DE112015005240T5

DE112015005240T5 - Kristallpaar-Gegendreher mit Translationsfähigkeit

Info

Publication number: DE112015005240T5
Application number: DE112015005240.2T
Authority: DE
Inventors: Michael Mason
Original assignee: Coherent Scotland Ltd
Current assignee: Coherent Scotland Ltd
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2035-11-21
Also published as: WO2016079545A1; DE112015005240B4; US20160147130A1; US9470954B2; GB2532496A; GB2532496B; GB201420741D0

Abstract

In einer optischen parametrischen Frequenzumwandlungsanordnung sind ein erster und ein zweiter optisch nichtlinearer Kristall (80, 20) an einer ersten bzw. an einer zweiten Welle (26, 30) angebracht. Die Wellen (26, 30) werden durch einen einzigen Schrittmotor (50) über ein Zahnradgetriebe gegendrehend angetrieben. Die erste Welle (26) weist eine Gewindespindel auf. Wenn die erste Welle (26) gedreht wird, wird der erste Kristall (18) gedreht und gleichzeitig verschoben, während der zweite Kristall (20) gleichzeitig gegengedreht, aber nicht verschoben wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Laservorrichtung mit Frequenzumwandlung durch einen oder mehrere optisch nichtlineare Kristalle. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen optischen parametrischen Oszillator (OPO), der durch Veränderung des Einfallswinkels eines Strahls auf ein Paar optisch nichtlinearer Kristalle, die zur Abweichungskompensation (walk-off) angeordnet sind, durchgestimmt wird.
DISKUSSION DES STANDS DER TECHNIK
In einem OPO wird Strahlung mit einer Pumpwellenlänge in eine Signalwellenlänge und eine längere Idler-Wellenlänge frequenzgeteilt (parametrisch umgewandelt). Die optische parametrische Umwandlung kann als die Umkehrung der Summenfrequenzmischung in einem optisch nichtlinearen Kristall verstanden werden. Ein optisch nichtlinearer Kristall kann durch die Veränderung des Einfallswinkels einer Pumpwellenlängenstrahlung auf den optisch nichtlinearen Kristall mit einer festen Pumpstrahlrichtung und einer geeigneten Kristalldrehanordnung durchstimmbar gemacht werden.
Eine solche Anordnung weist normalerweise einen zweiten optisch nichtlinearen Kristall (Kompensationskristall) auf, der auf den OPO-Kristall zu oder von ihm weg gegendrehbar ist, um eine Abweichungskompensation bereitzustellen und um Änderungen in der Strahlenlage aufzuheben, die aus der Drehung des OPO-Kristalls resultieren. Die Gegendrehung wird vorzugsweise gleichzeitig durch einen gemeinsamen Schrittmotor durchgeführt, der die beiden Kristalle unter Verwendung eines geeigneten Getriebes dreht. Der OPO und der Kompensationskristall können als ein Kristallpaar bezeichnet werden.
In einem solchen OPO wird die Pumpstrahlung in dem OPO-Kristall auf eine Strahltaille fokussiert, um die elektrische Feldstärke zu maximieren und entsprechend die parametrische Umwandlungseffizienz zu erhöhen. Aufgrund dessen ist es in Abhängigkeit von der Pumpwellenlänge und der Leistung nicht ungewöhnlich, dass allmählich ein optischer Schaden an dem OPO-Kristall auftritt. Gewöhnlich tritt der Schaden in dem Kompensationskristall nicht auf, da sich der Strahldurchmesser von der Strahltaille ausgebreitet hat und folglich die elektromagnetische Feldstärke auf einen Wert unterhalb einer Schadensschwelle reduziert ist.
