DE10339210A1 - Laserresonator und Frequenzkonvertierter Laser - Google Patents

Abstract

Ein optisch gepumpter, insbesondere diodengepumpter, kontinuierlicher Festkörperlaser 7 erzeugt einen primären Laserstrahl 12, dessen Frequenz mithilfe von einem oder mehreren nachgeordneten passiven Resonatoren 9 mit nichtlinearen Kristallen 10 in den sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich konvertiert wird. Mit relativ geringem Aufwand wird erreicht, dass im Laserresonator 9 genau zwei longitudinale Lasermoden mit etwa gleicher Amplitude angeregt werden. Dadurch wird eine hohe Effizienz des Gesamtsystems und ein sehr niedriges Rauschniveau des resultierenden frequenzkonvertierten Laserstrahls 13 erreicht. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält die frequenzkonvertierte Strahlung drei oder mehr benachbarte Frequenzen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält die frequenzkonvertierte Laserstrahlung nur eine einzige Frequenz und entspricht daher der Strahlung eines Einmodenlasers.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Laserresonator mit einem darin angeordneten Verstärkungsmedium und mit einem im Laserresonator angeordneten frequenzselektiven Element, das ein frequenzabhängiges Abschwächungsprofil aufweist.
• Derartige Laserresonatoren dienen zur Erzeugung eines primären Laserstrahls, aus dem mit Hilfe eines optisch nichtlinearen Kristalls ein sekundärer Laserstrahl mit konvertierter Frequenz erzeugtwerden kann. Frequenzkonvertierte Festkörper-Laser finden insbesondere im bauen und ultravioletten Spektralbereich vielfache Anwendung.
• Der nichtlineare Kristall kann dabei entweder intern, d.h. innerhalb des Laserresonators oder extern, also außerhalb des Laserresonators, angeordnet sein.
• Da bei interner Frequenzkonversion der primäre Laserstrahl innerhalb des Laserresonators mit wesentlich höherer Intensität zur Verfügung steht als außerhalb des Resonators, ist die interne Frequenzkonversion erwartungsgemäß sehr effizient. Erfolgt die Frequenzkonversion dagegen außerhalb des Laserresonators, so müssen Maßnahmen getroffen werden, um eine für praktische Anwendungen ausreichende Konversionseffizienz zu erreichen.
• Bei beiden Varianten sind Vorkehrungen zum Reduzieren nichtlinearer Kopplungen von Moden des Laserstrahls zu treffen, die zum Auftreten unerwünschter Frequenzen im Laserstrahl und damit zu einem Rauschen in der Intensität des Laserstrahls führen würden.
• Nachfolgend werden die im Stand der Technik zur Anwendung kommenden Methoden und Vorrichtungen zur Frequenzkonversion sowie die dabei auftretenden Rauschquellen eines Laserstrahls vorgestellt und diskutiert. Die Diskussion beschränkt sich auf den Fall externer Frequenzkonversion, der für die vorliegende Erfindung allein relevant ist.
• Eine bekannte Methode zur Effizienzerhöhung der externen Frequenzkonversion ist die resonante Frequenzverdopplung in einem passiven Resonator (siehe z.B. Ashkin et al. „Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing", Journal of Quantum Electronics, QE-2, 1966, Seite 109 und M.Brieger et al. „Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator", Optics Communications 38, 1981, Seite 423). Dabei wird ein Laserstrahl in einen Spiegel und einen nichtlinearen Kristall umfassenden optischen Resonator eingekoppelt, der auf die Frequenz des Laserstrahls resonant abgestimmt ist. Durch den Resonanzfall ergibt sich eine Überhöhung der Intensität des Laserstrahls im Resonator und damit eine Erhöhung der Konversionseffizienz im nichtlinearen Kristall.
• Die Technik der externen, resonanten Frequenzkonversion wurde in den letzten Jahren stetig weiter entwickelt und in zahlreichen Druckschriften beschrieben (siehe z.B. US5027361 , US5552926 , US5621744 , US5943350 , US6088379 , DE19814199 , DE19818612 , DE10002418 , DE10063977 ). Die bei externer Frequenzverdopplung erzielte Konversionseffizienz ist mit mittlerweile bis zu 90% teilweise sogar höher als bei der internen Konversion (siehe Schneider et al., „1.1W single-frequency 532 nm radiation by secondharmonic generation of a miniature Nd:YAG ringlaser" Optics Letters, Vol 21, Nr. 24, 1996, Seite 1999).
• In der US5696780 wird der Laserstrahl eines diodengepumpten Festkörperlasers sowohl intern als auch extern frequenzkonvertiert, um eine Wellenlänge im ultravioletten Spektralbereich zu erhalten. Dabei wird aus dem Laserstrahl des in der US5446749 beschriebenen, intern frequenzverdoppelten Lasers mit besonders großer Resonatorlänge mit Hilfe eines externen, resonanten Frequenzverdopplers ein Laserstrahl mit der vierfachen Frequenz des primären Laserstrahls erzeugt. Da es sich um einen Mehrmoden-Laser handelt, muss die Resonatorlänge des Frequenzverdopplers ein ganzzahliges Vielfaches der Resonatorlänge des Laserresonators betragen.
• Die Verwendung zweier besonders großer Resonatoren führt prinzipbedingt zu einer unhandlichen Ausführung des Gerätes. Außerdem ist das Rauschniveau des frequenzverdoppelten Laserstrahls, der dem externen Frequenzverdoppler zugeführt wird, schon relativ hoch, da hier nur eine statistische Unterdrückung des Rauschens erfolgt. Durch die nichtlineare Frequenzverdopplung wird die Rauschamplitude nicht nur verdoppelt, sondern es werden durch den Effekt der Differenzfrequenzbildung beim „Mode beating", d.h., das Ausbilden von Schwebungen durch Differenzfrequenzbildung der verschiedenen Lasermoden zusätzliche Frequenzen im besonders störenden Bereich von 0 Hz bis einigen MHz erzeugt.
• Nachfolgend wird das Problem des Mode beating näher erläutert. Es stellt eine bei Mehrmoden-Lasern stets vorhandene Rauschquelle dar. Dieses Phänomen wird häufig nicht als Rauschen registriert, da es entweder durch das stärkere Rauschen anderer Rauschquellen überdeckt wird oder weil die Frequenzen außerhalb des registrierten Bereiches liegen.
• Für manche Anwendungen spielt das Frequenzspektrum des Laserrauschens eine entscheidende Rolle für die Brauchbarkeit des Lasersystems. In vielen Anwendungen wird z.B. der Laserstrahl mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators amplitudenmoduliert. Die verwendeten Modulationsfrequenzen können sich bis zu mehreren 100 MHz erstrecken. Für die Anwendung ist es wichtig, dass das Laserrauschen im Bereich der Nutzfrequenzen möglichst niedrig ist. Das Laserrauschen außerhalb dieses Frequenzbereiches spielt dagegen keine Rolle. Schwebungsfrequenzen im Bereich einiger GHz, wie sie durch benachbarte Lasermoden eines wenige Zentimeter langen Laserresonators entstehen, sind im allgemeinen ohne Bedeutung, da sie weit außerhalb des Frequenzbandes liegen, das normalerweise für die Modulation benutzt wird. Z.B. hat ein Zweimoden-Laser mit einer Resonatorlänge von 3 cm einen Frequenzabstand der beiden Lasermoden von 5 GHz. Im Rauschspektrum kann daher nur diese eine Frequenz auftreten, was für alle bisher bekannten Anwendungen unschädlich ist. Hat ein Laser jedoch mehr als zwei Moden, so treten weitere Schwebungsfrequenzen hinzu. Die Frequenzen longitudinaler Lasermoden in einem realen Laserresonator sind nicht exakt äquidistant, da die Dispersion optischer Elemente sowie „Mode-pulling"-Effekte des aktiven Mediums die Frequenzen verschieben. Deshalb weist das Rauschspektrum eines Lasers mit mehr als zwei Moden mehrere dicht benachbarte Frequenzen entsprechend den Modenabständen auf.
• Solange nur die Grundwellenlänge des Lasers benutzt wird, liegen diese Frequenzen im Bereich einiger GHz und sind daher für den genannten Anwendungsbereich unschädlich. Wird die Laserstrahlung jedoch mit Hilfe eines nichtlinearen Materials frequenzkonvertiert, also z.B. frequenzverdoppelt, so treten im Rauschspektrum der konvertierten Laserstrahlung nicht nur die genannten, dicht benachbarten Frequenzen im GHz-Bereich auf, sondern auch deren Differenzfrequenzen. Diese Differenzfrequenzen liegen im Allgemeinen im Bereich zwischen 0 Hz und wenigen MHz und sind daher für den genannten Anwendungsbereich höchst schädlich. Diese Schwebungen haben außerdem die unangenehme Eigenschaft, dass ihre Frequenzen empfindlich von der Länge des Laserresonators und damit von der Temperatur abhängen, so dass ein Rauschspektrum mit verschiedenen, sich ständig ändernden Frequenzen entsteht, was für die genannten Anwendungen besonders nachteilig ist.
