DE19532440C2 - Solid state laser arrangement for frequency conversion - Google Patents
Solid state laser arrangement for frequency conversionInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörperlaseranordnung zur Frequenzkonversion, die mindestens einen optisch gepumpten Festkörperlaser aufweist, dessen laseraktives Medium ein doppelbrechendes Prisma ist, und mindestens einen nichtlinearen Kristall ent hält, wobei das doppelbrechende Prisma eine Stirnfläche aufweist, die so orientiert ist, daß sie die Bedingungen für die interne Totalreflexion für Strahlung einer Frequenz erfüllt.The present invention relates to a solid-state laser arrangement for frequency conversion, which has at least one optically pumped solid-state laser, the laser-active one Medium is a birefringent prism and at least one nonlinear crystal holds, the birefringent prism has an end face which is oriented so that it meets the conditions for total internal reflection for radiation of a frequency.
Eine solche Anordnung, als Quantengenerator bezeichnet, ist aus der DE-OS 15 89 968 bekannt.Such an arrangement, referred to as a quantum generator, is known from DE-OS 15 89 968 known.
Die Weiterentwicklung der Hochleistungs-Diodenlaser zeigt auch ihre Auswirkung bei der Entwicklung von Festkörperlasern, da zunehmend Festkörperlaser durch Hochleistungs- Diodenlaser gepumpt werden. Diodengepumpte Festkörperlaser können sehr kompakt und leistungseffizient aufgebaut werden. Insbesondere wird bei Festkörperlasern mit einer Ausgangsleistung von einigen Watt bis zu einigen zehn Watt das Lasermedium mit einem Diodenlaser oder mit Diodenlaser-Feldanordnungen bzw. -Arrays gepumpt. Es können hierbei Baugrößen erzielt werden, die bei Ausgangsleistungen bis zu 500 mW eine Pac kungsgröße kleiner als einen Kubikzentimeter aufweisen.The further development of the high-performance diode laser also shows its effect on the Development of solid-state lasers, since solid-state lasers are increasingly Diode lasers are pumped. Diode-pumped solid-state lasers can be very compact and be built efficiently. In particular, solid-state lasers with a Output power from a few watts to a few tens of watts the laser medium with one Diode lasers or pumped with diode laser field arrangements or arrays. It can Here, sizes are achieved that a Pac with output powers up to 500 mW size smaller than one cubic centimeter.
Aufgrund des zunehmend kompakteren Aufbaus und der bezogen auf die Baugröße ho hen Ausgangsleistung erschließen sich solchen diodenlasergepumpten Festkörperlasern zunehmend neue Anwendungsgebiete. Ein solches Anwendungsgebiet liegt in dem Be reich der Anzeigen bzw. Displays, die unter Verwendung der Festkörperlaser aufgebaut werden. Solche Anzeigebildschirme werden derzeit hauptsächlich als monochromatische Bildschirme aufgebaut unter Verwendung der jeweiligen frequenzverdoppelten Festkör perlaser. Um chromatische Bildschirme aufzubauen, sind Festkörperlaser mit Wellenlän gen der Ausgangsstrahlen im Bereich der blauen, grünen und roten Farbe erforderlich. Diese erforderlichen Wellenlängenbereiche können, basierend auf unterschiedlichen Lini en von Neodym:YAG, die in einem stabilen Grundmode erzeugt werden können, durch Frequenzverdopplung erzielt werden.Due to the increasingly compact structure and the ho in relation to the size Such output is opened up by such diode laser-pumped solid-state lasers increasingly new areas of application. One such field of application lies in the Be range of displays built using solid-state lasers become. Such display screens are currently mainly called monochromatic Screens built using the respective frequency-doubled solid perlaser. Solid state lasers with wavelength are used to build up chromatic screens blue, green and red colors. These required wavelength ranges can be based on different lines of neodymium: YAG, which can be generated in a stable basic mode, by Frequency doubling can be achieved.
Bei den eingangs erwähnten longitudinal gepumpten Festkörperlasern gibt es unter schiedliche Realisierungskonzepte, wie den monolithischen Single-Frequenz-Laser und den frequenzverdoppelten Mikrochip-Laser. Bei den monolithischen Single-Frequenz- Lasern ist die resonatorinterne Frequenzverdopplung nicht möglich. Bei den Mikrochip- Lasern wird ein dichroitischer Auskoppler benötigt, der die Komplexität wesentlich erhöht und die Resonatorgüte und somit die Effizienz verringert.In the case of the longitudinally pumped solid-state lasers mentioned at the beginning, there is under different implementation concepts, such as the monolithic single-frequency laser and the frequency-doubled microchip laser. With the monolithic single frequency Lasers do not allow frequency doubling within the resonator. With the microchip A dichroic coupler is required for lasers, which significantly increases the complexity and the resonator quality and thus the efficiency is reduced.
