DE1589970A1 - Verfahren zur Erzeugung eines einfrequenten Lichtstrahles mittels einer Laseranordnung und Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung eines einfrequenten Lichtstrahles mittels einer Laseranordnung und Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens

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    • H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation

Description

PATENTANWALi MÜNCHEN —22 WIDENUAYKRSTR.
• -9. Okt. 1967
Institut für angewandte Physik der Universität Bern, Sidlerstrasse 5, 3Q03 Bern (Schweiz)
Verfahren zur Erzeugung eines ein-frequenten Lichtstrahles mittels einer Laseranordnung und Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines ein-frequenten Lichtstrahles mittels einer Laseranordnung unter Kopplung der Laser-Eigenschwingungen durch Frequenzmodulation mit einer Modulationsfrequenz Ω, die nahezu gleich ist dem Frequenzabstand ΔΪ benachbarter Eigenschwingungen.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass man zwei senkrecht zueinander polarisierte, mit der genannten Modulationsfrequenz und mit gleichem Frequenzhub modulierte Strahlen erzeugt, von denen der eine gegenüber dem anderen
um ein ungradzahliges Vielfaches einer Zeit T =
2 Ω verzögert ist, dass man den einen Strahl als ordentlichen,
und den anderen Strahl als ausserordentlichen 5trahl gemeinsam durch einen doppelbrechendÜen, nichtlinearen Kristall
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hindurchtreten lässt, und dass man die optische Achse des Kristalls unter einem solchen V/inkel zur Strahlenrichtunp, orientiert, dass die nichtlineare V/echselwirkunp, zwischen denselben maximal wird und dadurch einen unmodulierten Lichtstrahl erhellt, dessen Frequenz gleich der Sunne der Trägerfrequenzen der beiden frequenzmodulierten Strahlen ist.
Gegenüber anderen Möglichkeiten, einen ein-frequenten Lichtstrahl von doppelter Laserfrequenz zu erhalten, stellt das vorliegende Verfahren einen direkteren und einfacheren Weg dar. Insbesondere bei Verwendung eines Gasentladungs-Verstärkerelementes ist dieses Verfahren vorteilhaft.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass man die beiden genannten frequenzmodulierten Strahlen mittels eines zwischen den beiden Spiegeln eines Laseroszillators angeordneten Frequenzmodulators und eines ebenfalls zwischen diesen Spiegeln angeordneten doppelbrechenden Elementes erzeugt, so dass diese Strahlen verschiedene Trägerfrequenzen haben und orthogal zueinander polarisiert sind. Dabei kann das doppelbrechende Element aus dem genannten doppelbrechenden nichtlinearen Kristall oder aus dem Frequenzmodulator selbst oder aus einem weiteren doppelbrechenden Kristall bestehen.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Durchführung dieser Ausführungsform des Verfahrens. Dieselbe zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den beiden Spiegeln eines Laseroszillators ein Frequenzmodulator und ein doppelbrechendes Element angeordnet ist.
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BAD ORIGINAL
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Anordnung schema tisch dargestellt. Es ist :
Tig. I das Schema einer ersten Anordnung, Fig. 2 ein zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Anordnung dienendes Diagramm, Fig. 2 das Schema einer zweiten Anordnung.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist zur Bildung eines Laseroszillators ein Laser-Verstärkerelenent V auf, das zwischen zwei Spiegeln Sl und S2 liegt. Zwischen den Verstärkerelement V, z.B. einer He-He-Gasentladungsrühre und den Spiegel S2 befindet sich ein optisch nichtlinearer doppelbrechender Kristall ML, z.B. aus Kalium-Dihydrogenphosphat (KDP), während zwischen den Verstärkerelement V und den Spiegel Sl ein Frequenzmodulator Ϊ1 liegt. Die Strahlung dieser Laseranordnung besitzt eine Wellenlänge Λ = 1,15 /ι. In bezug auf die Strahlenachse Al der Anordnung ist die optische Achse A2 des Kristalles NL unter dem \7inkel rJ für maximale VJechselwirkunn, welcher für diese Wellenlänge und dem KDP-Kristall ca. 60° beträgt, angeordnet. Der Frequenzmodulator M besteht z.B. ebenfalls aus einem KDP-Kristall, dessen optische Achse in Strahlrichtung liegt. Ferner sind an zwei einander gegenüberliegenden Flächen des Kristalles des Modulators M mit einer Oeffnung zum Durchlass des Strahles versehene Elektroden vorgesehen, denen von einem Oszillator 0 eine Spannung mit einer Frequenz SL von z.B. 100 MHz zugeführt wird. Das Achsensystem des Hodulator-Kristalles wird so gewählt, dass das Achsenkreuz der induzierten Doppelbrechung gleichorientiert ist wie dasjenige des Kristalles ML. Infolge der angelegten Spannung verändert
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BAD ORfGlNAt
sich der Brechungsindex des Modulatorkristalles im Takte der Frequenz H- ; die dadurch bewirkte Aenderung der optischen Weglänge zwischen den Spiegeln Sl und S2 hat eine Frequenzmodulation der in dem Laseroszillator V, Sl, S2 entstehenden Strahlen zur Folge.