• Aus der Veröffentlichung A. Hohla et al., Bichromatic frequency conversion in potassium niobate", Optics Letter, Vol. 23, 1998, No. 6, Seiten 436–438, ist ein Laser mit einem Laserresonator in Form eines Miniatur-Titan-Saphir-Laser bekannt, der einen primären Laserstrahl mit zwei Lasermoden mit einer Frequenzdifferenz von 1,2 GHz ausgeben kann. Der Laser umfasst weiterhin einen externen Ring-Resonator vom Bow-Tie-Typ mit gekrümmten Endspiegeln, in den die beiden Lasermoden eingekoppelt werden. Der externe Resonator weist einen temperaturgeregelten Kaliumniobat-Kristall zur Frequenzverdopplung auf. Die Temperaturregelung dient der Aufrechterhaltung einer optimalen Phasenanpassung des Kaliumniobat-Kristalls.
• Nachteil dieser Anordnung ist, dass Schwankungen externer Parameter wie der Umgebungstemperatur einen stabilen, rauscharmen Betrieb mit zwei Lasermoden und einer konstanten Leistung des sekundären Laserstrahls verhindern. Eine konstante Leistung frequenzkonvertierter Laserstrahlung ist jedoch in vielen industriellen Anwendungen von hoher Bedeutung.
• Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es, einen Laser zur Verfügung zu stellen, der eine rauscharme und besonders stabile externe Frequenzkonversion ermöglicht. Eine weiteres technisches Problem, das der Erfindung zu Grunde liegt, ist die Bereitstellung eines frequenzkonvertierten Lasers mit geringem Rauschen und besonders hoher Stabilität.
• Erfindungsgemäß wird ein Laserresonator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Laseranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 bereit gestellt. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Laserresonators oder der erfindungsgemäßen Laseranordnung.
• Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Ausbildung des Laserresonators für eine stabile Intensität des sekundären Laserstrahls von größter Bedeutung ist. Daher ist ein grundlegender Aspekt der Erfindung ein Laserresonator zur Erzeugung des primären Laserstrahls. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Laserresonators beruht weiterhin auf den folgenden Erkenntnissen:
  Ein Laser, dessen Verstärkungsmedium (auch aktives Medium genannt) deutlich kürzer als die Resonatorlänge ist und sich in der Mitte zwischen den beiden Resonatorspiegeln befindet, hat die Neigung zum Zweimodenbetrieb. Mit Zweimodenbetrieb ist grundsätzlich die Ausbildung von zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden im transversalen Grundzustand TEM₀₀ gemeint, also TEM_00q und TEM_00q+1, wobei q die Anzahl der Schwingungsknoten der jeweiligen Mode bedeutet. Das Auftreten von höheren transversalen Moden, also z.B. TEM_01q, wird durch eine entsprechende Ausgestaltung der Pumplichtverteilung im aktiven Medium und eine günstige Resonatorgeometrie vermieden.
• Nach dem Anschwingen der beiden Lasermoden, deren Frequenzen dem Verstärkungsmaximum des aktiven Mediums am nächsten liegen, sinkt die Besetzungsinversion und damit die für weitere Moden zur Verfügung stehende Verstärkung stark ab. Die im aktiven Medium durch die Pumpstrahlquelle erzeugte Besetzungsinversion wird allein durch das Anschwingen dieser zwei Moden sehr effektiv abgerufen, d.h. in Laserstrahlung umgesetzt, da die Wechselwirkungszonen der beiden Moden komplementär zueinander liegen.
• Einfacher ausgedrückt hat die erste Mode einen Schwingungsbauch, wo die zweite einen Schwingungsknoten hat. Durch diese komplementäre Nutzung der Besetzungsinversion durch die beiden Moden wird eine räumliche Modulation der Besetzungsinversion („spatial hole burning") weitgehend vermieden.
• Ohne zusätzliche Maßnahmen können bei einer solchen Anordnung jedoch sporadisch weitere Moden anschwingen. Ob und wie viele weitere Moden an schwingen, hängt von der Bandbreite des Verstärkungsmediums, von der Pumpleistung und von der Resonatorlänge ab. Je größer die Pumpleistung und je größer die Resonatorlänge, desto mehr weitere Moden können anschwingen, da hierdurch sowohl die für die zusätzlichen Moden zur Verfügung stehende restliche Verstärkung als auch die Anzahl der in der Verstärkungsbandbreite liegenden zusätzlichen Moden ansteigt.
• Selbst bei einer sehr geringen Pumpleistung und einem sehr kurzen Resonator tritt häufig der Fall ein, dass drei Moden anschwingen. Das ist z.B. dann der Fall, wenn sich die Frequenz einer Mode etwa in der Mitte des Verstärkungsbereichs befindet und die beiden Nachbarmoden dadurch etwa die gleiche Verstärkung erfahren.
• Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee ist es daher, das Auftreten von mehr als zwei Moden im Laserresonator zu vermeiden, da schon das Auftreten einer einzigen weiteren Mode bei externer Frequenzkonversion zu Instabilitäten der frequenzkonvertierten Ausgangsleistung und zu dem erwähnten „Mode-Beating" und damit zu erhöhtem Rauschen führt. Dies gelingt erfindungsgemäß, indem im Resonator zwei benachbarte longitudinale Moden mit gleicher oder annähernd gleicher Intensität zum Schwingen gebracht werden.
• Der erfindungsgemäße Laserresonator umfasst daher ein darin angeordnetes Verstärkungsmedium und ein im Laserresonator angeordnetes frequenzselektives Element, das ein frequenzabhängiges Abschwächungsprofil aufweist. Das frequenzselektive Element ist in der Frequenzabhängigkeit des Abschwächungsprofils und der Laserresonator ist in seiner optischen Länge derart abgestimmt oder derart abstimmbar ausgebildet, dass bei einer einstellbaren optischen Zwei-Moden-Länge des Laserresonators ein Laserstrahl mit genau zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden gleicher oder annähernd gleicher Intensität aus dem Laserresonator ausgekoppelt werden kann.
• Erfindungsgemäß wird mit Hilfe einer geeigneten Abstimmung des frequenzselektiven Elements und der Resonatorlänge ein rauscharmer Zwei-Moden-Betrieb ermöglicht. Bei vorgegebenem Abschwächungsprofil ist die Länge des Laserresonators erfindungsgemäß so einzustellen, dass zwei benachbarte longitudinale Lasermoden gleicher oder annähernd gleicher Intensität aus dem Laserresonator ausgekoppelt werden. Diese optische Länge des Laserresonators wird als optische Zwei-Moden-Länge bezeichnet. Sie ist von der jeweiligen Umgebungstemperatur, dem Umgebungsluftdruck und einer vorgegebenen Frequenzabhängigkeit des Abschwächungsprofils des frequenzselektiven Elements abhängig. Der Begriff „optische Länge" berücksichtigt dabei den Einfluss des Brechungsindexes.
• Eine besonders hohe Stabilität erzielt der Laserresonator mit einem erfindungsgemäß vorgesehenen Regler. Er weist in einer ersten Alternative einen ersten Regler auf, der zum Steuern einer Änderung der optischen Länge des Laserresonators in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist. Der erste Regler ist ausgebildet, die Steuerung derart vorzunehmen, dass der primäre Laserstrahl dauerhaft mit gleicher oder mit annähernd gleicher Intensität der zwei Lasermoden ausgekoppelt werden kann. Das Eingangssignal ist vom Unterschied der Intensität oder der Energie oder der Leistung der beiden Lasermoden abhängig.
• Alternativ ist zusätzlich ein zweiter Regler vorgesehen, der zum Steuern einer Änderung des Abschwächungsprofils des frequenzselektiven Elements in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, derart, dass der primäre Laserstrahl dauerhaft mit gleicher oder mit annähernd gleicher Intensität der zwei Lasermoden ausgekoppelt werden kann. Das Eingangssignal ist vom Unterschied der Intensität der beiden Lasermoden abhängig.
• Weiterhin alternativ hat der erfindungsgemäße Laserresonator einen dritten Regler, der zum Steuern sowohl der optischen Länge des Laserresonators als auch des Abschwächungsprofils des frequenzselektiven Elements in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, wobei der dritte Regler zusätzlich ausgebildet ist, die Steuerung derart vorzunehmen, dass der primäre Laserstrahl dauerhaft mit gleicher oder mit annähernd gleicher Intensität der zwei Lasermoden ausgekoppelt werden kann. Das Eingangssignal ist vom Unterschied der Intensität der beiden Lasermoden abhängig.
• Mit dem erfindungsgemäßen Laserresonator ist ein stabiler Zweimodenbetrieb möglich. Das Auftreten weiterer Moden lässt sich mit Hilfe des frequenzselektiven Elementes in einem weiten Leistungsbereich erfolgreich unterdrücken. Im Vergleich dazu gelingt das Unterdrücken unerwünschter Moden in Mehrmoden-Lasern nach dem Stand der Technik, z.B. in US5960015 , nur in einem eingeschränkten Leistungsbereich. Als Folge der wirkungsvolleren Unterdrückung weiterer Moden zeigt der erfindungsgemäße Laser ein gegenüber Mehrmoden-Lasern nach Stand der Technik verbessertes Rauschverhalten.