Der aus der eingangs erwähnten DE-OS 15 89 968 bekannte Quantengenerator für die Erzeugung und Verstärkung von Licht der Wellenlängen von Rot bis Ultraviolett enthält außer einer vorzugsweise aus einem optischen Sender oder Verstärker bestehende Pumplichtquelle zur Erzeugung eines Primärstrahles ein optisches Mittel, insbesondere einen Kristall mit optisch stark nichtlinearer Wirkung, zur Erzeugung eines Sekundär strahls, dessen Frequenz eine Harmonische der Frequenz des Primärstrahls darstellt, wo bei dieser Quantengenerator dadurch gekennzeichnet ist, daß ein weiteres optisches Mit tei, insbesondere ein aus einem stark doppelbrechenden Kristall bestehendes Prisma, das eine Reflexionsfläche enthält, die zum Zwecke der Trennung von Primär- und Sekundär strahl durch Reflexion am dünneren Medium so angeschliffen ist, daß ihre Normale mit der optischen Achse dieses Kristalls einen Winkel einschließt und daß weiterhin Spiegel zur wahlweisen Verstärkung der räumlich getrennt aus dem Kristall herausgeführten Strahlen durch optische Rückkopplung vorgesehen sind.The quantum generator known from the aforementioned DE-OS 15 89 968 for the Generation and amplification of light containing wavelengths from red to ultraviolet except one preferably consisting of an optical transmitter or amplifier Pump light source for generating a primary beam, an optical means, in particular a crystal with an optically highly non-linear effect, to produce a secondary beam, the frequency of which is a harmonic of the frequency of the primary beam, where in this quantum generator is characterized in that another optical Mit tei, in particular a prism consisting of a strong birefringent crystal, the contains a reflective surface for the purpose of separating primary and secondary beam is ground by reflection on the thinner medium so that its normal with the optical axis of this crystal encloses an angle and that mirrors continue to optional amplification of the beams which are spatially separated out of the crystal are provided by optical feedback.
Aus der US 5,249,196 ist eine Laseranordnung bekannt, bei der ein Festkörper als Penta-Prisma-Resoantor verwendet wird. Das prismenförmige Festkörpermedium dient im wesentlichen dazu, die Anzahl der verwendeten Pumpflächen zu erhöhen. In einer Aus führungsform wird die Frequenz eines Lasers mit einem nichtlinearen Kristall verdoppelt.From US 5,249,196 a laser arrangement is known in which a solid as Penta prism resonator is used. The prismatic solid medium serves in essential to increase the number of pumping surfaces used. In an out the frequency of a laser is doubled with a non-linear crystal.
In LASER MAGAZIN 6/88, Seiten 35-39, "Optische Probleme diodengepumpter Festkör perlaser", von P. Grelle, werden unter anderem dünne Vergütungsschichten im Zusam menhang mit diodengepumpten Festkörperlasern angesprochen. Es ist ausgeführt, daß man für eine resonatorinterne Frequenzverdopplung Schichtpakete benötigt, wobei λ/4- Schichten bei der Grundwellenlänge gleichzeitig als λ/2-Schichten für die frequenzverdop pelnde Strahlung wirken können.In LASER MAGAZIN 6/88, pages 35-39, "Optical problems of diode-pumped solids perlaser ", by P. Grelle, among other things, thin coating layers are combined addressed with diode-pumped solid-state lasers. It is stated that layer packets are required for an intracavity frequency doubling, where λ / 4- Layers at the fundamental wavelength simultaneously as λ / 2 layers for frequency doubling radiation can act.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun, ausgehend von dem vorstehend angegebenen Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, eine Festkörperlaseranordnung, die bevorzugt mittels Diodenlaserstrahlung longitudinal gepumpt wird, derart weiterzubilden, daß in ei nem stabilen Betriebsmodus andere Wellenlängen der Ausgangsstrahlung, und zwar mit einem konstruktiv einfachen Aufbau, erhalten werden können.The present invention is now based on the above State of the art, the object of a solid-state laser arrangement, which is preferred is pumped longitudinally by means of diode laser radiation, in such a way that in ei nem stable operating mode other wavelengths of the output radiation, with a structurally simple structure can be obtained.
Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 2 gelöst.The above object is achieved by the features of claims 1 or 2.
