DE19536880B4

DE19536880B4 - Laseranordnung zur Skalierung von frequenzverdoppelten Lasern

Info

Publication number: DE19536880B4
Application number: DE19536880A
Authority: DE
Inventors: Keming Dr. Du; Peter Dr. Loosen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2015-10-05
Also published as: DE19536880A1

Abstract

Laseranordnung mit mindestens zwei einzelnen, nicht optisch gekoppelten Laseroszillatoren, wobei die Grundwellenstrahlung der jeweiligen Laseroszillatoren durch mindestens einen nichtlinearen Kristall in der Frequenz verdoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseroszillatoren unabhängig voneinander oszillieren, dass in den Strahlengang der Laseroszillatoren mindestens eine etalonförmige Komponente (8), die dichroitisch beschichtet ist, angeordnet ist, wobei die Strahleneintrittsfläche (7) der Komponente (8) derart beschichtet ist, daß sie für die Grundwelle (ω) hochreflektierend ist und für die zweite Harmonische (2ω) hochtransmittierend ist, und wobei die der Strahleneintrittsfläche (7) gegenüberliegende Fläche (9) für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist, und daß die Komponente (8) so dimensioniert und zu der Strahlung der Laseroszillatoren angeordnet ist, daß die zweite Harmonische (2ω) nach Reflexion an der Fläche (9) aus der Komponenten (8) mit einem Versatz austritt, der dem Abstand zwischen den Strahlengängen der benachbarten Laseroszillatoren entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit mindestens zwei einzelnen Laseroszillatoren, wobei die Laserstrahlung der Oszillatoren mittels optischer Komponenten gebündelt wird.
Der Einsatz von Laseranordnungen und Laserstrahlquellen in Bezug auf die unterschiedlichsten Anwendungen erfordert zum einen eine Skalierung der Laserleistung, zum anderen eine Anpassung der Frequenz gemäß den Spezifikationen.
In Bezug auf die Laserskalierung der Laseranordnung zu höheren Leistungen hin ist zu beachten, daß eine hohe Strahlqualität beibehalten wird. Es besteht zum einen die Möglichkeit, die Laserleistung durch Skalierung des Oszillatorvolumens vorzunehmen. Eine Randbedingung, die hierbei beachtet werden muß, ist die Relation zwischen den axialen Dimensionen (Resonatorlänge) und der radialen Dimensionen, die, um eine hohe Strahlqualität zu erzielen, derart in Relation stehen müssen, daß die Fresnel-Zahl des Oszillators nicht wesentlich größer als 1 wird. Werden diese Randbedingungen nicht erfüllt, so wird dadurch die Strahlqualität von Hochleistungslasern erheblich beeinträchtigt. Eine andere Maßnahme, um die Laserstrahlleistung zu skalieren, ist der Einsatz von Oszillator-Verstärkern. Diese Verstärker werden dazu verwendet, die Strahlung eines Laseroszillators mit geringer Leistung und hoher Strahlqualität zu einer hohen Leistung zu verstärken. Dieses Vorgehen besitzt jedoch seine Grenzen insbesondere in Verbindung mit kontinuierlich betriebenen Lasern. Schließlich werden, um eine Laserstrahlquelle zu skalieren, Laser- Arrays bzw. -Feldanordnungen aufgebaut. In solchen Arrays werden mehrere Laseroszillatoren räumlich nebeneinander angeordnet und parallel betrieben. Die Leistung der einzelnen Laseroszillatoren summiert sich zu einer Gesamtlaserleistung eines solchen Laser-Arrays. Ein Problem, das einem solchen Laser-Array anhaftet, ist die kohärente Kopplung der Oszillatoren miteinander. Um die Strahlen der Einzelstrahlquellen des Arrays in einem gemeinsamen Fokussierungspunkt zu bündeln, müssen entsprechende optische Maßnahmen zur Strahlführung vorgenommen werden. Weiterhin führen Abbildungsfehler bei freier Ausbreitung der Strahlung der Laseroszillatoren zu Verlusten, was sich wiederum durch einen geringen Wirkungsgrad auswirkt. Um darüber hinaus die Frequenz der Laseroszillatoren zu konvertieren und sie so den bestimmten Anwendungsgebieten und den Spezifikationen anzupassen, müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, die die vorstehend kurz erläuterte Problematik der Leistungsskalierung von Laseranordnungen noch komplizierter gestaltet.