• Der erfindungsgemäße Laserresonator zeichnet sich dadurch aus, dass zwei benachbarte Lasermoden dauerhaft mit gleicher oder annähernd gleicher Intensität ausgekoppelt werden können.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laserresonators hat das Verstärkungsmedium ein Verstärkungsprofil mit einer Mittenfrequenz ν₀, bei der das Verstärkungsprofil ein Maximum aufweist. Bei der optischen Zwei-Moden-Länge des Laserresonators liegen bei diesem Ausführungsbeispiel die Frequenzen der zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden symmetrisch oder annähernd symmetrisch um die Mittenfrequenz ν₀.
• Eine nur annähernd symmetrische Anordnung bewirkt, dass die beiden benachbarten Lasermoden mit nur annähernd gleicher Intensität im Laserstrahl auftreten. Dies ist für die Intensität des resultierenden Laserstrahls jedoch ohne Folgen da die Summe der Intensitäten beider Moden gegenüber dem Fall gleicher Intensität nicht verändert ist. Erst wenn ein externer passiver Resonator zur Frequenzkonversion mit dem erfindungsgemäßen Laserreso nator betrieben wird, wirkt sich das Intensitätsverhältnis der beiden benachbarten Lasermoden auf die Gesamtleistung des frequenzkonvertierten Laserstrahls aus. Definiert man einen variablen Aufteilungsfaktor κ(0...1), nach dem sich die konstante Gesamtleistung P_f auf die Leistung P₁ und P₂ der beiden Lasermoden aufteilt gemäß

  

  so folgt für die frequenzverdoppelte Leistung P_S in erster Näherung:

  

  wobei γ der Konversionskoeffizient darstellt. Demnach nimmt die frequenzverdoppelte Leistung P_S ein bei k = 0.5, also bei symmetrischer Aufteilung der Leistung, ein Maximum an. Daher ist die frequenzverdoppelte Leistung oder eine Änderung der frequenzverdoppelten Leistung ein besonders geeignetes Eingangssignal für den Regler des erfindungsgemäßen Laserresonators.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt der erste oder der dritte Regler ein Steuersignal und gibt das Steuersignal an ein erstes Stellglied aus, das zum Ändern der optischen Länge des Laserresonators in Abhängigkeit vom anliegenden Steuersignal ausgebildet ist.
• Bevorzugt ist das erste Stellglied zum Ändern der Temperatur des Laserresonators ausgebildet. Diese Variante ist konstruktiv einfach. Die Regelung der Temperatur ist alleine oft schon ausreichend, um die optische Länge des Laserresonators oder der Vorzugsfrequenz des frequenzselektiven Elementes oder von beidem zu regeln. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daher das erste Stellglied zusätzlich zum Ändern der Temperatur des frequenzselektiven Elementes ausgebildet.
• Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel erzeugt der zweite Regler ein Steuersignal und gibt das Steuersignal an ein zweites Stellglied aus, das zum Ändern der Temperatur des frequenzselektiven Elementes ausgebildet ist.
• Vorzugsweise wird als frequenzselektives Element ein lineares frequenzselektrives Element, insbesondere ein Etalon oder eine Kombination mehrerer Etalons verwendet. Das Etalon kann derart ausgestaltet sein, dass seine Flächennormale mit der Richtung des Laserstrahls einen von Null verschiednen Winkel einschließt, wobei die Flächen des Etalons unbeschichtet sein können. Es handelt sich in diesem Fall um ein winkelabstimmbares Etalon. Insbesondere findet mindestens ein als Etalon ausgebildeter Auskoppelspiegel Anwendung, dessen Auskoppelgrad durch die Etalonwirkung frequenzabhängig ist und der dadurch die unerwünschten Moden unterdrückt. Ein solches Etalon kann z.B. durch Änderung der Temperatur abgestimmt werden. Bei richtiger Wahl der Dicke und der Beschichtung des Etalons ist ein stabiler Zweimoden-Betrieb über einen weiten Leistungsbereich von der Laserschwelle bis zu mehreren Watt Ausgangsleistung möglich. Die Ausgestaltung des Lasers mit einem als Etalon ausgebildeten Auskoppelspiegel zeichnet sich u.a. durch einen besonders geringen Aufwand und eine hohe Effizienz aus. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Anordnung beschränkt. Vielmehr können im Rahmen der Erfindung auch andere frequenzselektive Elemente, wie z.B. ein doppelbrechendes Filter oder ein winkelabstimmbares Etalon oder eine Kombination derartiger Elemente verwendet werden. Im Folgenden sei daher das Etalon lediglich stellvertretend für eines der in Frage kommenden frequenzselektiven Elemente genannt.
• In jedem Fall weist das Etalon eine Vorzugsfrequenz auf, die auf die Mittelfrequenz ν₀ des Verstärkungsprofils abgestimmt ist. Die Bandbreite des Etalons ist derart gewählt, dass eine ausreichende Abschwächung aller unerwünschten Lasermoden erfolgt.
• Die erfindungsgemäße Laseranordnung umfasst außerhalb des erfindungsgemäßen Laserresonators einen externen passiven Resonator zur Frequenzkonversion eines vom Laserresonator ausgehenden primären Laserstrahls. Der Verzicht auf die Verwendung nichtlinearer Materialien zur Frequenzkonversion innerhalb des Laserresonators ermöglicht es, einen frequenzkonvertierten Laser mit stabilen Verhältnissen, insbesondere mit stabilem Zweimodenbetrieb und geringem Rauschen zur Verfügung zu stellen. Insbesondere lässt sich erreichen, dass das Rauschspektrum des frequenzkonvertierten Laserstrahls nur Schwebungsfrequenzen enthält, die größer oder gleich dem Frequenzabstand der beiden benachbarten longitudinalen Lasermoden des primären Laserstrahls sind, und dass der Effektivwert des Rauschens des frequenzkonvertierten Laserstrahls im Frequenzbereich unterhalb der niedrigsten Schwebungsfrequenz höchstens 0,2% der mittleren Ausgangsleistung beträgt.
• Mit der Trennung von Laserquelle und passivem Resonator als Frequenzkonvertierer erfolgt auch eine Aufteilung der Aufgaben für den Laserresonator und den passiven Resonator, nämlich die Erzeugung eines stabilen, rauscharmen primären Laserstrahls in ersterem und die effiziente Frequenzkonversion in letzterem. Die Trennung von Laserquelle und Frequenzkonvertierer, wie beispielsweise ein Frequenzverdoppler, eröffnet dem Konstrukteur daher zusätzliche Freiheitsgrade zur getrennten Optimierung der beiden Teile. So kann z.B. die Länge des nichtlinearen Kristalls allein für die Bedürfnisse der Frequenzkonversion optimiert werden, ohne dass sich das auf die Laserquelle auswirkt. Betriebseinschränkungen, wie z.B. eine maximal zulässige Pumpleistung für rauscharmen Betrieb, wie sie bei interner Frequenzverdopplung teilweise einzuhalten sind, entfallen bei der externen Frequenzkonversion. Das getrennte Optimieren von Laserquelle und Frequenzkonvertierer erleichtert dem Konstrukteur daher das Erfüllen von Anforderungsvorgaben.
• Da sich die Leistung des primären Laserstrahls nicht ändert, wenn die optische Länge des Laserresonators vom Optimum abweicht, kann aus diesem Parameter kein Eingangssignal, etwa in Form eines Fehlersignals, für den Regler des erfindungsgemäßen Laserresonators abgeleitet werden.
• Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Laseranordnung weist daher eine erste Messeinrichtung auf, die ausgebildet und angeordnet ist zur Erzeugung und Ausgabe eines von der Intensität des sekundären Laserstrahls abhängigen ersten Messsignals. Eine weitere Ausführungsform weist eine der ersten Messeinrichtung nachgeschaltete Auswertungseinheit auf, die ausgebildet ist, aus dem ersten Messsignal ein Fehlersignal auszugeben, das von der Abweichung der optischen Resonatorlänge von der optimalen Länge, d.h. der optischen Zwei-Moden-Länge, abhängig ist und eine Richtungsinformation beinhaltet, also z.B. positiv bei zu kleiner Resonatorlänge und negativ bei zu großer Resonatorlänge ist. Besonders bevorzugt wird das Fehlersignal als Eingangssignal an den ersten, zweiten oder dritten Regler geleitet . Hintergrund dieser Ausführungsbeispiele ist, dass die Leistung des frequenzkonvertierten Laserstrahls bei der optimalen Resonatorlänge ein Maximum annimmt. Die Detektion der frequenzkonvertierten Intensität kann daher ein Signal liefern, aus dem sich ein Eingangssignal für den Regelkreis gewinnen lässt. Der externe passive Resonator zur Frequenzkonversion dient dadurch zusätzlich als eine Art Detektor für die Modenstruktur des Laserresonators. Das erste Messsignal ist dann maximal, wenn die Modenstruktur symmetrisch um die Mittenfrequenz und damit optimal für den Laserbetrieb ist.