Es werden zwei alternative Maßnahmen angegeben, um basierend auf der Grundwelle, mit der der Festkörper angeregt wird, eine Frequenzverdopplung zu erzielen und dadurch gegenüber dem Grundmode eine geänderte, nutzbare Wellenlänge in einer stabilen Be triebsweise des Festkörperlasers zu erhalten. Von den beiden vorstehend erwähnten Al ternativen ist derjenige Aufbau der Festkörperlaseranordnung bevorzugt, bei dem die Stirnfläche für eine Grundwelle totalreflektierend ist und für die konvertierte Welle keine Totalreflexion erfüllt. Mit einer solchen Anordnung sind keine dichroitischen Auskoppler, wie nach dem Stand der Technik, erforderlich, die Resonatorverluste sind gering und es können hohe Konversionseffizienzen erzielt werden.Two alternative measures are given, based on the fundamental wave, with which the solid is excited to achieve a frequency doubling and thereby compared to the basic mode a changed, usable wavelength in a stable Be to get the solid-state laser. Of the two Al Alternatively, the structure of the solid-state laser arrangement is preferred in which the Face is totally reflective for a fundamental wave and none for the converted wave Total reflection fulfilled. With such an arrangement, there are no dichroic outcouplers, as required by the prior art, the resonator losses are low and it high conversion efficiencies can be achieved.
Bevorzugte Weiterbildungen der Festkörperanordnung, wie sie vorstehend angegeben ist, sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, auf die Bezug genommen wird.Preferred developments of the solid-state arrangement, as stated above, are specified in the respective subclaims to which reference is made.
In bestimmten Fällen kann es erforderlich sein, die zweite Harmonische zu verdoppeln, um beispielsweise die vierte, harmonische Welle (4ω) zu erhalten. Hierzu wird ein zweiter Verdoppler-Kristall vorgesehen, wobei der erste Verdoppler-Kristall und der zweite Ver doppler-Kristall unterschiedlichen Stirnflächen des Festkörpers zugeordnet sind, wobei die aus der einen Stirnfläche ausgekoppelte, zweite harmonische Welle (2ω) in den zweiten Verdoppler-Kristall eingestrahlt wird und verdoppelt wird, wobei der Resonator für die zweite harmonische Welle (2ω) zwischen zwei hoch reflektierenden Flächen, die an den beiden, den jeweiligen Einstrahlflächen der beiden Verdoppler-Kristalle gegenüberlie genden Endflächen gebildet sind oder auf zwei hinter den Kristallen liegenden Spiegeln gebildet sind, aufgebaut wird.In certain cases it may be necessary to double the second harmonic in order to for example to get the fourth harmonic wave (4ω). This will be a second Doubler crystal is provided, the first doubler crystal and the second ver doppler crystal are assigned to different end faces of the solid, the decoupled second harmonic wave (2ω) from one end face into the second Doubler crystal is irradiated and doubled, the resonator for that second harmonic wave (2ω) between two highly reflective surfaces connected to the both, opposite the respective irradiation surfaces of the two doubler crystals end faces are formed or on two mirrors behind the crystals are formed, is built.
In einer weiteren Ausführungsform der Festkörperlaseranordnung ist ein weiterer Festkör per vorgesehen ist, der gegenüber dem prismenförmigen Festkörper, der mit einer ersten Grundwelle (ω1) schwingt, in einer unterschiedlichen Grundwelle (ω2) schwingt, wobei die beiden Festkörperlaser so zueinander angeordnet sind, daß an der einen Stirnfläche eine Totalreflexion für die erste Grundwelle (ω1) auftritt und die für die zweite Grundwelle (ω2) transmittierend ist, so daß die beiden Grundwellen (ω1, ω2) eine gemeinsame Resonator strecke aufweisen, und daß in der gemeinsamen Resonatorstrecke ein nichtlinearer Kri stall zur Summenfrequenzerzeugung oder Differenzfrequenzerzeugung angeordnet ist.In a further embodiment of the solid-state laser arrangement, a further solid body is provided which, in comparison with the prism-shaped solid body which oscillates with a first fundamental wave (ω 1 ), oscillates in a different fundamental wave (ω 2 ), the two solid-state lasers being arranged in relation to one another, that at one end face a total reflection for the first fundamental wave (ω 1 ) occurs and which is transmissive for the second fundamental wave (ω 2 ), so that the two fundamental waves (ω 1 , ω 2 ) have a common resonator path, and that in the common resonator path is a non-linear Kri stall for sum frequency generation or difference frequency generation is arranged.
Die verschiedenen Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:The various embodiments are described below with reference to FIG Drawings explained in more detail. In the drawings:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau zur resonatorinternen Summenfrequenzerzeu gung basierend auf einem Prismenlaser gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 1 shows a schematic structure for intra-cavity Summenfrequenzerzeu supply based on a prism laser according to an embodiment of the invention,
Fig. 2 eine Laseranordnung zur Verdopplung der zweiten harmonischen Welle ge mäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 shows a laser arrangement for doubling the second harmonic wave accelerator as a further embodiment of the invention,
Fig. 3 eine Festkörperlaseranordnung zur Frequenzverdopplung mit einem Fest körper in Form eines doppelbrechenden Prismas und einem einer Stirn- bzw. Grenzfläche des Prismas zugeordneten Verdoppler-Kristall, und Fig. 3 shows a solid-state laser arrangement for frequency doubling with a solid body in the form of a birefringent prism and a doubler crystal associated with an end face or interface of the prism, and
Fig. 4 die Anordnung nach der Fig. 3, wobei der Verdoppler-Kristall unmittelbar mit dem Festkörper kontaktiert ist. Fig. 4 shows the arrangement of FIG. 3, wherein the doubler crystal is contacted directly with the solid.