Eine Laseranordnung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche ist aus der DE-AS 1 292 270 bekannt. Darin ist ein optischer Sender oder Verstärker mit einer Vielzahl gekoppelter, stimulierbarer Medien, die mit zum Teil verschiedenen und mehreren Aktivatoren dotiert sind, beschrieben. Hierbei ist ein Kristallsystem aus einzelnen anisotropen, zum Teil doppelbrechenden stimulierbaren Kristallteilen in geschichteter Anordung zu einem gemeinsamen optischen System zusammengefasst, dessen Kristallteile durch ein gemeinsames, kohärentes, in ihnen selbst erzeugtes und/oder verstärktes Strahlungsfeld gekoppelt sind. Die Kristallteile sind durch äußere und/oder innere Grenzschichten, welche mindestens teilweise mit teiltransparenten, metallischen bzw. dielektrischen Filmen von unterschiedlicher Durchlässigkeit und Reflexion überzogen sind, in Bezug auf ihre optischen Eigenschaften in einem gemeinsamen Spektralbereich des kohärenten Strahlungsfeldes gemeinsam resonanzfähig. Die einzelnen Kristallteile sind derart gestaltet und zueinander räumlich angeordnet, daß der resultierende, mindestens teilweise verzweigte, optische Strahlengang des gemeinsamen kohärenten Strahlungsfeldes so verläuft, daß der jeweils aus einem bestimmten Kristallteil zum Gesamtfeld beigesteuerte Strahlungsanteil den Strahlungsanteil eines in Resonanz befindlichen anderen Kristallteils kohärent optisch so beeinflußt, daß in Bezug auf bestimmte optische Eigenschaften Selektion und/oder Verstärkung erfolgt. Zumindest in bestimmten Kristallteilen sind die optischen Eigenschaften, wie z.B. nichtlineare Dispersion und nichtlineare Kopplungseffekte, durch den Strahlungsanteil aus anderen Kristallteilen beeinflußbar.

Ausgehend von der vorstehend geschilderten Problematik und den nach dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung anzugeben, bei der die Leistung von mindestens zwei einzelnen Laseroszillatoren skaliert und die Frequenz geändert werden kann, und zwar mit einfachem optischen Aufbau unter Erzielung einer hohen Strahlqualität.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Laseranordnung mit mindestens zwei einzelnen Oszillatoren, durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Um die Anordnung weiterhin in Bezug auf die Anzahl der erforderlichen Komponenten zu vereinfachen, wird in einer Ausführungsform die dichroitische Komponente so ausgebildet, daß sie auch die Funktion des frequenzverdoppelnden Kristalls übernimmt. Aus dem gleichen Grund der Reduzierung der Anzahl der einzelnen Bauteile und damit der Vereinfachung des Aufbaus wird den Laseroszillatoren ein gemeinsamer, nichtlinearer Kristall zugeordnet, in den die Grundwellenstrahlung der jeweiligen Oszillatoren eingestrahlt wird.

Die einzelnen Laseroszillatoren werden derart angeordnet, daß die Achsen deren Strahlung parallel zueinander verlaufen, wobei ein nichtlinearer Kristall eingesetzt wird, der zwei parallele Flächen aufweist, die die Eintritts-, Austritts- und/oder Reflexionsflächen für die Strahlung bilden. Mit einem solchen Kristall werden zur Zusammenführung der Strahlung gleiche Versätze der jeweiligen benachbarten Strahlen zueinander erzielt, so daß sich eine einfache Geometrie ergibt.