• Insbesondere kann der externe passive Resonator zur Frequenzverdopplung ausgelegt sein. Bei der Frequenzverdopplung werden aufgrund der Eigenschaften nichtlinearer Kristalle aus der primären Laserstrahlung, die erfindungsgemäß zwei benachbarte Frequenzen ν₁ und ν₂ enthält, zusätzlich drei weitere Frequenzen erzeugt, nämlich die doppelten Frequenzen 2ν₁ und 2ν₂ sowie die Summenfrequenz ν₁ + ν₂ der beiden ursprünglichen Frequenzen. Die Frequenzen der beiden Lasermoden des primären Laserstrahls sind so dicht benachbart, dass sie innerhalb des Akzeptanzbereiches für Phasenanpassung im nichtlinearen Kristall liegen. Für die Summenfrequenzmischung liegt dann ebenfalls Phasenanpassung mit einem um Faktor 4 größeren Konversionskoeffizienten vor (siehe z.B. V.G. Dmitriev, G.G. Gurzadyan, N. Nikogosyan, „Handbook of Nonlinear Optical Crystals", Springer Series in Optical Sciences, Vol.64, ISBN 3-540-65394-5). Die Intensitäten der drei Frequenzen verhalten sich demnach wie 1 : 4 : 1.
• Gegenüber herkömmlicher Multimode-Laserstrahlung zeichnet sich der frequenzkonvertierte Laserstrahl gemäß der Erfindung durch zwei sehr vorteilhafte Eigenschaften aus: Zum einen sind die drei enthaltenen Frequenzen exakt äquidistant mit einem Frequenzabstand von Δν = ν₂ – ν₁ zum anderen sind in der mittleren Frequenz des frequenzverdoppelten Laserstrahls 2/3 der Gesamtleistung vereinigt. Die vorteilhafte Wirkung dieser Eigenschaften ist insbesondere von Bedeutung, wenn zwei externe passive Resonatoren hintereinander geschaltet werden, wie weiter unten erläutert werden wird.
• Wenn die optische Länge des externen passiven Resonators einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Länge des Laserresonators entspricht, kann bei einem Zweimoden-Laser erreicht werden, dass der externe passive Resonator für beide Frequenzen des primären Laserstrahls resonant ist, so dass die gleiche Effizienz bei der Frequenzkonversion wie bei einem Einmoden-Laser erreichbar ist. Im Gegensatz dazu kann bei einer Anordnung nach US5696780 , bei der ein Vielmoden-Laser mit typischerweise 100 Moden extern frequenzkonvertiert wird, nur für einen Teil der Lasermoden im passiven Resonator Resonanz erreicht werden, da sich der Frequenzabstand der Moden durch die Dispersion im Laserresonator und im passiven Resonator nach unterschiedlichen nichtlinearen Gesetzmäßigkeiten ändert. Dadurch ist die erreichbare Effizienz bei einer solchen Anordnung geringer. Wegen des oben erwähnten „Mode Beating" weist der frequenzkonvertierte Laserstrahl einer Anordnung nach US5696780 eine Vielzahl von Schwebungen im niederfrequenten Bereich auf, deren Amplituden und Frequenzen sich auf komplizierte Weise mit Umgebungsparametern wie Luftdruck und Temperatur ändern.
• In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasers umfasst dieser zur Frequenzkonversion mindestens zwei derart hintereinander geschaltete externe passive Resonatoren, dass der primäre Laserstrahl in den ersten externen passiven Resonator und der vom ersten externen passiven Resonator ausgehende frequenzkonvertierte Laserstrahl zur weiteren Frequenzkonversion in den zweiten externen passiven Resonator einkoppelbar ist. Sind die externen passiven Resonatoren jeweils zur Frequenzverdopplung ausgelegt, so lässt sich mit dieser Ausgestaltung ein Laserstrahl mit gegenüber dem primären Laserstrahl vierfacher Frequenz erhalten.
• Um eine möglichst hohe Konversionseffizienz zu erzielen, können in einer ersten Ausgestaltung der beiden externen passiven Resonatoren die optischen Längen beider Resonatoren einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Länge des Laserresonators entsprechen. Wenn die nichtlinearen Kristalle der externen passiven Resonatoren zur Frequenzverdopplung ausgelegt sind, wird dadurch beispielsweise erreicht, dass im zweiten externen passiven Resonator für alle drei Frequenzen des frequenzverdoppelten Laserstrahls Resonanz vorliegt. Durch Frequenzverdopplung und Summenfrequenzmischung wird ein „frequenzvervierfachter" Laserstrahl mit fünf benachbarten Frequenzen im Frequenzabstand Δν = ν₂ – ν₁ erzeugt. Wegen der exakten Äquidistanz kann kein störendes niederfrequentes Rauschen durch Schwebungen entstehen. Die erste der oben genannten sehr vorteilhaften Eigenschaften sorgt also dafür, dass ein Multimode-Laserstrahl mit hoher Effizienz in der Frequenz vervielfacht werden kann, ohne dass störende Schwebungsfrequenzen entstehen.
• In einigen Anwendungen von ultravioletter Laserstrahlung wie z.B. in der Lithographie und der konfokalen Mikroskopie ist es jedoch von entscheidender Bedeutung, dass der Laserstrahl nur eine einzige Frequenz enthält. Um dies zu erreichen, ist in einer alternativen Ausgestaltung der beiden externen passiven Resonatoren daher die optische Länge des zweiten externen passiven Resonators derart eingestellt, dass sie sich deutlich von einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Länge des Laserresonators unterscheidet.
• Im Falle frequenzverdoppelnder nichtlinearer Kristalle in den passiven Resonatoren bedeutet dies beispielsweise, dass die optische Länge des zweiten passiven Resonators so dimensioniert ist, dass nur für die mittlere Frequenz ν₁ + ν₂ des vom ersten passiven Resonator erzeugten frequenzverdoppelten Laserstrahls Resonanz vorliegt. Dadurch wird nur eine der drei vorhandenen Frequenzen verdoppelt und der neu erzeugte konvertierte Laserstrahl enthält nur noch die eine Frequenz 2(ν₁ + ν₂).
• Der passive Resonator hat in diesem Fall zusätzlich die Wirkung eines schmalbandigen Filters, das unerwünschte Frequenzen unterdrückt. Wäre die Leistung des in den zweiten passiven Resonator eingekoppelten Laserstrahls gleichmäßig auf die drei Frequenzen verteilt, so würde nur 1/3 dieser Leistung im Resonator zirkulieren. Wegen der quadratischen Abhängigkeit des Verdopplungsprozesses würde die Konversionseffizienz auf 1/9 des Wertes absinken, der bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform vorliegt, bei der alle drei Frequenzen resonant sind. Da im vorliegenden Fall die im Resonator zirkulierende Leistung nur auf 2/3 absinkt, wird die Konversionseffizienz nur auf 4/9 reduziert. Die zweite der obengenannten sehr vorteilhaften Eigenschaften sorgt daher für eine vierfach höhere Konversionseffizienz, wenn die Nebenmoden mit Hilfe des zweiten passiven Resonators zum Zweck des Einmodenbetriebes unterdrückt werden.
• Bei den genannten Ausgestaltungen der beiden externen passiven Resonatoren handelt es sich daher um zwei weitgehend baugleiche Laserquellen für ultraviolette Laserstrahlung, von denen die erste Ausgestaltung Multimode-Laserstrahlung mit hoher Effizienz liefert, während die zweite Ausgestaltung Einmoden-Laserstrahlung mit 44% der Effizienz der ersten Ausgestaltung liefert. Die beiden Ausführungsformen unterscheiden sich lediglich in einer geringfügig unterschiedlichen optischen Länge des zweiten passiven Resonators. Es ist daher sogar möglich, eine Ausgestaltung durch Einführung eines optischen Elementes, das die Strahlgeometrie erhält und eine Änderung der optischen Weglänge ermöglicht, in die andere zu überführen und dadurch eine Umschaltung zwischen Mehrmoden- und Einmodenlaserstrahlung zu bewirken.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Laser mit externer Frequenzkonversion außerdem eine Pumplichtquelle sowie einen Regelkreis mit einem Detektor zum Detektieren hochfrequenter Leistungsschwankungen und einem Stellglied zum Einwirken auf die Pumplichtquelle derart, dass ungedämpfte Schwingungen in der Laserleistung unterdrückt werden. Dies wird im Folgenden näher erläutert.
• In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der primäre Laserstrahl eines Festkörperlasers im Zweimodenbetrieb in einen externen passiven Resonator eingekoppelt, um einen frequenzkonvertierten Laserstrahl zu erzeugen. Der passive Resonator wird zweckmäßigerweise als Ringresonator (M.Brieger et al. „Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator", Optics Communications 38, 1981, Seite 423) ausgeführt, um eine direkte Reflexion des primären Laserstrahls zurück in den Laserresonator zu vermeiden, da dies in der Regel zu Instabilitäten führt. Jedoch ist auch ein Ringresonator nicht rückwirkungsfrei, da die optischen Elemente im Resonator, insbesondere der nichtlineare Kristall, das Laserlicht in verschiedene Richtungen streuen können. Das entgegengesetzt zur Einstrahlrichtung gestreute Licht wird durch die Resonanzüberhöhung im Resonator verstärkt und gelangt als gerichteter Strahl zurück in den Laserresonator. Solange der Abstand zwischen Laserresonator und passivem Resonator konstant ist und die Rückstreuung sich streng linear mit der Laserleistung verhält, treten hierdurch keine Instabilitäten auf.