Es ist anzumerken, daß in den jeweiligen Figuren Bauteile der einzelnen Ausführungsfor men, die miteinander vergleichbar sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Sofern einzelne Bauteile in Bezug auf eine Ausführungsform ausführlich beschrieben sind, werden diese Beschreibungen und Erläuterungen auf vergleichbare Bauteile der anderen Ausführungsformen nicht nochmals vorgenommen, sondern sie können analog auf die anderen Ausführungsformen übertragen werden.It should be noted that in the respective figures, components of the individual embodiments Men, which are comparable to each other, are designated by the same reference numerals. If individual components are described in detail in relation to an embodiment, these descriptions and explanations are based on comparable components of the other Embodiments not made again, but they can be analog to the other embodiments.
Die Festkörperfaseranordnung, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist, weist als Festkörper ein doppel-brechendes Prisma 1, beispielsweise aus Nd:YVO4, auf, das eine erste Stirn fläche 2, eine zweite Stirnfläche 3 und eine vierte Stirnfläche 4 aufweist. Der Stirnfläche 3 ist einem Verdoppler-Kristall 5 zugeordnet.The solid-state fiber arrangement, as shown in FIG. 3, has as its solid body a birefringent prism 1 , for example made of Nd: YVO 4 , which has a first end face 2 , a second end face 3 and a fourth end face 4 . The end face 3 is assigned a doubler crystal 5 .
Die erste Stirnfläche 2 ist unvergütet. Der Festkörper 1 wird, obwohl dies nicht näher dar gestellt ist, mittels Diodenlaserstrahlung 9 longitudinal gepumpt, wobei die Strahlung bei spielsweise über die dritte Stirnfläche 4 in den prismenförmigen Festkörper 1 eingestrahlt ist. Die dritte Stirnfläche 4 ist für die Grundwelle (ω) hoch reflektierend ausgebildet, wäh rend die zweite Stirnfläche, zumindest in dem Bereich, die dem Verdoppler-Kristall 5 ge genüberliegt, für die Grundwelle (ω) und die konvertierte Welle (die zweite harmonische, 2ω) antireflektierend beschichtet ist. Gleiches gilt für die Eintrittsfläche 6 des Verdoppler- Kristalls 5. Dagegen ist die Endfläche 7 des Verdoppler-Kristalls 5 für die Grundwelle (ω) und die zweite harmonische (2ω) hoch reflektierend beschichtet.The first end face 2 is not coated. The solid body 1 is, although this is not shown, pumped longitudinally by means of diode laser radiation 9 , the radiation being radiated into the prism-shaped solid body 1 via the third end face 4, for example. The third end face 4 is designed to be highly reflective for the fundamental wave (ω), while the second end face, at least in the region opposite the doubler crystal 5 , for the fundamental wave (ω) and the converted wave (the second harmonic, 2ω) is coated with an anti-reflective coating. The same applies to the entry surface 6 of the doubler crystal 5 . In contrast, the end face 7 of the doubler crystal 5 for the fundamental wave (ω) and the second harmonic (2ω) is coated with a highly reflective coating.
Bei dem Verdoppler-Kristall 5 handelt es sich um einen nichtlinearen Kristall, beispiels weise aus Kaliumtitanylphosphat (KTiOPO4) oder ein Betabariumborat (BBO- BaB2O4). Das eingesetzte Festkörpermedium Nd:YVO4 ist ein doppel-brechendes La sermedium.The doubler crystal 5 is a non-linear crystal, for example of potassium titanyl phosphate (KTiOPO 4 ) or a beta barium borate (BBO-BaB 2 O 4 ). The solid-state medium used Nd: YVO 4 is a birefringent laser medium.