In einem Laseroszillator entstehen bekanntlich Lichtstrahlen von verschiedener Eigenfrequenz, und in Fig. 2 ist schematisch die Intensität J mehrerer Eigenschwingungen m in Funktion der Lichtfrequenz V dargestellt. Der Abstand /LV zwischen zwei benachbarten Eigenfrequenzen ist gleich γ?— , wobei c die Lichtgeschwindigkeit und t den optischen Abstand zwischen den Spiegeln bedeutet. Zwischen den verschiedenen Eigenschwingungen m besteht keine feste Phasenbeziehung, was zur Folge hat, dass in Ermangelung weiterer Massnahmen die Intensität der aus dem Laseroszillator austretenden Nutzstrahlen starken Schwankungen unterworfen ist, indem sich die Teilstrahlen von verschiedener Eigenfrequenz in zufälliger Weise überlagern.
Wenn die verschiedenen in einem Laseroszillator entstehenden Eigenschwingungen m frequenzmoduliert werden und zwar mit einer Modulationsfrequenz XL , die der Frequenz AY nahezu gleich ist, ergibt sich.in an sich bekannter Weise, eine feste Phasenbeziehung zwischen den verschiedenen Eigenschwingungen, und stellt der Nutzstrahl eine frequenzmodulierte Schwingung mit
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der Modulationsfrequenz SL· dar, also eine Trägerfrequenz / mit Seitenbändern in den Abstanden 4V . VJenn ;.an ir. Blitzstrahl lediglich eine Frequenz wünscht, kann nan nach einen bekannten Verfahren den Nutzstrahl noch eir.r.al r.-.i-j derselben Frequenz SL· aber in Gegentakt modulieren, wobei dann die Energie aller Seitenbclnder in die allein übrig bleibende Tr1"«,erfrequenz überseht.
Mit der vorliegenden Anordnung wird ebenfalls ein ein-frequenter Mutzstrahl erzeugt, v;obei aber dessen Frequenz praktisch gleich den Doppelten der betrachteten Trägerfrequenz Y0 ist.
Durch die Doppelbrechung des Kristalles NL bzw. HL und H wird bewirkt, dass ausser der betrachteten Gruppe von Eigenschwingungen ra auch noch eine zweite Gruppe von üigenschwingungen m1 auftritt, die als Ganzes gegenüber der ersten Gruppe um eine kleine Frequenz Δ-^Υ verschoben ist, wobei beide Strahlen senkrecht zueinander polarisiert sind und die eine Gruppe dem ordentlichen und die andere dem ausserordentlichen Strahl entspricht, der durch den Kristall NL hindurchgeht. Infolge der Nichtlinearität des Kristalles NL treten diese beiden Strahlen in Wechselwirkung und es ergibt sich ein Ausgangsstrahl von doppelter Frequenz, wobei dieser Effekt praktisch nur dann auftritt, wenn die optische Achse A2 unter dem angegebenen Winkel (V von ca. 60° zur Richtung Al der Strahlen liegt.
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Bei αehr geringen Abweichungen von den, übrigens etwas temperaturabhängigen Optinalwert von -^ niirjirfc die Wechselwirkung nämlich sehr rasch ab.