• Bei passiven Resonatoren mit einem nichtlinearen Kristall können jedoch leistungsabhängige, nichtlineare Rückstreueffekte auftreten. Dies äußert sich darin, dass sich die Resonanzfrequenz des passiven Resonators mit der Leistung der im Resonator zirkulierenden Lichtwelle ändert. Die Änderung der Resonanzfrequenz führt wiederum zu einer Änderung der Leistung, da sich die Resonanzbedingung ändert. Dieses Phänomen wird bei der Methode des „Addi tive Pulse Mode Locking" ausgenutzt, um bei einen kontinuierlich gepumpten Festkörperlaser, wie z.B. einen Titan-Saphir-Laser, Impulsbetrieb durch Modenkopplung herbeizuführen (siehe W. Koechner, „Solid State Laser Engineering", Springer Series in Optical Sciences, Seite 515, ISBN 3-540-60237-2). In der vorliegenden Erfindung kann dieses Phänomen jedoch zu einer unerwünschten Schwingung führen. Die Dynamik des Anregungsprozesses kann in einem optisch gepumpten Festkörperlaser zu einem Resonanzverhalten, der sog. Relaxationsschwingung führen. Es handelt sich dabei normalerweise um eine gedämpfte Schwingung, solange die Anregung des Lasermediums nicht impulsförmig erfolgt. Aus dieser gedämpften Relaxationsschwingung kann eine ungedämpfte Schwingung mit einer Modulationstiefe bis zu 100% entstehen, wenn eine nichtlineare Rückwirkung der oben beschriebenen Art vorhanden ist und der Abstand zwischen Laserresonator und passivem Resonator derart ist, dass durch eine geeignete Phasenbeziehung eine Rückkopplung entsteht. Die Frequenz der entstehenden Schwingung entspricht der Relaxationsresonanz und liegt typischerweise im Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 1 MHz, abhängig vom verwendeten aktiven Lasermaterial und von der Pumpleistung.
• Bei der vorliegenden Erfindung würde ein Auftreten dieser ungedämpften Schwingung ein unerwünschtes Verhalten darstellen. Dieses ließe sich im Prinzip dadurch vermeiden, dass man den Abstand zwischen Laserresonator und passivem Resonator so gestaltet, dass aus der Rückkopplung eine Gegenkopplung wird und dadurch die ungedämpfte Schwingung wieder zu einer gedämpften Schwingung wird. Jedoch muss der Abstand hierfür dauerhaft auf Bruchteile der Wellenlänge genau eingehalten werden, was nur mit einer aufwendigen elektronischen Regelung mit Piezostellglied möglich wäre.
• In der vorliegenden Erfindung wird ein weniger aufwändiger Weg gewählt, die beschriebenen Oszillationen zu verhindern. Wie schon weiter oben in der Diskussion der Rauschquellen erwähnt wurde, kann das durch die gedämpfte Relaxationsschwingung hervorgerufene Rauschen eines diodengepumpten Festkörperlasers mit Hilfe einer elektronischen Gegenkopplung reduziert wer den (siehe Harb et al., „Suppression of the Intensity Noise in a Diode-pumped Neodymium:YAG Nonplanar Ring Laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 30, No. 12 1994, p2907). Dabei werden die hochfrequenten Leistungsschwankungen der primären Laserstrahlung mit Hilfe eines Photodetektors in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird elektronisch verstärkt und nach einer eventuellen Frequenzgang- und Phasenkorrektur zum Betriebsstrom der Laserdiode bzw. des Laserdiodenarrays hinzuaddiert.
• Im Prinzip ist dies auch mit anderen Pumplichtquellen möglich, sofern die Pumplichtleistung genügend schnell auf den Betriebsstrom reagiert. Dieses Gegenkopplungsverfahren wurde in der erwähnten Veröffentlichung ausschließlich zur Reduzierung des Rauschens eingesetzt. In der vorliegenden Erfindung wird es jedoch zur Vermeidung einer ungedämpften Schwingung der Laserleistung eingesetzt, die aus dem Zusammenwirken der Relaxationsresonanz des laseraktiven Mediums und der nichtlinearen, optischen Rückwirkung eines passiven Resonators entsteht.
• Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird. Es zeigen:
• 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Laser mit nur einer Frequenzkonversionsstufe,
• 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Laser mit zwei Frequenzkonversionsstufen,
• 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Laser mit einem Regelkreis zur Stabilisierung des Zweimodenbetriebs,
• 4 ein viertes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Laser mit einem Regelkreis zur Dämpfung von Relaxationsschwingungen,
• 5 eine schematische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der verschiedenen Elemente im Laserresonator,
• 6 eine schematische Darstellung der Leistung des primären und des frequenzkonvertierten Laserstrahls in Abhängigkeit von der Temperatur des Laserresonators gemäß 3,
• 7 eine schematische Darstellung des Frequenzspektrums von primärem und frequenzvervielfachten Laserstrahlen bei einer Ausführungsform mit mehrfrequentem resultierendem Laserstrahl,
• 8 eine schematische Darstellung des Frequenzspektrums von primärem und frequenzvervielfachten Laserstrahlen bei einer Ausführungsform mit einfrequentem resultierendem Laserstrahl und
• 9 Oszilloskopaufnahmen von Relaxationsschwingungen nach einem Störungsimpuls mit a) angekoppeltem Frequenzverdoppler, b) ohne Frequenzverdoppler, ohne elektronische Gegenkopplung und c) mit elektronischer Gegenkopplung.
• Die Erfindung stellt insbesondere einen optisch gepumpten, speziell einen diodengepumpten, kontinuierlichen Festkörperlaser mit externer Frequenzkonversion zur Verfügung. Ein Laserkristall als aktives Medium in einem Laserresonator erzeugt einen primären Laserstrahl mit einer Grundwellenlänge, aus dem mit Hilfe externer resonanter Frequenzkonversion ein oder mehrere frequenzkonvertierte Laserstrahlen erzeugt werden. Durch Anregung von genau zwei longitudinalen Lasermoden im Laserresonator wird mit relativ geringem Aufwand eine hohe Gesamteffizienz und ein sehr niedriges Rauschen erreicht. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die frequenzkonvertierte Strahlung drei oder mehr Frequenzen. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die frequenzkonvertierte Laserstrahlung nur eine einzige Frequenz und entspricht daher der Strahlung eines Einmo den-Lasers. In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird hierauf im Detail eingegangen
• Das Ausführungsbeispiel nach 1 weist einen Zweimodenlaser 7, eine Transferoptik 8 und eine Frequenzverdopplungseinheit 9 auf. Der Zweimodenlaser 7 umfasst eine Laserdiode 1 als eine einen Pumplichtstrahl 11 aussendende Pumplichtquelle, eine Fokussieroptik 2, die der Einfachheit halber als Einzellinse dargestellt ist, sowie einen Laserresonator 6 mit einem näherungsweise mittig darin angeordneten Laserkristall 5, einem Einkoppelspiegel 3 zum Einkoppeln des Pumplichtstrahles und einem Auskoppelspiegel 4 zum Auskoppeln des Laserstrahls.
• Der von der Laserdiode 1 erzeugte Pumplichtstrahl 11 wird mit Hilfe der Fokussieroptik 2 über den Einkoppelspiegel 3 in den Laserkristall 5 fokussiert. Als Laserkristall findet vorzugsweise das Material Nd:YVO₄ Anwendung, da es eine hohe Effizienz besitzt und polarisiertes Laserlicht erzeugt. Der Einkoppelspiegel 3 ist für die Wellenlänge der Pumpstrahlung transparent und für die Grundwellenlänge des Lasers hochreflektierend. Der Auskoppelspiegel 4 ist als Etalon ausgebildet ist und wird daher im Folgenden auch Auskoppeletalon genannt. Das Auskoppeletalon 4 ist eine planparallele Platte aus Quarz, die auf der nach innen gerichteten Fläche unbeschichtet und auf der nach außen gerichteten Fläche teilreflektierend für die Grundwellenlänge des Lasers beschichtet ist. Der Reflexionsgrad dieser Schicht wird um die Fresnelreflexion der Innenseite niedriger gewählt als der Wert, der für die typischen Betriebparameter des Lasers optimal ist. Die Reflektivität des Auskoppeletalons hat dann eine ähnlich wie in der mittleren Kurve von 5 dargestellte Frequenzabhängigkeit, die bei passend gewählter Dicke die unerwünschten Lasermoden ausreichend unterdrückt. Bei einer optischen Resonatorlänge von ca. 30 mm, einer Dicke des Auskoppelspiegels von 2 mm und einem Reflexionsgrad von ca. 90% wurde Zweimodenbetrieb bis mehrere Watt Ausgangsleistung erreicht.