Wie die Fig. 3 zeigt, wird in den Verdoppler-Kristall 5 ein Laserstrahl
mit Frequenz ω eingestrahlt. Innerhalb des Verdoppler-
Kristalls 5 wird durch die Nichtlinearität des Verdopplers der Laserstrahl mit der doppelten
Frequenz (2ω) (die zweite Harmonische) erzeugt. In dem Fall der Phasenanpassung, wie
sie in Fig. 1 eingesetzt wird, stehen die Polarisation der Grundwelle (ω) und der zweiten
Harmonischen (2ω) senkrecht zueinander. Diese Tatsache wird in Verbindung mit dem
doppel-brechenden Lasermedium (Festkörper 1) zur Auskopplung der zweiten harmoni
schen Welle (Frequenz 2ω) genutzt. Der stimulierte Emissionsquerschnitt der π-
Polarisation (das E-Feld verläuft parallel zu der c-Kristallachse) ist wesentlich größer als
die σ-Polarisation (das E-Feld steht senkrecht auf der c-Kristallachse). Unter dieser Vor
aussetzung schwingt der Laser mit der π-Polarisation an. Die zweite Harmonische (Fre
quenz 2ω) besitzt, unter der Voraussetzung, daß die Polarisation der Grundwelle und der
zweiten harmonischen Welle senkrecht zueinander verlaufen, die σ-Polarisation (E-Feld)
senkrecht zu der c-Achse. Da bei dem Festkörpermaterial Nd:YVO4 der Brechungsindex nπ
in Bezug auf die π-Polarisation größer als der Brechungsindex nσ für die σ-Polarisation
ist, gilt für den Totalreflexionswinkel an der unvergüteten, ersten Stirnfläche 2: απ =
sin-1 (1/nπ) < ασ = sin-1 (1/nσ)
wobei
απ(ω): Totalreflexionswinkel der Polarisation an der Stirnfläche
α: Einfallswinkel der Grundwelle an der Stirnfläche
ασ(2ω): Totalreflexionswinkel der σ-PolarisationAs shown in FIG. 3, a laser beam with frequency ω is irradiated into the doubler crystal 5 . Within the doubler crystal 5 , the non-linearity of the doubler generates the laser beam with twice the frequency (2ω) (the second harmonic). In the case of phase matching, as used in FIG. 1, the polarization of the fundamental wave (ω) and the second harmonic (2ω) are perpendicular to one another. This fact is used in conjunction with the birefringent laser medium (solid body 1 ) to decouple the second harmonic wave (frequency 2ω). The stimulated emission cross section of the π polarization (the E field runs parallel to the c crystal axis) is significantly larger than the σ polarization (the E field is perpendicular to the c crystal axis). Under this condition, the laser swings with the π polarization. The second harmonic (Fre quenz 2ω) has, provided that the polarization of the fundamental wave and the second harmonic wave are perpendicular to each other, the σ polarization (E field) perpendicular to the c-axis. Since with the solid material Nd: YVO 4 the refractive index n π with respect to the π polarization is greater than the refractive index n σ for the σ polarization, the following applies to the total reflection angle at the unrefined, first end face 2 : α π = sin -1 (1 / n π ) <α σ = sin - 1 (1 / n σ )
in which
α π (ω): total reflection angle of the polarization on the end face
α: angle of incidence of the fundamental wave on the end face
α σ (2ω): total reflection angle of the σ polarization
Wenn der Einfallswinkel α so gewählt wird, daß απ(ω) < α < ασ(2ω) erfüllt ist, tritt die To talreflexion für die fundamentale Welle mit der π-Polarisation ein, während die zweite Harmonische mit der σ-Polarisation aus dem Resonator, der zwischen der dritten Stirnflä che 4 und der Endfläche 7 festgelegt ist, ausgekoppelt wird, wie dies durch den Strahl 8 in Fig. 3 angedeutet ist.If the angle of incidence α is chosen so that α π (ω) <α <α σ (2ω) is satisfied, the total reflection occurs for the fundamental wave with the π polarization, while the second harmonic with the σ polarization the resonator, which is defined between the third end face 4 and the end face 7 , is coupled out, as indicated by the beam 8 in FIG. 3.
Mit dem vorstehend angegebenen Aufbau ist eine einfache Festkörperlaseranordnung gegeben, bei der die zweite Harmonische, mit einer Frequenz von 2ω aus dem Resonator ausgekoppelt und genutzt werden kann.With the structure given above is a simple solid-state laser arrangement given the second harmonic, with a frequency of 2ω from the resonator can be uncoupled and used.
Der Aufbau der Festkörperlaseranordnung, wie er in der Fig. 4 dargestellt ist, entspricht im wesentlichen dem Aufbau nach der Fig. 3. Allerdings ist in diesem Fall die Eintrittsflä che 6 optisch direkt mit der zweiten Stirnfläche 3 des Festkörpers 1, beispielsweise durch Ansprengen, kontaktiert. Auf diese Weise kann die Antireflexionsvergütung der beiden Grenzflächen, d. h. der zweiten Stirnfläche 3 des Festkörpers 1 und der Eintrittsfläche 6 des Verdoppler-Kristalls 5, verzichtet werden, und der Aufbau der Fig. 3 kann noch kom pakter gestaltet werden unter Verringerung der Verluste, der an den beiden Grenzflächen der Ausführungsform der Fig. 3 entstehen.The structure of the solid-state laser arrangement, as shown in FIG. 4, corresponds essentially to the structure according to FIG. 3. However, in this case the entry surface 6 is optically directly with the second end face 3 of the solid body 1 , for example by wringing, contacted. In this way, the antireflection coating of the two interfaces, ie the second end face 3 of the solid body 1 and the entry surface 6 of the doubler crystal 5 , can be dispensed with, and the structure of FIG. 3 can be made even more compact while reducing the losses arise at the two interfaces of the embodiment of FIG. 3.