Um hohe Stabilitäten zu erzielen, können die einzelnen Laseroszillatoren als Ringresonatoren aufgebaut werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, in den einzelnen Faltungsstrecken der Laseroszillatoren zum einen die aktiven Medien zu positionieren oder auch aufzuteilen, zum anderen besteht die Möglichkeit, in die einzelnen Faltungsstrecken den nichtlinearen Kristall und die dichroitische Komponente einzubauen. Ein weiterer, bevorzugter Aufbau kann dann erzielt werden, wenn dem Kristall in den Ringresonatoren eine die Strahlung umlenkende Funktion zugeordnet wird. Hierbei sollte der Kristall eine Eintritts- und eine Reflexionsfläche aufweisen, wobei die Eintrittsfläche für die Grundwelle (ω) antireflektierend beschichtet ist und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend beschichtet ist und wobei die Reflexionsfläche für die Grundwelle (ω) und die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist. Mit einer solchen Beschichtung wird erreicht, daß die jeweiligen Grundwellen (ω) an der Reflexionsfläche reflektiert bzw. zu dem nächsten Element des Ringresonators umgelenkt werden, während die zweite Harmonische (2ω) an den gegenüberliegenden Flächen reflektiert und mit einem Versatz zu dem Eintrittsstrahl aus der ersten Fläche wieder austritt. Der Versatz wird dann so gewählt, daß sich die zweite Harmonische (2ω) mit der zweiten Harmonischen (2ω) des benachbarten Oszillators überlagert.

Innerhalb der Eintrittsfläche oder der Reflexionsfläche des nichtlinearen Kristalls wird eine Auskoppelfläche für die zweite Harmonische (2ω) vorgesehen, um diesen Strahlungsanteil aus dem nichtlinearen Kristall nach Zusammenführung sämtlicher Einzeloszillatoren als Ausgangsstrahl auszukoppeln.

Der Aufbau der Laseranordnung, wie er vorstehend angegeben ist, ist insbesondere in Bezug auf Festkörperlaser bevorzugt, darüberhinaus für solche Festkörperlaser, die mittels Diodenlaserstrahlung longitudinal gepumpt werden. In Verbindung mit Festkörperlasern besteht die Möglichkeit, die einzelnen Festkörpermedien der einzelnen Laseroszillatoren voneinander zu trennen; bevorzugt ist allerdings eine Ausgestaltung, bei der den Laseroszillatoren ein gemeinsames Festköpermedium zugeordnet wird, so daß für eine solche Laseranordnung aus Festkörperlasern ein minimales Volumen für das aktive Medium in Anspruch genommen wird. Darüberhinaus ergibt sich ein kompakter Aufbau in Bezug auf Festkörperlaser mit Ringresonatoren dann, wenn das Festkörpermedium als Prisma ausgebildet ist, wobei mindestens zwei Flächen Reflexionsflächen des Ringresonators bilden. Alternativ kann das Festkörpermedium als Etalon ausgebildet werden, wobei eine Fläche eine antireflektierende Beschichtung für die Grundwelle (ω) aufweist und die andere Fläche eine hochreflektierende Beschichtung für die Grundwelle (ω) aufweist. Mit diesem Aufbau wird in dem Festkörpermedium selbst, als Etalon ausgebildet, eine Zusammenführung der jeweiligen Resonatorstrahlung erzielt, wobei die hochreflektierende Beschichtung für die Grundwelle (ω) des Festkörpermediums in dieser Anordnung gleichzeitig im Rahmen eines Ringresonators als Faltungselement eingesetzt wird.

Falls die thermische Belastung des Festkörpermediums zu hoch wird, gerade im Hinblick auf eine Skalierung des Lasers zu relativ hohen Leistungen, sollte allerdings jedem Laseroszillator ein separates Festkörpermedium zugeordnet werden.

Während vorstehend bevorzugte Aufbauten der Laseranordnung in Form von Ringresonatoren angegeben sind, ist, basierend auf dem erfindungsgemäßen Prinzip, auch der Aufbau einer Laseranordnung mit parallel zueinander angeordneten Laseroszillatoren möglich.