• Die in 1 als einfache Linse dargestellte Transferoptik 8 leitet den primären Laserstrahl 12 unter Modematching-Bedingungen in den Frequenzverdoppler 9. Dieser ist schematisch als passiver Ringresonator mit drei Spiegeln 26a, 26b und 26c und einem nichtlinearen Kristall 10 dargestellt, weitere Details, wie z.B. die Resonatorlängenstabilisierung wurden der Einfachheit halber weggelassen. Als Materialien für den nichtlinearen Kristall kommen beispielsweise LiNbO₃, KTP, LBO oder BBO in Frage. Abgesehen von der optischen Resonatorlänge, die auf ein ganzzahliges Vielfaches der Länge des Laserresonators eingestellt wird, ist die genaue Ausführungsform des passiven Resonators für die vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Der im nichtlinearen Kristall 10 erzeugte frequenzverdoppelte Laserstrahl tritt als resultierender Laserstrahl 13 aus, der im Allgemeinen im sichtbaren Spektralbereich liegt. So lassen sich z.B. mit Nd:YVO₄ die Wellenlängen 532 nm oder 670 nm erzeugen. Insbesondere lässt sich mit der beschriebenen Anordnung bei einer Pumpleistung der Laserdiode von 4 W bei 808 nm eine Leistung des primären Laserstrahls von 2 W bei 1064 nm und eine Leistung des frequenzverdoppelten Strahls von mehr als 1 W bei 532 nm erzielen. Die Effizienz beim Erzeugen des frequenzverdoppelten Laserstrahls aus dem Pumpstrahl beträgt dabei mehr als 20%.
• Im zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung (2) sind zwei externe passive Resonatoren 9, 15 als Frequenzkonversionsstufen vorhanden. Im nachgeordneten zweiten passiven Resonator 15 wird aus dem im ersten passiven Resonator erzeugten frequenzverdoppelten Laserstrahl mit Hilfe eines geeigneten nichtlinearen Kristalls 16 ein Laserstrahl mit der vierfachen Frequenz der primären Laserstrahlung erzeugt. Um eine möglichst hohe Konversionseffizienz zu erreichen, wird die optische Länge des zweiten passiven Resonators 15 so dimensioniert, dass für alle drei Frequenzen des frequenzverdoppelten Laserstrahls Resonanz vorliegt. Im Folgenden wird dieses Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf 2 näher beschrieben.
• Der in 2 dargestellte Laser unterscheidet sich vom in 1 dargestellten Laser lediglich dadurch, dass eine zweite Transferoptik 17 und ein zweiter externer passiver Resonator 15 vorhanden sind, die dem ersten externen passiven Resonator nachgeordnet sind. Über die zweite Transferoptik 17 wird der frequenzverdoppelte Laserstrahl 13 in die zweite Frequenzverdopplungseinheit 15 eingekoppelt. Die zweite Frequenzverdopplungseinheit 15 umfasst wie die erste Frequenzverdopplungseinheit einen nichtlinearen Kristall 16, mit dessen Hilfe ein frequenzvervierfachter Laserstrahl 14 erzeugt wird. Der resultierende Laserstrahl 14 hat dann üblicherweise eine Wellenlänge im ultravioletten Spektralbereich. Bei Verwendung des Materials Nd:YVO₄ lassen sich z.B. die Wellenlängen 266 nm oder 335 nm erzeugen. Die detaillierten spektralen Eigenschaften des resultierenden Laserstrahls hängen von der genauen Ausführungsform der zweiten Frequenzkonversionsstufe ab. Die erste Frequenzverdopplerstufe 9 wird vorzugsweise so ausgeführt, dass sie für beide Frequenzen des primären Laserstrahls resonant ist. Dies wird erreicht, indem die optische Resonatorlänge des Resonators 9 auf ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Resonatorlänge des Laserresonators 6 abgestimmt wird. Das Frequenzspektrum der zweiten Harmonischen 13 ist in 7 (Mitte) dargestellt. Das Spektrum besteht aus einer Hauptlinie mit zwei Satelliten mit einer jeweils um einen Faktor 4 geringeren Intensität. Die zweite Frequenzverdopplerstufe 15 kann nun wahlweise in zwei Ausgestaltungen ausgeführt sein.
• In der ersten Ausgestaltung ist die zweite Frequenzverdopplerstufe 15 derart ausgeführt, dass sie für alle drei Frequenzen der zweiten Harmonischen resonant ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die optische Resonatorlänge des Resonators 15 ebenfalls auf ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Resonatorlänge des Laserresonators 6 abgestimmt wird. In diesem Fall wird die gesamte zur Verfügung stehende Leistung der zweiten Harmonischen 13 zur Erzeugung der vierten Harmonischen 14 benutzt und somit die maximal mögliche Effizienz erzielt. Das Frequenzspektrum der vierten Harmonischen enthält in diesem Fall fünf Frequenzen, wie in 7 (unten) dargestellt. Außerdem enthält das Rauschspektrum des frequenzvervierfachten Laserstrahls keine Schwebungsfrequenzen, die kleiner sind als der Frequenzabstand der Longitudinalmoden des primären Laserstrahls. Diese Ausgestaltung ist für Anwendungen optimal, bei denen eine hohe Ausgangsleistung bzw. Effizienz gefordert ist, aber das Frequenzspektrum im Detail keine Rolle spielt.
• Für Anwendungen, die weniger Leistung, jedoch einen einfrequenten Laserstrahl erfordern, kann die Ausführungsform nach 2 so modifiziert werden, dass nur die Hauptlinie der zweiten Harmonischen zur Erzeugung der vierten Harmonischen verwendet wird. Dazu wird die Resonatorlänge des zweiten passiven Resonators 15 so abgestimmt, dass sie von einem ganzzahligen Vielfachen der Resonatorlänge des Laserresonators 6 deutlich verschieden ist. Somit kann der zweite passive Resonator 15 nur noch zu einer der drei Frequenzen der zweiten Harmonischen resonant sein und damit auch nur eine der drei Frequenzen effizient verdoppeln. Zweckmäßigerweise wird die elektronische Resonatorlängenstabilisierung des zweiten passiven Resonators 15 so gestaltet, dass sie nur auf die Hauptlinie, nicht aber auf die Satellitenlinien stabilisiert, um die höchstmögliche Effizienz für diesen Fall zu erhalten. Das Frequenzspektrum von primärem, frequenzverdoppeltem und frequenzvervierfachtem Laserstrahl für diese Ausführungsform ist in 8 schematisch dargestellt. Das Frequenzspektrum der resultierenden vierten Harmonischen dieser Ausführungsform der Erfindung enthält nur eine einzige Frequenz und unterscheidet sich demnach nicht vom Frequenzspektrum eines frequenzvervierfachten Einmodenlasers. Das Rauschspektrum des frequenzvervierfachten Laserstrahls dieser Ausgestaltung enthält keine Schwebungsfrequenzen, die aus der Überlagerung benachbarter Frequenzen entstehen.
• Es ist wünschenswert, dass der Zweimodenbetrieb auch bei Änderung von Umgebungsparametern wie Temperatur und Druck auf Dauer gewährleistet bleibt. Da die frequenzabhängigen Elemente in einem Laser im Allgemeinen empfindlich von solchen Umgebungsparametern abhängen, müssen diese durch Regelschleifen stabilisiert werden, wie das auch bei Einmoden-Lasern allgemein üblich ist. Im Gegensatz zu Vielmoden-Lasern, wie z.B. gemäß US5446749 bzw. US5696780 , bei denen geringere Ansprüche bezüglich des Rauschens und der Leistungsstabilität gestellt werden und Fluktuation der Modenanzahl in der Statistik von etwa 100 Moden verborgen werden, ist bei der vorliegenden Erfindung eine Schwankung der Modenzahl nicht erwünscht, da sich die Eigenschaften des Lasers deutlich ändern, wenn sich die Modenzahl z.B. von zwei auf drei erhöht. Zwar ändert sich die Leistung des aus dem Laserresonator ausgekoppelten primären Laserstrahls nur unwesentlich, wenn sich die Modenanzahl ändert, jedoch ist die Leistung der im passiven Resonator umlaufenden Lichtwelle und damit die Leistung des frequenzkonvertierten Laserstrahl stark von der Modenanzahl abhängig. Durch „Mode-Pulling" und Dispersionseffekte des laseraktiven Mediums im Laserresonator und des nichtlinearen Kristalls im passiven Resonator wird die sonst vorliegende Äquidistanz der Frequenzen der Resonatormoden aufgehoben. Um eine möglichst hohe Effizienz der Frequenzkonversion zu erreichen, wird die optische Resonatorlänge des passiven Resonators so eingestellt, dass die Frequenzen der beiden aktiven Lasermoden möglichst exakt resonant sind. Treten nun weitere Lasermoden hinzu, so wird dies nicht mehr exakt gelingen. Dadurch wird die Resonanzüberhöhung im passiven Resonator vermindert und in Folge die Effizienz der Frequenzkonversion verringert. Einerseits erfordert dieses Verhalten Maßnahmen zur Stabilisierung der Ausgangsleistung des Lasers, da die sonst zu erwartenden Leistungsschwankungen inakzeptabel sind, andererseits bietet gerade dieses Verhalten erst die Möglichkeit, ein Korrektursignal aus der Variation der frequenzkonvertierten Ausgangsleistung bzw. der im passiven Resonator zirkulierenden Leistung zu gewinnen, das für eine Regelschleife zur Stabilisierung der frequenzbestimmenden Elemente verwendet werden kann. In den bekannten Techniken zur elektronischen Stabilisierung von Einmodenlasern, z.B. gemäß US5107511 bzw. US5144632 , wird die deutlich wahrnehmbare Variation der Laserleistung beim Verstimmen eines der frequenzbestimmenden Elemente, wie z.B. einem Etalon dazu benutzt, ein Korrektursignal zur Regelung des Stellelementes zu gewinnen. Die Laserleistung nimmt um bis zu 20% ab, wenn z.B. das Etalon gegenüber der Optimaleinstellung verstimmt wird. In der vorliegenden Erfindung liefert die Leistung des im Laserresonator erzeugten primären Laserstrahls kein derart eindeutiges Kriterium für die Etaloneinstellung bzw. der Resonatorlänge. Die Variation der Laserleistung bei Abstimmung des Etalons bleibt deutlich unter 1%, da zu jeder Zeit mindestens zwei Lasermoden aktiv sind. Die Schwächung einer Lasermode durch eine ungünstige Etaloneinstellung bewirkt gleichzeitig eine Stärkung der anderen Lasermode. Kommen weitere, unerwünschte Lasermoden dazu, so wird das Verhalten noch indifferenter. Der gewünschte Zustand von genau zwei Lasermoden, deren Frequenzen symmetrisch zum Maximum der Verstärkung des aktiven Mediums liegen, zeichnet sich nicht durch ein Maximum oder Minimum der Leistung des primären Laserstrahls aus. Solange die primäre Laserstrahlung mit der Grundwellenlänge die Nutzstrahlung darstellt, besteht insofern auch keinerlei Notwendigkeit von Stabilisierungsmaßnahmen, da die Leistungsstabilität, das Rauschen sowie die Gesamteffizienz gute Werte aufweisen. Erst durch die Frequenzkonversion ergibt sich die Notwendigkeit und gleichzeitig auch die Möglichkeit von Stabilisierungsmaßnahmen, indem der passive Resonator als eine Art Detektor für die Modenstruktur des primären Laserstrahls genutzt wird.