Für selbstfrequenzverdoppelnde Kristalle werden das Lasermedium 1 und der Frequenz- Verdoppler 5 vereint. In diesem Fall ist der Resonatorverlust minimal.For self-frequency doubling crystals, the laser medium 1 and the frequency doubler 5 are combined. In this case the loss of the resonator is minimal.
Es sollte an dieser Stelle angemerkt werden, daß in den einzelnen Figuren die Punkte, die mit Abstand von einem Kreis umgeben sind, Pfeile darstellen, die sich senkrecht zu der Papierebene und aus dieser heraus erstrecken und die eine π-Polarisation bzw. s- Polarisation bedeuten, während die Pfeile in der Papierebene, die sich jeweils senkrecht zu den Strahlungslinien erstrecken, die E-Polarisation darstellen, die parallel zu der Pa pierebene steht (σ-Polarisation bzw. p-Polarisation).It should be noted at this point that in the individual figures the points that surrounded by a circle, represent arrows that are perpendicular to the Paper plane and extend out of this and the π polarization or s Polarization mean while the arrows in the paper plane are each perpendicular extend to the radiation lines that represent E-polarization that are parallel to the Pa pier plane (σ polarization or p polarization).
Wie bereits vorstehend erwähnt ist, wird der Festkörper 1 vorzugsweise longitudinal mit tels Diodenlaserstrahlung 8 gepumpt, wie dies beispielsweise durch den Pfeil 9 angedeu tet ist, und zwar in dem Fall der Fig. 3 über die dritte Stirnfläche 4.As already mentioned above, the solid body 1 is preferably pumped longitudinally by means of diode laser radiation 8 , as is indicated, for example, by the arrow 9 , in the case of FIG. 3 via the third end face 4 .
Während anhand der Fig. 3 und 4 Anordnungen erläutert wurden, mit denen die Fre quenz der Grundwelle (ω) verdoppelt wurde (2ω), ist in Fig. 1 eine Anordnung schema tisch dargestellt, mit der eine resonatorinterne Summen-Frequenz-Erzeugung erreicht werden kann, und zwar wiederum unter Einsatz des grundsätzlichen Aufbaus des pris menförmigen Festkörpers und eines Summenbildungs-Kristalls, in der Ausführungsform der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet. Der prismenförmige Festkörper be steht beispielsweise aus einem Nd:YVO4-Kristall, das mit der Frequenz ω1 schwingt. Die Orientierungen der Polarisation und der Kristallachse ergibt sich aus den in Fig. 1 angegebenen Pfeilen in analoger Weise zu den früher beschriebenen Ausführungsformen. In dem dargestellten Beispiel besitzt das Laserfeld die Polarisation, die senkrecht zur Pa pierebene steht. Der Festkörper wird wiederum über eine Stirnfläche, und zwar in diesem Fall über die obere Stirnfläche 2, gepumpt. Mit der unteren, zweiten Stirnfläche 3 ist, ent sprechend der Ausführung der Fig. 4, der Summenfrequenzbildungs-Kristall 25 unmittel bar mit der Stirnfläche 6 optisch kontaktiert. Ein weiterer Festkörperlaser, der vorzugswei se mit Diodenlaserstrahlung gepumpt wird, der mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet ist, schwingt mit einer zweiten Frequenz (ω2) und ist p-polarisiert (parallel polarisiert). Die in Strahlrichtung des Festkörperlasers 22 gesehen hintere Endfläche 26 ist für ω2 hoch re flektierend und für die Pumpfrequenz ωp hoch transmissiv ausgebildet, während die vordere Auskoppelfläche 27 für ω2 antireflektierend ausgebildet ist. Die Strahlung 23 (ω2) des Festkörperlasers 22 wird über die Stirnfläche 2 des prismenförmigen Festkör perlasers 21 eingestrahlt. Da der Einfallswinkel in Bezug auf die Stirnfläche 2 nur wenige Grade von dem Brewster-Winkel abweicht, zeichnet sich dieser Aufbau durch geringe Verluste aus. Der eingesetzte Summenfrequenzbildungs-Kristall 25 besitzt eine Endfläche 7, die für die Grundwelle (ω1), mit der der Festkörperlaser 21 schwingt, und für die zweite Grundwelle (ω2), mit der der Festkörperlaser 22 abstrahlt, sowie für die Summenfrequenz ω1 + ω2, hochreflektierend ausgebildet ist. Wie in der Figur zu sehen ist, sind die beiden Festkörperlaser so angeordnet, daß die beiden Grundwellen (ω1 + ω2) eine gemeinsame Resonatorstrecke zwischen der Endfläche 7 des