Die Laseranordnung in Form von einzelnen Ringresonatoren unter Zusammenführung der jeweiligen Strahlung der Einzeloszillatoren mittels einer optischen, dichroitischen Komponenten derart, daß sie koaxial überlagert werden, ist immer dann zu bevorzugen, wenn Stabilität und ein Monomode-Betrieb erforderlich ist.

Der Aufbau der Laseranordnung derart, daß die Laseroszillatoren jeweils einen linearen Resonator bilden, deren Strahlung mittels einer optischen, dichroitischen Komponenten sich koaxial überlagernd zusammengeführt wird, unter Verdopplung der Grundwellenstrahlung des jeweiligen Oszillators durch einen nichtlinearen Kristall, ist dann zu bevorzugen, wenn eine flexible Gestaltung der Laseranordnung und eine effektive Kühlung Vorrang hat.

Eine bevorzugte Ausführung in Bezug auf den linearen Aufbau ergibt sich dann, wenn der nichtlineare, die Grundwellenstrahlung jedes Oszillators verdoppelnde Kristall eine erste Fläche und eine gegenüberliegende zweite Fläche aufweist, die beide für die Grundwelle (ω) antireflektierend beschichtet sind und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend beschichtet sind, so daß die Grundwellenstrahlung (ω) jeweils von beiden Außenflächen des nichtlinearen Kristalls in diesen eintreten kann, während die zweite Harmonische (2ω) innerhalb des Kristalls durch Reflexionen und zu einem entsprechenden Auskoppelbereich, der für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend ausgebildet ist, geführt wird, um die zweite Harmonische (2ω) aus dem nichtlinearen Kristall auszukoppeln. Es wird verständlich werden, daß der lineare Kristall in den Strahlengang der einzelnen Laseroszillatoren so unter einem Einfallswinkel der Strahlung angeordnet wird, daß innerhalb des Kristalls die Strahlungsanteile gebrochen und so geführt werden, daß sich die verdoppelte Strahlung (zweite Harmonische (2ω)) der einzelnen Laseroszillatoren addiert und als zusammengeführte Gesamtstrahlung (2ω) aus dem nichtlinearen Verdoppler-Kristall ausgeblendet wird.

Aufgrund der mechanischen Komponenten, die zum Aufbau, und insbesondere zur Justage, der einzelnen Laseroszillatoren erforderlich sind, können die Abstände der Strahlungen benachbarter Oszillatoren eingangsseitig der dichroitischen Komponenten relativ groß sein. Um die Abmessungen der dichroitischen Komponenten gering zu halten, ist eine optische Anordnung von Vorteil, die eingangsseitig der dichroitischen Komponenten in den Strahlengang eingesetzt wird. Mit dieser optischen Anordnung wird, vorzugsweise über Reflexionsflächen, der Abstand der Strahlen der einzelnen Laseroszillatoren in gewünschter Weise angenähert. Für einen einfachen Aufbau sind treppenstufenartige Spiegelelemente von Vorteil, die mindestens einmal den Strahl umlenken und somit die Strahlen zueinander annähern. Außerdem kann mit solchen treppenstufenartigen Elementen durch geeignete Neigung der Reflexionsflächen auch eine nicht gegebene Parallelität der Strahlung der einzelnen Laseroszillatoren erreicht werden.

