten Wellenlänge (λ1) oder der zweiten Harmonischen der zweiten Wellenlänge (λ2) oder der Summen- bzw. Differenzfrequenz aus der ersten Wellenlänge (λ1) und/oder der zweiten Wellenlänge (λ2) entspricht.
Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls (X2) im Wesentlichen in einer Brewster-Anordnung, vorzugsweise bezüglich der dritten Wellenlänge (λ3), angeordnet ist.
Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit, insbesondere durch einen Apexwinkel und ein Material des Prismas (P), derart auf die schräg verlaufende Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls (X2) abgestimmt ist, um für die dritte Wellenlänge (λ3) ein rotationssymmetrisches Strahlprofil, insbesondere unabhängig von der Symmetrie des Strahlprofils der ersten Wellenlänge (λ1) und/oder der zweiten Wellenlänge (λ2), zu erzeugen.
Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls unbeschichtet ist.
Frequenzkonversionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls beschichtet ist, vorzugsweise mit einem Antireflexcoating für die erste Wellenlänge (λ1) und/oder die zweite (λ2) Wellenlänge und/oder die dritte Wellenlänge (λ3) und/oder einem p-coating.
Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls nanostrukturiert ist.
System (200) zur Frequenzkonversion eines Lasers umfassend: - eine Frequenzkonversionsanordnung (100) gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche; - ein Lasersystem (L), das einen Strahl (B) mit der ersten Wellenlänge (λ1) erzeugt; und - eine Strahlprofilgrößenanpassungseinheit (T), die derart ausgebildet ist, die Größe des Strahlprofils des Strahls (B) anzupassen; wobei das Strahlprofil nach der Anpassung der Größe durch die Stahlprofilgrößenanpassungseinheit (T), der Frequenzkonversionsanordnung (100) zugeführt wird.
System (200) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Strahlprofilanalyseeinheit (K) zur Vermessung der Dimensionierungen der jeweiligen Hauptachsen (x1, y1, x2, y2, x3, y3) des jeweiligen Strahlprofils der ersten Wellenlänge (λ1) und/oder der zweiten (λ2) Wellenlänge und/oder der dritten Wellenlänge (λ3), wobei die Strahlprofilanalyseeinheit (K) insbesondere mindestens eine Kamera und/oder eine M²-Analyseeinheit umfasst.
System (200) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Strahlprofils des Strahls (B) vor der Frequenzkonversionsanordnung einen Durchmesser von mindestens 250 µm, vorzugsweise mindestens 500 µm, weiter vorzugsweise mindestens 1.000 µm, aufweist.
System (200) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem (L) ein gepulstes Lasersystem ist, vorzugsweise mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich, weiter vorzugsweise im Nanosekundenbereich, noch weiter vorzugsweise im Pikosekundenbereich.
System (200) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem (L) ein Dauerstrichlasersystem ist.