Summenbildungs-Kristalls 25 und der ersten Stirnfläche 2 bilden. Mit dem Summenfrequenzbildungs-Kristall 25 wird die Sum men-Frequenz (ω1 + ω2) innerhalb der gemeinsamen Resonatorstrecke erzeugt. Die dritte Stirnfläche 4 ist für die Grundwelle mit der Frequenz ω1 hoch reflektierend ausgebildet, während sie hoch transmissiv für die Welle mit der Summen-Frequenz ω1 + ω2 besitzt, so daß über die dritte Stirnfläche 4 Strahlung mit der Summen-Frequenz ω1 + ω2 ausge blendet wird. Mit einer solchen Anordnung kann zum Beispiel Ausgangsstrahlung 28 mit roter Farbe erzeugt werden, indem der prismenförmige Festkörperlaser 21 mit einer Wel lenlänge λ1 = 1123 nm und der Festkörperlaser 22 mit einer Wellenlänge λ2 = 1342 nm schwingt, woraus sich λ = 611 nm ergibt.While arrangements with which the frequency of the fundamental wave (ω) was doubled (2ω) were explained with reference to FIGS . 3 and 4, an arrangement is schematically shown in FIG. 1, with which a sum-frequency generation within the resonator is achieved can, again using the basic structure of the prism-shaped solid and a sum-forming crystal, in the embodiment of FIG. 1 with the reference numeral 25 . The prismatic solid body consists, for example, of an Nd: YVO 4 crystal that vibrates at the frequency ω 1 . The orientations of the polarization and the crystal axis result from the arrows shown in FIG. 1 in an analogous manner to the previously described embodiments. In the example shown, the laser field has the polarization that is perpendicular to the paper plane. The solid body is in turn pumped over an end face, in this case over the upper end face 2 . With the lower, second end face 3 is accordingly the embodiment of FIG. 4, the sum frequency formation crystal 25 immediately contacted with the end face 6 bar. Another solid-state laser, which is preferably pumped with diode laser radiation, which is designated by the reference symbol 22 , oscillates at a second frequency (ω 2 ) and is p-polarized (parallel polarized). The rear end surface 26 seen in the beam direction of the solid-state laser 22 is highly reflective for ω 2 and highly transmissive for the pump frequency ω p , while the front coupling-out surface 27 is designed for ω 2 to be anti-reflective. The radiation 23 (ω 2 ) of the solid-state laser 22 is radiated via the end face 2 of the prismatic solid-state laser 21 . Since the angle of incidence with respect to the end face 2 deviates only a few degrees from the Brewster angle, this structure is distinguished by low losses. The sum frequency formation crystal 25 used has an end surface 7 which for the fundamental wave (ω 1 ) with which the solid-state laser 21 vibrates and for the second fundamental wave (ω 2 ) with which the solid-state laser 22 emits, and for the sum frequency ω 1 + ω 2 , is highly reflective. As can be seen in the figure, the two solid-state lasers are arranged such that the two fundamental waves (ω 1 + ω 2 ) form a common resonator path between the end face 7 of the summation crystal 25 and the first end face 2 . With the sum frequency formation crystal 25 , the sum men frequency (ω 1 + ω 2 ) is generated within the common resonator path. The third end face 4 is designed to be highly reflective for the fundamental wave with the frequency ω 1 , while being highly transmissive for the wave with the sum frequency ω 1 + ω 2 , so that radiation with the sum frequency ω via the third end face 4 1 + ω 2 is hidden. With such an arrangement, for example, output radiation 28 can be generated with a red color by the prismatic solid-state laser 21 oscillating with a wavelength λ 1 = 1123 nm and the solid-state laser 22 oscillating with a wavelength λ 2 = 1342 nm, which results in λ = 611 nm .
Ein mit der Ausführungsform der Fig. 1 ähnlicher Aufbau kann zu der erläuterten Sum men-Frequenz-Erzeugung verwendet werden, indem ein negatives, uniaxiales Festkörper- Laserprisma 21 verwendet wird.A structure similar to the embodiment of FIG. 1 can be used for the explained sum frequency generation by using a negative, uniaxial solid-state laser prism 21 .