Bezeichnet man die elektrische Feldstürke des ordentlichen bzw. des ausserordentlichen Strahles mit eQ bzw. ea, so kann man dieselben wie folgt darstellen :
eo ^ A. cos S2 Trot + q.sin 2 T JTL ti
ea
2. B.cos ^2Tiyo»t + 2Tz0 1T + q.sin.l 2T(t +
dabei ist γο bzw. Y0 1 die Frequenz der zentralen Eigenschwingung der Gruppe m, bzw. m1, q der Modulationshub und T üie relative Verzögerung der Modulation des einen Strahles in bezug auf den anderen Strahl. Durch geeignete Lage der Elektroden des Modulators M am Kristall wird erreicht, dass der Brechungsindex für den ordentlichen Strahl zunimmt, während gleichzeitig der Brechungsindex für den ausserordentlichen Strahl abnimmt, was zur Folge hat, dass T = wird.
Es ist dann :
ea -ζ. B cos \2··/ Yn't + 2?WT - .,.sin
Betrachtet man 0invModulationsprodukt e , e den Summenanteil, so wird derselbe proportional zu
K.A.B cos [2TT(Y0 + Y0') t + 2ιΤ(Υο·τ]
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wobei K den nichtlinearen Kopplungsfaktor darstellt.
Es erübrigt sich, den Differenzanteil c;es !'odulations-"punktes eo . ea zu bexrachter., ca die Differenzfrequenz V - t'o' nicht in den gleichen lie reich fclllt.
Nach dem beschriebener. Verfahren erhalt nan sor.it rr.it der Las er anordnung einen l.'utzstrahi s von nur einer Freqxien::, wobei diese Frequenz praktisch doppelt so gross ist, wie die sonst rät einer entsprechenden Anordnung erzielte Frequenz Y0. Eo ist noch zu erwähnen, dass die Modulations frequenz il_ nicht genau ;..it Ger Frequenzdifferens £\ benachbarter Eigenschwingungen ".berclnstir.r.en darf, danit die Anordnung auf die beschriebene '.-.'eine arbeitet. Der Unterschied zvisehen -TL und ^\ r>uss aber sehr gering sein, etwa in der Grössenordnunn von einigen Pronille.
3ei einer in Fig.1 gestrichelt angedeuteten Varianten liegt der nichtlineare Kristall 2IL' ausserhalb des Spiegels S2, statt zwischen denselben und den Verst&rkereierient V. Falls der Modulator >' selbst nicht doppelbrechend ist, nuss jetzt anstelle des Kristalles NL ein anderer, gestrichelt dargestellter coppelbrechender Kirstall D in das Innere des Oszillators gebracht werden, un die beiden senkrecht zueinander polarisierten Strahlen verschiedener Trägerfrequenz zu erzeugen. An den früheren Ueberlegungexi ändert sich dadurch nichts und der aus den nichtlinearen Kristall ML1 austretende Strahl s1 ist ein ein-frequenter Lichtstrahl, dessen Frequenz gleich der Sunuse der Trägerfrequenzen V0 und Yo % als nahezu gleich 2 Y ist. Ob die eine oder die andere Variante günstiger ist, hängt vom Verhältnis der inneren Verstärkung zu den inneren
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Verlusten auf dem Weg eines Strahles vom Spiegel Sl zum Spiegel S2 und zurück ab.
Bei der Anordnung nach Fig. 3 ist zwischen den Spiegeln Sl und S2 ein Laser-Verstürkerelement- V1 angeordnet, welches eine Polarisationsrichtung bevorzugt, z.B. durch unter dem Brewsterwinkel vorgesehene Fenster. Zwischen dem Verstärkerelement V.1. und dem Spiegel S2 befindet sich wieder der durch den Oszillator 0 erregte Frequenzmodulator M. Unter diesen Umstanden wird der durch den Spiegel S2 tretende Strahl nur in einer Richtung polarisiert sein und es wird dafür gesorgt, dass die Polarisationsebene etwa unter 45° zu der der Zeichnungsebene entsprechenden Ebene der Anordnung genigt ist. In der Strahlenachse Al liegen
strahlaufteilende
zwei/Glan-Thompson-Prismen Gl und G2. Durch das Prisma Gl wird der Strahl in zwei orthogonal zueinander polarisierte Teilstrahlen zerlegt, von denen der eine direkt und der andere über einen Spiegel S3 zum Prisma G2 gelangt, von welchen die Teilstrahlen dann gemeinsam in einen nichtlinearen, doppelbrechenden Kristall NL gelangen, dessen
Λ.
optische Achse A2 wieder unter dem Winkel OJ zur Strahlenachse Al geneigt ist.