In jeder Frequenzumwandlungsanordnung kann das unvermeidbare Problem eines optischen Schadens an einem optisch nichtlinearen Kristall dadurch vermindert werden, dass der Kristall bezüglich eines Einfallsstrahls periodisch bewegt (verschoben) wird. Dies wird von Fachleuten gewöhnlicherweise als „Kristallverschiebung” bezeichnet. Die Periode kann zum Beispiel dadurch ausgewählt werden, dass die Ausgangsleistung aufgezeichnet wird und der Kristall verschoben wird, wenn die Leistung um einen vorgegebenen Prozentwert abgefallen ist.
Wenn nur ein einziger Kristall mit einer festen (nicht durchstimmbaren) Umwandlung verwendet wird, kann der Kristall auf einem einfachen kleinen Verschiebetisch angeordnet werden und entlang einer oder zwei Achsen verschoben werden. Bei dem oben beschriebenen gegendrehbaren Kristallpaar muss die Verschiebeanordnung mit dem Motor, dem Getriebe und den Kristallen verschoben werden. Dies erfordert einen viel größeren und folglich viel teureren und raumgreifenderen Verschiebetisch. Für die Kristalldrehung und die Kristallverschiebung würden getrennte Schrittmotoren und zugehörige Steuersysteme notwendig sein. Es besteht ein Bedürfnis nach einer einfacheren Anordnung für die Kristallverschiebung, die keinen solchen Verschiebetisch erfordert und die keine getrennten Motoren und Steuersysteme erfordert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt weist die erfindungsgemäße optomechanische Vorrichtung einen ersten und einen zweiten optisch nichtlinearen Kristall auf, die auf einer ersten bzw. einer zweiten Welle mit einer ersten bzw. einer zweiten Drehachse angebracht sind. Die Wellen werden durch einen Schrittmotor über ein Zahnradgetriebe gegendrehend angetrieben. Nur die erste Welle weist eine Gewindespindel auf, die derart angeordnet ist, dass, wenn die erste Welle gedreht wird, der erste Kristall um die erste Drehachse gedreht wird und gleichzeitig in der Richtung der ersten Drehachse verschoben wird, während der zweite Kristall gleichzeitig um die zweite Drehachse gegengedreht wird, aber nicht in der Richtung der zweiten Drehachse verschoben wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, die in der Beschreibung enthalten sind und einen Teil von ihr bilden, stellen schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar und dienen zusammen mit der oben gegebenen allgemeinen Beschreibung und der ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, die unten angegeben wird, dazu, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erklären.
1 ist eine dreidimensionale Ansicht, die schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt, die ein Gehäuse mit einer Mechanik (nicht dargestellt) zur Drehung einer ersten und einer zweiten Welle aufweist, an denen ein erster bzw. ein zweiter Kristallhalter angebracht sind um den ersten bzw. den zweiten optisch nichtlinearen Kristall zu halten, wobei die Wellen zueinander gegendrehbar sind und wobei die erste Welle gleichzeitig entlang ihrer Wellenachse verschiebbar ist.
1A ist eine dreidimensionale Ansicht, die schematisch Details des Kristallhalters und des Kristalls der Vorrichtung von 1 darstellt.
2 ist eine dreidimensionale Explosionsdarstellung, die schematisch Details des in 1 nicht gezeigten Dreh- und Translationsmechanismus darstellt.
2A ist eine vergrößerte dreidimensionale Ansicht einer Teilbaugruppe, die schematisch weitere Details des Mechanismus von 2 darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wir wenden uns nun den Zeichnungen zu, wobei die gleichen Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. 1 und 1A stellen schematisch eine bevorzugte Ausführungsform 10 der Kristalldreh- und verschiebevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Ausführungsform ist zur Verwendung in einem oben diskutierten OPO beschrieben.