Eine weitere Ausführungsform der Festkörperlaseranordnung, basierend auf dem erfin dungsgemäßen Prinzip, ist in Fig. 2 dargestellt. Der prismenförmige Festkörper 31 sowie der Verdoppler-Kristall 35 sind in ihrem grundsätzlichen Aufbau mit dem Festkörper 1 und dem Verdoppler-Kristall 5 der Fig. 4 vergleichbar. Zusätzlich ist ein zweiter Verdoppler- Kristall 36 für die zweite harmonische Welle (2ω) vorgesehen. Der Nd:YVO4-Kristall wird so angeordnet, daß für die Grundwelle (ω) an der Stirnfläche 2 eine Faltung erfolgt. Die c- Achse des prismenförmigen Festkörperlasers 31 steht parallel zur Faltungsebene. Die Polarisation verläuft parallel zu der c-Kristallachse und steht senkrecht zu der Papierebe ne. Der Nd:YVO4-Kristall wird mit einem Diodenlaser von der dritten Stirnfläche 4 ge pumpt, wie wiederum durch den Strahl 8 angedeutet ist. Die emittierte Grundwelle (ω) wird an der ersten Stirnfläche 2 total reflektiert und zu dem ersten Verdoppler-Kristall 35 hin gerichtet, wo die Frequenz verdoppelt wird (2ω). Die Endfläche 7 des ersten Verdoppler- Kristalls ist wiederum hoch reflektierend für die Grundwelle (ω) und die zweite Harmoni sche (2ω) ausgebildet. An der ersten Stirnfläche 2 ist die Totalreflexion nicht für die zweite Harmonische (2ω) erfüllt und der Einfallswinkel gleicht etwa dem Brewster-Winkel der zweiten Harmonischen, so daß ein Strahl 37 mit der Frequenz 2ω ausgekoppelt wird, der über einen dichroitischen Strahlteiler 38 in den zweiten Verdoppler-Kristall 36 eintritt. Dieser zweite Verdoppler-Kristall 36 ist für eine Frequenzverdopplung der zweiten Harmonischen (2ω) ausgelegt. Die Endfläche 39 ist hoch reflektierend sowohl für die zweite harmonische (2ω) als auch die vierte Harmonische (4ω). Die vierte Harmonische (4ω), die resonatorin tern in dem zweiten Verdoppler-Kristall 36 erzeugt wird, tritt aus der Austrittsfläche 40 aus und wird an dem dichroitischen Strahlteiler 38 ausgekoppelt, wie durch den Strahl 41 an gedeutet.A further embodiment of the solid-state laser arrangement, based on the principle according to the invention, is shown in FIG. 2. The basic structure of the prism-shaped solid 31 and the doubler crystal 35 are comparable with the solid body 1 and the doubler crystal 5 of FIG. 4. In addition, a second doubler crystal 36 is provided for the second harmonic wave (2ω). The Nd: YVO 4 crystal is arranged in such a way that a folding takes place on the end face 2 for the fundamental wave (ω). The c-axis of the prism-shaped solid-state laser 31 is parallel to the folding plane. The polarization runs parallel to the c-crystal axis and is perpendicular to the paper plane. The Nd: YVO 4 crystal is pumped with a diode laser from the third end face 4 , as is again indicated by the beam 8 . The emitted fundamental wave (ω) is totally reflected on the first end face 2 and directed towards the first doubler crystal 35 , where the frequency is doubled (2ω). The end face 7 of the first doubler crystal is again highly reflective for the fundamental wave (ω) and the second harmonic cal (2ω). At the first end face 2 , the total reflection is not fulfilled for the second harmonic (2ω) and the angle of incidence is approximately the same as the Brewster angle of the second harmonic, so that a beam 37 with the frequency 2 ω is coupled out, which is transmitted via a dichroic beam splitter 38 in the second doubler crystal 36 enters. This second doubler crystal 36 is designed for frequency doubling of the second harmonic (2ω). The end surface 39 is highly reflective for both the second harmonic (2ω) and the fourth harmonic (4ω). The fourth harmonic (4ω), which is generated internally in the second doubler crystal 36 , emerges from the exit surface 40 and is coupled out at the dichroic beam splitter 38 , as indicated by the beam 41 .
Basierend auf den verschiedenen Möglichkeiten, die anhand der verschiedenen, beispiel haften Ausführungsformen vorstehend erläutert wurden, können, basierend auf Grund wellen, verschiedene Wellenlängen einer nutzbaren Strahlung unter Erzeugung einer Fre quenzverdopplung und/oder einer Summen-Frequenzbildung erhalten werden. Neben ei nem kompakten Aufbau werden sehr geringe Resonatorverluste erzielt bzw. es kann eine hohe Konversionseffizienz erreicht werden.Based on the different options based on the different, example liable embodiments have been explained above, based on waves, different wavelengths of usable radiation producing a Fre frequency doubling and / or a sum frequency formation can be obtained. In addition to egg nem compact construction very low resonator losses can be achieved or it can high conversion efficiency can be achieved.
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