In der Zeichnung zeigen
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laseranordnung mit drei einzelnen Laseroszillatoren mit Ringresonator unter Einsatz eines Etalons zur Zusammenführung bzw. koaxialen Überlagerung der zweiten Harmonischen,
2 eine Laseranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform, ähnlich der 1, wobei das Etalon gleichzeitig die Funktion eines Verdoppler-Kristalls übernimmt,
3 eine dritte Ausführungsform mit einem gegenüber 2 zusätzlichen Etalon, das mittels Diodenlaser gepumpt wird und als aktives Medium wirkt,
4 eine gegenüber 3 geänderte, vierte Ausführungsform, bei der anstelle des etalonförmigen, aktiven Mediums der 3 ein prismenförmiges, aktives Medium eingesetzt wird,
5 eine fünfte Ausführungsform mit einem viereckigen Prisma als Lasermedium,
6 und 7 eine siebte Ausführungsform einer Laseranordnung, die beispielhaft zwei lineare Resonatoren mit etalonförmigem Verdoppler zeigen, wobei die Ausführungsform 7 gegenüber der Ausführungsform der 6 zwei zusätzliche λ/4-Platten beidseitig des aktiven Mediums aufweist,
8 einen weiteren, linearen Resonator, bei dem der Verdoppler-Kristall, wie er in den 6 und 7 dargestellt ist, in einzelne Segmente unterteilt ist, wobei die Segmente zueinander versetzt sind,
9 ein einzelnes Segment des Verdopplers der 8, wobei die Austrittsfläche gekrümmt ist, und
10 schematisch einen Aufbau eines linearen Oszillators mit einer optischen Anordnung zur Strahlungsabstandsannäherung zweier benachbarter Laseroszillatoren.
Die 1 zeigt eine Anordnung aus drei einzelnen Laseroszillatoren 1 mit einem aktiven Medium 2, die mittels Diodenlaserstrahlung 3, durch Pfeile angedeutet, Iongitudinal gepumpt werden. Bei den aktiven Medien handelt es sich vorzugsweise um Festkörper, die, wie in der 1 angedeutet ist, zu einem gemeinsamen Festkörper zusammengefaßt werden können. Die einzelnen Laseroszillatoren 1 weisen einen Ringresonator auf mit drei Umlenkspiegeln 4, 5 und 6 sowie einer ersten Fläche 7 eines Etalons 8, das als dichroitische Komponente zur axialen Überlagerung der Strahlung der einzelnen Laseroszillatoren 1 dient. Die Umlenkspiegel 4, 5 und 6 sind jeweils für die Grundwelle (ω) sowie für die zweite Harmonische (2ω) hochtransparent beschichtet. Darüberhinaus ist der Umlenkspiegel 4 für die Pumpstrahlung (Grundwelle (ω)) hochtransparent bzw. antireflektierend. Das Etalon 8 ist an seiner ersten Fläche 7 für die Grundwelle (ω) hochreflektierend beschichtet, während die Beschichtung der ersten Fläche 7 für die zweite Harmonische (2ω) hochtransparent ist. Die gegenüberliegende, zweite, zu der ersten Fläche 7 parallele Fläche 9 des Etalons ist für die zweite Harmonische mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen. Die von den Lasermedien abgegebenen Grundwellen, durch die Diodenlaser-Pumpstrahlung angeregt, werden mittels eines nichtlinearen Verdoppler-Kristalls 10, der zwischen dem Umlenkspiegel 6 und dem Etalon 8 in den Strahlengang eingefügt ist, resonatorintern frequenzverdoppelt (zweite Harmonische 2ω). Aufgrund dieses Aufbaus ergeben sich drei Ringoszillatoren, die jeweils durch die Strahlenverläufe a₁-a₂-a₃-a₄-a₁, b₁-b₂-b₃-b₄-b₁ und c₁-c₂-c₃-c₄-c₁, für die Grundwelle gegeben sind. Die Buchstaben a, b, c sind den jeweiligen Oszillatoren zugeordnet, während die Indizes 1, 2, 3, 4 den jeweiligen Umlenkspiegeln 4, 5, 6 sowie dem Etalon 8 zugeordnet sind, wobei die Angaben die jeweiligen Umlenkpunkte an den jeweiligen