• In US4398293 wird die Änderung einer Schwebungsfrequenz dazu genutzt, um die Wellenlänge eines Lasers zu stabilisieren. Es handelt sich dabei allerdings um die Schwebungsfrequenz zwischen zwei Moden mit unterschiedlichem Polarisationszustand, aber gleicher longitudinaler Modennummer. Daher ist der Frequenzabstand dieser Moden mit etwa 300 kHz sehr gering und mit Standard-Elektronikkomponenten auswertbar. Bei Modenabständen von einigen GHz ist eine rein elektronische Auswertung von Schwebungsfrequenzen dagegen sehr aufwendig und wird in der vorliegenden Erfindung deshalb nicht verwendet.
• Für den angestrebten Zweimodenbetrieb ist es notwendig, dass die frequenzbestimmenden Elemente im Laserresonator synchronisiert werden. Eine Vorzugsfrequenz des Etalons wird dabei auf die Frequenz ν₀ der maximalen Verstärkung des aktiven Mediums abgestimmt. Die optische Länge des Laserresonators wird so abgestimmt, dass die Frequenzen der zwei aktiven Moden symmetrisch zur Mittenfrequenz ν₀ liegen. Um den Zweimodenbetrieb auf Dauer zu gewährleisten, ist eine aktive Regelung hilfreich, da die optische Länge des Laserresonators empfindlich von Umgebungsparametern wie Druck und Temperatur abhängt. Sowohl die Resonatorlänge als auch die Eta lonvorzugsfrequenz lassen sich z.B. mit Hilfe einer aktiven Temperaturregelung steuern. Sofern die Temperaturabhängigkeit der Frequenzen des Laserresonators und des Etalons sehr verschieden sind, was durch eine geeignete Auswahl der Materialien für den Resonatorkörper und das Etalon immer erreicht werden kann, und sofern das Etalon mit dem Resonatorkörper wärmeleitend verbunden wird, können beide Elemente durch eine gemeinsame Temperatur mit nur einer Regelschleife geregelt werden. Dabei wird die gemeinsame Temperatur zunächst grob nach Maßgabe des Elementes mit der geringeren Temperaturabhängigkeit, z.B. des Etalons, eingestellt. Aufgrund dieser Einstellung ergibt sich eine bestimmte Auswahl der aktiven Lasermoden. Die Feineinstellung der Temperatur erfolgt nun in Hinblick auf die Symmetrisierung der aktiven Moden in Bezug auf die Mittenfrequenz ν₀.
• Ein Ausführungsbeispiel, mit dem der Zweimodenbetrieb auch unter sich ändernden Umgebungsbedingungen mit Hilfe einer derartigen Regelschleife gewährleistet ist, zeigt 3. Vom Ausführungsbeispiel nach 1 unterscheidet es sich lediglich durch die Regelschleife. Ein Stellelement 17, vorzugsweise ein Peltierelement, wird am Laserresonator 6 angebracht, um damit die gemeinsame Temperatur des abstandsbestimmenden Materials 24 des Laserresonators 6 und des als Etalon ausgebildeten Auskoppelspiegels 4 zu steuern. Mit einem Detektor 19 wird ein elektrisches Signal erzeugt, das zur Leistung des resultierenden Laserstrahls 13 proportional ist. 5 zeigt schematisch die Frequenzabhängigkeit der verschiedenen Elemente im Laserresonator 6. Die obere Kurve zeigt das Verstärkungsprofil des Laserkristalls 5, die mittlere Kurve die Reflektivität des Auskoppeletalons 4 und die untere Kurve die Resonanzen des Laserresonators 6. Die Vorzugsfrequenzen des Auskoppeletalons 4 sind diejenigen Frequenzen, bei denen die Reflektivität des Auskoppeletalons 4 maximal und damit die Resonatorverluste minimal sind. Um Zweimodenbetrieb zu erreichen, muss eine Vorzugsfrequenz des Auskoppeletalons 4 etwa mit der Mittenfrequenz ν₀ des aktiven Materials übereinstimmen, und die Frequenzen zweier benachbarter Lasermoden gemäß der unteren Kurve in 5 müssen etwa symmetrisch zu ν₀ liegen. Da beide Bedingungen nur mit einer begrenzten Genauigkeit eingehalten werden müs sen, genügt es, einen einzigen Parameter, nämlich die gemeinsame Temperatur von Laserresonator 6 und Auskoppeletalon 4 zur Abstimmung zu verwenden. Man wählt hierzu die Materialien z.B. so aus, dass sich die Lasermoden des Laserresonators 6 wesentlich schneller mit der Temperatur verschieben als die Vorzugsfrequenzen des Auskoppeletalons 4. Die gemeinsame Temperatur von Laserresonator 6 und Auskoppeletalon 4 wird nun zunächst grob nach dem ersten Kriterium eingestellt, so dass also eine Vorzugsfrequenz des Etalons mit ν₀ übereinstimmt. Dann wird die Temperatur nur noch geringfügig korrigiert, so dass das zweite Kriterium, also zwei symmetrisch zu ν₀ liegende Lasermoden, erfüllt ist. Die hierfür notwendige Temperaturänderung ist so gering, dass das erste Kriterium mit ausreichender Genauigkeit noch erfüllt ist. Ändert man die gemeinsame Temperatur über einen großen Bereich, so verhält sich die Leistung des frequenzkonvertierten Laserstrahls etwa so wie in der unteren Kurve von 6 dargestellt. Im Gegensatz zu der in der oberen Kurve dargestellten Leistung des primären Laserstrahls weist diese Kurve deutliche Maxima auf. Dieser Messparameter eignet sich daher als Korrektursignal für einen Regler 18, der die gemeinsame Temperatur von Laserresonator 6 und Auskoppeletalon 4 so regelt, dass sich eine maximale Leistung des resultierenden frequenzkonvertierten Laserstrahls einstellt. Es sind sowohl analoge wie digitale elektronische Verfahren bekannt, die hierzu verwendet werden können.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung zeigt 4. In diesem Ausführungsbeispiel können ungedämpfte Relaxationsschwingungen in der Laserleistung vermieden werden.
• Ein Strahlteiler 25 wird dazu verwendet, einen Teil des primären Laserstrahls auf einen Detektor 20 zu lenken. Die Leistungsschwankungen des primären Laserstrahls im Frequenzbereich von einigen Hz bis einige 10 MHz werden von diesem Detektor 20 in ein elektrisches Signal umgewandelt, das einer Regelelektronik 21 zugeführt wird. Die Regelelektronik 21 umfasst im Wesentlichen einen Hochfrequenzverstärker mit Phasenkorrektur. Das Ausgangssignal der Regelelektronik 21 wird zu dem Injektionsstrom für die Laserdiode 1 aus dem Stromversorgungsgerät 22 hinzuaddiert. Der Verstärkungsfaktor der Regelelektronik wird so eingestellt, dass Frequenzen in der Umgebung der Relaxationsschwingung optimal gedämpft werden. Damit werden ungedämpfte Relaxationsschwingungen vermieden, die aufgrund von Rückstreuungen 23 aus dem passiven Resonator 9 entstehen können.