Die Vorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 mit einem Erweiterungsbereich 16 auf. Das Gehäuse weist einen Basisflansch 14 zum Einbau der Vorrichtung in eine OPO-Vorrichtung auf. Innerhalb des Gehäuses sind, was weder in 1 noch in 1A dargestellt ist, ein einziger Schrittmotor und ein Getriebe angeordnet, um die Wellen 26 und 30 gleichzeitig um die Wellenachsen 28 bzw. 32 (siehe 1A) gegenzudrehen, wie es jeweils durch die Pfeile R1 und R2 angezeigt ist. Der Mechanismus verschiebt auch gleichzeitig die Welle 26 in der Richtung der Wellenachse, wie es durch die Pfeile T angezeigt ist. Details des Mechanismus werden weiter unten unter Bezugnahme auf die 2 und 2A beschrieben.
Die optisch nichtlinearen Kristalle 18 und 20 werden von den Kristallhaltern 22 bzw. 24 gehalten. Gemäß dem oben diskutierten Stand der Technik ist der Kristall 18 ein OPO-Kristall, in dem ein frequenzgeteilter (parametrisch umgewandelter) Strahl fokussiert wird. Der Kristall 20 ist ein Kompensationskristall. Die Einfallsrichtung eines frequenzgeteilten Laserstrahls ist als solche bezeichnet. Die Ausbreitungsachse des Strahls ist als Achse 42 bezeichnet. Es sei bemerkt, dass der OPO-Kristall 18 in der Richtung der Wellenachse länger ist als der Kristall 20 um die Translation des Kristalls zu ermöglichen, wenn die Welle 26 verschoben wird.
Wie hauptsächlich unter Bezugnahme auf 1A ersichtlich ist, ist jeder Kristallhalter über eine Schraube (nicht gezeigt) durch einen gebogenen Schlitz 40 in dem Kristallhalter an einem oberen Klemmelement 34 befestigt. Das obere Klemmelement ist durch eine Schraube (auch nicht gezeigt) an einem unteren Klemmelement festgeklemmt. Dies dient der Befestigung der Kristallhalter an den Wellen. Die Kristalle sind an einem Vorsprungsbereich 38 der Kristallhalter kantenverbunden. In der Zeichnung von 1A sind die Kristallhalter und die Klemmelemente identisch. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Bezugszeichen nur für einen von beiden vorgesehen. Die Befestigung der Kristallhalter an den Klemmen über gebogene Schlitze 40 ermöglicht es, dass die Kristalle anfänglich während der Herstellung zueinander, wie es durch die Pfeile A1 und A2 angezeigt ist und zu einer Achse 41, die senkrecht zu der Wellenachse ist, ausgerichtet werden. Dies ist eine einmalige manuelle Ausrichtung, die während des Zusammenbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird, und die dann fixiert wird. Aus diesem Grund sind die Einstellungsbögen A1 und A2 als eine gestrichelte Linie dargestellt.
2 ist eine dreidimensionale Explosionsdarstellung, die schematisch Details des Rotations- und Translationsmechanismus, der in 1 nicht gezeigt ist, darstellt. Weitere Details des Mechanismus sind als eine Teilbaugruppe 10A in 2A gezeigt.
In 2 ist das Gehäuse in eine Frontabdeckung 13 mit einem Erweiterungsbereich 16, der oben besprochen wurde, einen ausgefrästen Ummantelungsbereich 15 mit einer Basis 14 und einer Rückabdeckung 17 zerlegt. In der Abdeckung 13 sind Öffnungen 66 und 68 vorgesehen, um mit den Lagern (Laufbuchsen) 62 und 64 auf den Wellen 30 bzw. 26 in Eingriff zu stehen.
Es ist ein Schrittmotor 50 dargestellt, der aus einem Erweiterungsbereich 16 der Frontabdeckung 13 herausgeholt ist. Der Schrittmotor 50 dreht ein Zahnrad 52, das in ein Zahnrad 54 mit einem größeren Durchmesser, das mit der Welle 30 verbunden ist, eingreift. Das Zahnrad 54 ist ein Spielausgleichszahnrad mit zwei Komponenten-Zahnrädern 54A und 54B, von denen eines fest ist und das andere unter einer Federvorspannung gleitend ist, wie es im Stand der Technik bekannt ist. In der Zeichnung ist das Zahnrad 54B das federvorgespannte Zahnrad. Die Drehung der Welle 30 dreht den Kristallhalter 24.