Elementen für die Strahlung des jeweiligen Ringoszillators angeben. Die im Ringoszillator a₁...a₃...a₁ im Verdoppler-Kristall erzeugte zweite Harmonische (2ω) tritt an dem Punkt a₄ ausgangsseitig des Verdoppler-Kristalls 10 über die erste Fläche 7, für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend beschichtet, in das Etalon 8 ein und folgt dort dem Weg a₅-b₄, tritt aus der ersten Fläche 7 des Etalons 8 aus und nimmt den weiteren Weg b₁-b₂-b₃-b₄, tritt an der ersten Fläche 7 des Etalons 8 wieder in das Etalon ein, folgt dem Weg b₅-c₄ und dann entsprechend weiter dem Weg c₁-c₂-c₃-c₄-c₅-d₁ und wird dann an der Stelle d₁ ausgekoppelt und zu einem Umlenkspiegel 11, der für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist, hin geführt und an einem Punkt d₂ umgelenkt. Ähnlich verlaufen die in den weiteren zwei Ringoszillatoren 1 erzeugten zweiten Harmonischen (2ω) und werden an der Stelle d₁ aus dem Etalon 8 ausgekoppelt. Auf diese Weise werden die in den verschiedenen Ringoszillatoren erzeugten zweiten Harmonischen (2ω) mittels des Etalons zusammengeführt und derart ausgekoppelt, daß sich die zweiten Harmonischen (2ω) koaxial überlagern, so daß ein frequenzverdoppelter Ausgangsstrahl 12 erzeugt wird, dessen Leistung sich aus den Einzelleistungen der drei Ringoszillatoren additiv zusammensetzt. Es wird ersichtlich, daß die Leistung in Bezug auf die zweite Harmonische (2ω) dieser Laseranordnung durch die Anzahl der Ringoszillatoren in einfacher Weise skaliert werden kann. Um die Leistung zu erhöhen, werden weitere Ringoszillatoren der Anordnung hinzugefügt.
Soweit in den Figuren das Zeichen "ω" aufgeführt ist, so deutet dieses auf die Grundwelle (ω) hin, während das Zeichen "2ω" auf die zweite Harmonische (2ω) hinweist. Weiterhin bedeutet der Hinweis an Flächen "HRω" hochreflektierend für die Grundwelle (ω), "HR2ω" hochreflektierend für die zweite Harmonische (2ω) und "HTω" hochtransmittierend bzw. antireflektierend für die Grundwelle (ω) und "HTωp" hochtransmittierend für die Pumpstrahlung (ω).
Wie aus 1 ersichtlich wird, ist in die Ringoszillatoren zwischen den Umlenkspiegeln 5 und 6 ein Faraday-Rotator 13 für den unidirektionellen Betrieb eingefügt. Die Laseranordnung der ersten Ausführungsform, wie sie in der 1 dargestellt ist, kann dadurch vereinfacht werden, daß das in 2 mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnete Etalon aus einem nichtlinearen Material besteht und somit neben der Zusammenführung der Strahlung der einzelnen Laseroszillatoren 1 dazu dient, die Grundwellenstrahlung (ω) zu verdoppeln (2ω). In diesem Fall werden die Ringresonatoren a₁-a₂-a₃-a₄-a₅-a₆-a₁, b₁-b₂-b₃-b₄-b₅-b₆-b₁ und c₁-c₂-c₃-c₄-c₅-c₆-c₁ nebeneinander angeordnet. Innerhalb des als Etalon ausgebildeten Verdopplers 19 wird die zweite Harmonische (2ω) erzeugt. Die innerhalb des Oszillators a₁...a₄...a₁ generierte zweite Harmonische (2ω) wird innerhalb des Etalons 19 durch Mehrfachoszillation zu der Auskoppelstelle d geführt, die in dem dargestellten zweiten Ausführungs beispiel der 2 im Bereich der zweiten Fläche 8 vorgesehen ist, indem dieser Flächenbereich 14 für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend beschichtet ist. Ähnliches gilt für die von den beiden anderen Ringoszillatoren 1 erzeugten zweiten Harmonischen (2ω), die ebenfalls innerhalb des Verdoppler-Etalons 19 zu der Auskoppelstelle d geführt werden, so daß die jeweiligen Strahlungsanteile der drei Laseroszillatoren 1 zu einem gemeinsamen Ausgangsstrahl 12 koaxial überlagert werden. Somit setzt sich die Leistung dieses Ausgangsstrahls 12 aus den Einzelleistungen der Laseroszillatoren 3 additiv zusammen. Wie sich anhand des Aufbaus, wie er in 2 dargestellt ist, ergibt, läuft die zweite Harmonische (2ω) nicht durch das aktive Lasermedium 2. Aus diesem Grund müssen die Umlenkspiegel 4, 5 und 6 nur für die Grundwelle (ω) hochreflektierend beschichtet sein.