• 9 zeigt Oszilloskopaufnahmen der Leistung des primären Laserstrahls mit einer Zeitablenkung von 2μs/Skalenteil. Kurve a) zeigt den Fall einer ungedämpften Relaxationsschwingung bei angekoppeltem passivem Resonator. Kurve b) zeigt eine gedämpfte Relaxationsschwingung nach einer impulsartigen Störung des Laserdiodenstromes. Der passive Resonator wurde dabei abgeblockt und die Regelung abgeschaltet. Bei Kurve c) wurde die Regelung eingeschaltet und die Verstärkung optimal eingestellt, so dass die Relaxationsschwingung optimal gedämpft ist. Bei Ankopplung des passiven Resonators konnten nun keine ungedämpften Schwingungen mehr beobachtet werden.
• Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Erfindung ermöglicht es, einen kontinuierlichen, frequenzkonvertierten, optisch gepumpten Festkörperlaser zur Verfügung zu stellen, der eine hohe optisch-optische Gesamteffizienz aufweist, dessen Rauschen im relevanten Frequenzbereich unterhalb von etwa 1 GHz ähnlich niedrig wie bei einem Einmoden-Laser ist, dessen Ausgangsleistung nach der ersten Frequenzkonversionsstufe mindestens 300 mW beträgt und der einfacher und kostengünstiger herstellbar ist als ein Einmoden-Laser vergleichbarer Leistung.
• Ein derartiger Laser kann insbesondere erzeugt werden, indem ein optisch gepumptes, aktives Festkörper-Lasermedium, wie z.B. Nd:YAG oder Nd:YVO₄, in der Mitte eines Laserresonators mit zwei Spiegeln angeordnet wird und ein frequenzselektives Element, wie z.B. ein Etalon, im Laserresonator verwendet wird, so dass sich genau zwei benachbarte longitudinale Lasermoden bilden, und der aus dem Laserresonator ausgekoppelte primäre Laserstrahl mit einer Grundwellenlänge in einem oder in mehreren externen, passiven Resonatoren mit einem oder mehreren nichtlinearen Kristallen zu einem Laserstrahl einer anderen Wellenlänge konvertiert wird. Eine Steuerung der frequenzabhängigen Elemente im Laserresonator mit Hilfe von Regelschleifen bietet bei Bedarf die Möglichkeit, den Zweimodenbetrieb und damit die gewünschten Lasereigenschaften dauerhaft zu gewährleisten.
• Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der Merkmale weitere Ausführungsformen zu realisieren.

Claims (21)

1. Laserresonator (6) mit einem darin angeordneten Verstärkungsmedium (5) und mit einem im Laserresonator angeordneten frequenzselektiven Element (4), das ein frequenzabhängiges Abschwächungsprofil aufweist, wobei das frequenzselektive Element in der Frequenzabhängigkeit des Abschwächungsprofils und der Laserresonator in seiner optischen Länge derart abstimmbar ausgebildet sind, dass bei einer einstellbaren optischen Zwei-Moden-Länge des Laserresonators ein primärer Laserstrahl mit genau zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden aus dem Laserresonator ausgekoppelt werden kann, gekennzeichnet durch einen ersten Regler, der zum Steuern der optischen Länge des Laserresonators in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, oderden ersten und zusätzlich einen zweiten Regler, der zum Steuern des Abschwächungsprofils des frequenzselektiven Elements in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, oder einen dritten Regler, der zum Steuern sowohl der optischen Länge des Laserresonators als auch des Abschwächungsprofils des frequenzselektiven Elements in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, wobei das Eingangssignal vom Unterschied der Intensität der beiden Lasermoden abhängig ist und der erste, zweite bzw. dritte Regler ausgebildet ist, die Steuerung derart vorzunehmen, dass der primäre Laserstrahl dauerhaft mit gleicher oder mit annähernd gleicher Intensität der zwei Lasermoden ausgekoppelt werden kann.
2. Laserresonator nach Anspruch 1, bei dem der erste oder der dritte Regler ein Steuersignal erzeugt und an ein erstes Stellglied ausgibt, das zum Ändern der Temperatur des Laserresonators (6) ausgebildet ist.
3. Laserresonator nach Anspruch 2, bei dem das erste Stellglied zusätzlich zum Ändern der Temperatur des frequenzselektiven Elementes (4) ausgebildet ist.
4. Laserresonator nach Anspruch 1, bei dem der zweite oder der dritte Regler ein Steuersignal erzeugt und an ein zweites Stellglied ausgibt, das zum Ändern der Temperatur des frequenzselektiven Elementes (4) ausgebildet ist.
5. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , bei dem das frequenzselektive Element als Etalon (4) oder als Kombination mehrerer Etalons ausgebildet ist.
6. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , bei dem das frequenzselektive Element als doppelbrechendes Filter oder als Kombination eines oder mehrerer Etalons mit einem doppelbrechenden Filter ausgebildet ist.
7. Laserresonator nach Anspruch 5 oder 6, bei dem mindestens eines der Etalons ein als Etalon ausgebildeter Auskoppelspiegel (4) ist.
8. Laserresonator nach einem der Ansprüche 5 bis 7 , bei dem mindestens ein Etalon (4) als winkelabstimmbares Etalon ausgebildet ist.
9. Laserresonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Verstärkungsmedium ein Verstärkungsprofil mit einer Mittenfrequenz ν₀ aufweist, bei der das Verstärkungsprofil ein Maximum hat, und bei dem bei der optischen Zwei-Moden-Länge des Laserresonators die Frequenzen der zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden symmetrisch oder annähernd symmetrisch um die Mittenfrequenz ν₀ liegen.
10. Laserresonator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem mindestens ein Etalon (4) eine Frequenz minimaler Abschwächung (Vorzugsfrequenz) aufweist, die auf die Mittelfrequenz ν₀ des Verstärkungsprofils abstimmbar ist, und bei dem die Bandbreite des Etalons (4) derart gewählt ist, dass nur die zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden im Laserresonator verstärkt werden.
11. Laserresonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Temperaturabhängigkeit der optischen Länge des Laserresonators (6) und die Temperaturabhängigkeit der Vorzugsfrequenz des frequenzselektiven Elementes so ausgebildet sind, dass allein durch Regelung der gemeinsamen Temperatur des Laserresonators und des frequenzselektiven Elementes ein dauerhafter Zweimodenbetrieb erzielt werden kann.
12. Laseranordnung, mit einem Laserresonator nach einem der vorangehenden Ansprüche und mindestens einem externen passiven Resonator (9) mit einem nichtlinearen Kristall (10), der zur Erzeugung eines sekundären Laserstrahls durch Frequenzkonversion eines vom Laserresonator (6) ausgehenden primären Laserstrahls (12) angeordnet und ausgebildet ist.
13. Laseranordnung nach Anspruch 12, mit einer ersten Messeinrichtung, die ausgebildet und angeordnet ist zur Erzeugung und Ausgabe eines entweder von der Leistung oder der Intensität oder der Energie des sekundären Laserstrahls abhängigen ersten Messsignals.
14. Laseranordnung nach Anspruch 13, mit einer mit der ersten Messeinrichtung nachgeschalteten Auswertungseinheit, die ausgebildet ist, ein vom ersten Messsignal abhängiges an den ersten, zweiten oder dritten Regler ein Fehlersignal auszugeben, das Information über Richtung und Größe einer Abweichung der Stellgröße von einer Optimalstellung enthält.
15. Laser nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der externe passive Resonator (9) zur Frequenzverdopplung des primären Laserstrahls (12) ausgelegt ist.
16. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der die optische Länge des externen passiven Resonators (9) ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Länge des Laserresonators (6) ist oder auf ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Länge des Laserresonators einstellbar ist.
17. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, die mindestens zwei hintereinander geschaltete externe passive Resonatoren (9, 15) umfasst derart, dass der primäre Laserstrahl (12) in den ersten externen passiven Resonator (9) und der vom ersten externen passiven Resonator (9) ausgehende frequenzkonvertierte sekundäre Laserstrahl (13) zur weiteren Frequenzkonversion in den zweiten externen passiven Resonator (15) einkoppelbar ist.
18. Laseranordnung nach Anspruch 17, bei der die optischen Längen der externen passiven Resonatoren (9, 15) ein ganzzahligen Vielfaches der optischen Länge des Laserresonators (6) sind oder auf ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Länge des Laserresonators einstellbar sind.
19. Laseranordnung nach Anspruch 18, bei der die optische Länge des zweiten externen passiven Resonators (15) derart eingestellt oder einstellbar ist, dass sie sich deutlich von einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Länge des Laserresonators (6) unterscheidet.
20. Laseranordnung nach Anspruch 19, bei der der zweite externe passive Resonator (15) ein optisches Element umfasst, das eine Änderung der optischen Weglänge bewirkt.
21. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, die eine Pumplichtquelle (1) und einen Regelkreis umfasst, wobei der Regelkreis einen Detektor (20) zum Detektieren hochfrequenter Leistungsschwankungen des primären Laserstrahls (12) und ein Stellglied zum Einwirken auf die Pumplichtquelle (1) aufweist derart, dass ungedämpfte Schwingungen in der Laserleistung unterdrückt werden.