Ebenso ist an der Welle 30 ein Spielausgleichszahnrad 56 mit den Komponenten-Zahnrädern 56A und 56B befestigt. In der Zeichnung ist das Zahnrad 56B das federvorgespannte Zahnrad. Das Zahnrad 56 greift in ein Zahnrad 58 ein, das denselben Durchmesser aufweist wie das Zahnrad 56, aber das eine größere Dicke aufweist. Das Zahnrad 58 ist über eine Gewindespindelbaugruppe 60 mit der Welle 26 verbunden. Dies sorgt dafür, dass, wenn das Zahnrad 58 durch das Zahnradgetriebe 56 gedreht wird, die Welle 26 und der Kristallhalter 22 in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Kristallhalter 24 und um genau den gleichen Winkel gedreht werden. Weiter wird aufgrund der Gewindespindelbaugruppe durch die Drehung der Welle 26 eine Translation (Verschiebung) des Kristallhalters, die durch Pfeile T dargestellt ist, verursacht. Die Spielausgleichsgetriebeanordnung der Zahnräder 54 und 56 ist dafür entscheidend, dass gewährleistet wird, dass die Drehwinkel tatsächlich genau gleich und genau wiederholbar sind.
Eine bevorzugte Gewindesteigung der Gewindespindel 60 in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist 125 μm, was 200 Umdrehungen pro Inch (turns-per-inch; TPI) entspricht. Es sind ungefähr 5 mm Weg erforderlich. Gewindespindeln können durch die meisten Präzisionsmaschinenhersteller maßangefertigt werden. „Standardisierte” Gewindespindelanordnungen sind auch kommerziell erhältlich. Zum Beispiel hat eine Gewindespindel vom Modell AJS254-0.5H-NL, erhältlich von Newport Corporation, Irvine, Kalifornien, eine Gewindesteigung von 254 TPI. Es sei hier bemerkt, dass sich in der beschriebenen Anordnung das Zahnrad 58 mit der Gewindespindel 60 und der Welle 26 verschiebt, wie es durch den Pfeil T in 2A dargestellt ist. Die zusätzliche Dicke des Zahnrads 58 gegenüber dem Zahnrad 56 ist derart ausreichend gewählt, dass die Zahnräder 56 und 58 in dem vorgesehenen Verschiebebereich der Welle 26 miteinander verzahnt bleiben.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kristallverschiebers ist es nützlich, einen OPO zu betrachten, der mit einer Wellenlänge von 520 Nanometern (nm) gepumpt wird, wobei die Signalstrahlung in einem Bereich zwischen ungefähr 680 nm und ungefähr 1300 nm durchstimmbar ist. Für optisch nichtlineare Kristalle 18 und 20 aus β-Bariumborat (BBO) erfordert dies die Drehung jedes Kristalls (in entgegengesetzten Richtungen) um einen Gesamtwinkel von ungefähr 24 Grad. Mit der bevorzugten Gewindespindelsteigung von 200 TPI würde dies den Kristall 20 um eine Distanz von nur ungefähr 8 Mikrometer (μm) verschieben. Ein typischer 1/e² Strahltaillendurchmesser in einem OPO-Kristall 18 wäre ungefähr 60 μm, so dass immer ein erheblicher Grad der Überlappung mit extrem eingestellten Positionen der Strahltaille vorliegen würde.
Wenn erkennbar ist, dass die Strahltaille auf eine vollständig frische Stelle auf dem Kristall verschoben werden muss, beispielsweise aufgrund eines festgestellten, nicht akzeptablen Leistungsabfalls, wie es oben diskutiert wurde, werden die Kristalle ein oder mehrmals um ungefähr 360° gedreht, wodurch die Kristallwinkel zurück in den Durchstimmbereich gebracht werden. Wenn man wiederum die bevorzugte 200 TPI Gewindespindel betrachtet, so würde eine volle 360°-Drehung der Welle 26 den Kristall 18 um eine Distanz von ungefähr 125 μm verschieben. Dies ist ausreichend, um die 60 μm Strahltaille an eine vollständig frische Stelle auf dem OPO-Kristall 18 zu verschieben.