Soweit in 2 Bauteile mit den entsprechenden Bezugsziffern und Bezugszeichen bezeichnet sind, die auch bei der ersten Ausführungsform der 1 verwendet sind, können die entsprechenden Ausführungen, die in Bezug auf die 1 vorgenommen wurden, auf die zweite Ausführungsform der 2 übertragen werden. Entsprechendes gilt für die nachfolgend anhand der 3 bis 9 erläuterten Ausführungsformen.
In der dritten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, wird neben dem frequenzverdoppelnden Etalon 19 ein weiteres Etalon 22 eingesetzt, wobei das Etalon 19, das Etalon 22 sowie die Umlenkspiegel 5 und 6 den Resonator festlegen. Das weitere Etalon 22, das gleichzeitig das aktive Medium ist, wird mittels Diodenlaserstrahlung 3 über seine äußere Oberfläche 17, die für die Grundwelle (ω) hochreflektierend ist, gepumpt. Aufgrund der Pumpstrahlungen ergeben sich drei nebeneinanderstehende Ringoszillatoren mit den gezeigten Verläufen. Die zweite Harmonische (2ω) wird resonatorintern und innerhalb des Verdoppler-Etalons 19 erzeugt und zur Auskoppelstelle d (Flächenbereich 14) geführt. Sowohl das Verdoppler-Etalon 19 als auch das Festkörper-Etalon 22 führen die Strahlen jeweils zusammen. Wie anhand der 3 dargestellt ist, verbleibt die zweite Harmonische (2ω) bis zur Auskoppelstelle d nur innerhalb des Verdoppler-Etalons 19. Weiterhin hat der Aufbau gemäß der dritten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, den Vorteil, daß beispielsweise nur ein Festkörpermedium benötigt wird.
Eine vierte Ausführungsform ist in der 4 dargestellt, die als Abwandlung der dritten Ausführungsform gemäß 3 angesehen werden kann. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der 3 wird anstelle des etalonförmigen, aktiven Mediums 22 ein Laserprisma 32 als aktives Medium verwendet, das wiederum mittels drei Diodenlasern, durch die Strahlungspfeile 3 angedeutet, von der Außenseite gepumpt wird. Der Basisfläche 33 des Laserprismas 32 ist ein weiteres, für die Grundwellenstrahlung (ω) transparentes Strahlungsführungsprisma 34 zugeordnet, dessen in 4 rechts liegender Fläche ein Verdoppler-Etalon 19, vergleichbar mit dem Verdoppler-Etalon der 3, zugeordnet ist. Sowohl die Basisfläche 33 des Laserprismas 32 als auch die Basisfläche 35 des Strahlungsführungsprismas 34 sind für die Grundwellenstrahlung (ω) antireflektierend ausgebildet. Innerhalb des aktiven Mediums 32 und des Strahlungsführungsprismas 34 entstehen, angeregt durch die Diodenlaserstrahlung 3, drei Ringoszillatoren 1. Auch in diesem Fall wird an der innenliegenden, ersten Fläche 7 des Verdoppler-Etalons 19 die Grundwelle (ω) hindurchgelassen, die verdoppelt wird (zweite Harmonische (2ω)), wobei dann aufgrund der hochreflektierenden Beschichtung der ersten Fläche 7 und der zweiten Fläche 8 des Etalons 19 die zweite Harmonische (2ω) zu dem für die zweite Harmonische transparenten Flächenbereich 14 geführt wird. Dieser Aufbau besitzt den besonderen Vorteil, daß die extrem hohe Reflektivität der internen Totalreflexion genutzt werden kann.