Die Differenz der optischen Wege der beiden Teilstrahlen zwischen den Prismen Gl und G2 wird so justiert, dass die
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Verzögerung zwischen den beiden Schwingungen ein ungradzahliges Vielfaches von T = —i—^ ~i_ = L· ist.
ΊΤ Im Kristall NL wird wieder das Modulationsprodukt der beiden Schwingungen mit den Feldstärken eQ und ea gebildet. Der einzige Unterschied gegenüber der früheren Ableitung ist der, dass nun lediglich eine Gruppe von Eigenschwingungen m vorhanden ist. Es ist also Y0' = Vozu setzen und man erhält einen ein-frequenten Strahl, dessen Frequenz/gleich, dem doppelten der Frequenz Y der Haupteigenschwingung des Laseroszillators ist.
Damit die Anordnungen richtig funktionieren, nüssen die vom Laserstrahl durchsetzten Oberflächen der Elemente M, V, D, NL für die Laserwellenlänge vergütet sein.
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Claims (7)

i589"97(T Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung eines ein-frequenten Lichtstrahles mittels einer Laseranordnung unter Kopplung der Laser-Eigenschwingungen durch Frequenzmodulation mit einer Kodulationsfrequenz Ω, die nahezu gleich ist dem Frequenzabstand ΔΤ benachbarter Eigenschwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass man zwei senkrecht zueinander polarisierte, mit der genannten Modulationsfrequenz und mit gleichem Frequenzhub modulierte Strahlen erzeugt, von denen der eine gegenüber dem anderen um ein ungradzahliges Vielfaches einer Zeit T =
2 Ω verzögert ist, dass man den einen Strahl als ordentlichen, und
den anderen Strahl als ausserordentlichen 5trahl gemeinsam durch einen doppelbrechenden, nichtlinearen Kristall (1\<L; TmL1) hindurchtreten lässt, und dass man die optische Achse (A2; A21) des Kristalls unter einem solchen Winkel Cv) zur Strahlenrichtung (Al) orientiert, dass die nichtlineare Wechselwirkung zwischen denselben maximal wird und dadurch einen unmodulierten Lichtstrahl erhält, dessen Frequenz gleich der Summe der Trägerfrequenzen der beiden frequenzmodulierten Strahlen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die beiden genannten frequenzmodulierten Strahlen mittels eines zwischen den beiden Spiegeln (Sl, S2) eines
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Laseroszillators (S1* V, S_) angeordneten Frequenzmodulators (n) und eines ebenfalls zwischen diesen Spiegeln (51, 52) angeordneten doppelbrechenden Elementes NL; M; D) erzeugt, so dass diese Strahlen verschiedene Trägerfrequenzen haben.
3. . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man zunächst einen einzigen frequenzmodulierten Strahl erzeugt, aus welchem man durch Aufspaltung die beiden genannten, frequenzroodulierten, senkrecht zueinander polarisierten Strahlen gewinnt, die somit die gleiche Trägerfrequenz (V ) haben, den einen 5trahl gegenüber dem anderen verzögert, und dann beide Strahlen gemeinsam durch den doppelbrechenden Kristall (ML) hindurchtreten lässt.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Spiegeln (51, 52) eines Laseroszillators (5.., V, S_) ein Frequenzmodulator (M) und ein doppelbrechendes Element (M, D, NL) angeordnet ist.
5* Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzmodulator (M) zwischen dem einen Spiegel (51) und dem Verstarkereleir.ent (V) des' Laseroszillators (S,, V, S^) angeordnet ist und der doppelbrechende Kristall (NL) zwischen diesem Verstärkerelement (V) und dem anderen Spiegel angeordnet ist.
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6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzmodulator (M) selbst das doppelbrechende Element bildet und der doppelbrechende Kristall (NL1) ausserhalb des Laseroszillators (S., V, S-) angeordnet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet» . dass der doppelbrechende Kristall (NL1) ausserhalb des Laseroszillators (S1, W, Sp) angeordnet ist und ein weiterer doppelbrechender Kristall (D) innerhalb desselben.
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