In der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung werden die Kristalldrehung zu Zwecken der Durchstimmung und die Kristalltranslation der Kristallverschiebung mit einem einzigen Schrittmotor erreicht, der von einem einzigen Steuerungssystem gesteuert werden kann. Dies führt im Vergleich zu dem oben beschriebenen Zugang des Stands der Technik sogar dann, wenn die Translation nur entlang einer Achse erfolgt, zu einer erheblichen Verringerung in der Größe und der Komplexität.
Die Ausführungsform der Erfindung ist durch ausführliche technische Zeichnungen dargestellt, die zur Konstruktion eines Prototyps der Erfindung erstellt worden sind. Nur diejenigen Details, die zum Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung notwendig sind, sind beschrieben und durch Bezugszeichen bezeichnet. Von den Ausführungen der Zeichnungen werden die Funktionen anderer Details, die nicht beschrieben sind, für einen Durchschnittsfachmann im Bereich des Maschinenbaus offensichtlich sein. Es ist nicht beabsichtigt, dass die Details beschränkend sind und ein Durchschnittsfachmann des Maschinenbaus kann die Details abwandeln, gleichgültig ob dies beschrieben ist oder nicht, ohne sich von dem Kern und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
Zusammenfassend ist die vorliegende Erfindung vorstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebene und abgebildete Ausführungsform beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung nur durch die angehängten Ansprüche beschränkt.

Claims

Optomechanische Vorrichtung, aufweisend: einen ersten und einen zweiten optisch nichtlinearen Kristall, die auf einer ersten bzw. einer zweiten Welle mit einer ersten bzw. einer zweiten Drehachse angebracht sind, wobei die Wellen durch eine Schrittmotor über ein Zahnradgetriebe gegendrehend angetrieben werden; und wobei nur die erste Welle eine Gewindespindel aufweist, die derart angeordnet ist, dass, wenn die erste Welle gedreht wird, der erste Kristall um die erste Drehachse gedreht wird und gleichzeitig in der Richtung der ersten Drehachse verschoben wird, während der zweite Kristall gleichzeitig um die zweite Drehachse gegengedreht wird, aber nicht in der Richtung der zweiten Drehachse verschoben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Zahnradgetriebe ein durch den Schrittmotor gedrehtes erstes Zahnrad aufweist, wobei das erste Zahnrad in ein an der zweiten Welle angebrachtes zweites Zahnrad eingreift, das Zahnradgetriebe weiter ein an der zweiten Welle angebrachtes drittes Zahnrad aufweist, das in ein an der Gewindespindel zum Drehen und Verschieben der ersten Welle angebrachtes viertes Zahnrad eingreift.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das zweite Zahnrad einen größeren Durchmesser aufweist als das erste Zahnrad, und das dritte Zahnrad einen kleineren Durchmesser aufweist als das zweite Zahnrad und das dritte und das vierte Zahnrad den gleichen Durchmesser aufweisen, wodurch sich die erste und die zweite Welle gleich, aber in entgegengesetzter Richtung drehen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das zweite und das dritte Zahnrad Spielausgleichszahnräder sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gewindespindel eine Gewindesteigung von 0,125 μm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiter einen ersten und einen zweiten Kristallhalter aufweist, die an der ersten bzw. der zweiten Welle angebracht sind, wobei der erste und der zweite Kristallhalter den ersten bzw. den zweiten Kristall hält.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste und der zweite Kristallhalter derart ausgestaltet sind, dass sie eine manuelle Ausrichtung des ersten und des zweiten Kristalls zueinander bezüglich einer Achse senkrecht zu der Drehachse ermöglichen.