Eine fünfte Ausführungsform zeigt die 5, bei der das aktive Lasermedium in Form eines viereckigen Prismas 42 gebildet ist. Das aktive Medium 42 wird durch die Strahlung 3 von drei Diodenlasern angeregt, so daß drei nebeneinanderliegende Oszillatoren (Grundwelle (ω)) mit linearen Ringresonatoren entstehen. Drei der Flächen des viereckigen Prismas 42 sind hochreflektierend für die Grundwelle (ω) ausgebildet, während die in 5 untere, rechte Stirnfläche, vergleichbar mit der entsprechenden Stirnfläche des Strahlungsführungsprismas 34 der 4, für die Grundwelle (ω) antireflektierend beschichtet ist. Dieser Stirnfläche ist ein Verdoppler-Etalon 19 zugeordnet, dessen erste Fläche 7 für die Grundwelle (ω) antireflek tierend beschichtet ist, während sie für die zweite Harmonische (2ω), ebenso wie die gegenüberliegende, parallel verlaufende zweite Fläche 9, hochreflektierend beschichtet ist. Die zweite Harmonische (2ω) wird an dem Flächenbereich 14 wiederum ausgekoppelt, so daß ein Ausgangsstrahl 12 gebildet wird, dessen Leistung sich aus der Leistung der drei einzelnen Laseroszillatoren 1 zusammensetzt. Im wesentlichen sind für diese Anordnung nur zwei Bauteile, neben dem Diodenlaser zum optischen Pumpen, in Form des aktiven Mediums 42 (Laserprisma) und des Verdoppler-Etalons 19 erforderlich. Für eine höhere Skalierung können weitere Oszillatoren mittels weiterer Diodenpumplaser erzeugt werden, deren Strahlung mittels des Verdoppler-Etalons 19 der Strahlung der drei in 5 gezeigten Laseroszillatoren 1 hinzugefügt wird.
Während die 1 bis 5 fünf Ausführungsformen mit Ringoszillatoren darstellen, zeigen die 6, 7 und 8 Aufbauten verschiedener linearer Oszillatoren, in denen der erfindungsgemäße Aufbau umgesetzt ist.
Die linearen Resonatoren, wie sie die 6, 7 und 8 zeigen, besitzen zwei Resonatorendspiegel 44, zwischen denen ein aktives Medium 52 angeordnet ist. Weiterhin ist zwischen dem aktiven Medium 52 und dem rechtsseitigen Resonatorendspiegel 44 ein Verdoppler-Etalon 48 in dem Strahlengang positioniert. Über den linken Resonatorendspiegel 44, der für die Grundwelle (ω) hochreflektierend ist, wird mittels Pumpstrahlen, bei denen es sich wiederum um Diodenlaserstrahlung 3 handelt, gepumpt. Das mittels der Pumpstrahlung 3 angeregte aktive Medium gibt drei Grundwellen (ω) ab, so daß drei lineare Oszillatoren 11 zwischen den Resonatorendspiegeln 44 nebeneinanderstehen. In dem Verdoppler-Etalon 48, das mit seiner ersten Fläche 7 und seiner zweiten Fläche 9 unter einem geeigneten Winkel zu der Grundwellenstrahlung (ω) positioniert ist, wird die zweite Harmonische (2ω) in den zwei Propagationsrichtungen, durch die jeweiligen Doppelpfeile innerhalb des Etalons 48 angedeutet, erzeugt. Das Verdoppler-Etalon 48 ist so ausgebildet, daß die von der links laufenden Grundwelle (ω) erzeugte zweite Harmonische (2ω) in die andere Propagationsrichtung reflektiert wird, so daß in der 6 im oberen Bereich des Etalons 48 der ersten Fläche 7 an dem Flächenbereich 14, der für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend ausgebildet ist, während die erste und die zweite Fläche 7 und 9 für die Grundwelle (ω) antireflektierend und für die zweite Harmonische hochreflektierend beschichtet sind, als Ausgangsstrahl 12 ausgekoppelt wird. Wiederum setzt sich die Leistung des Ausgangsstrahls 12 additiv aus den Leistungen der drei linearen Einzelresonatoren 21 zusammen. Da die zweite Harmonische (2ω) innerhalb des Verdoppler-Etalons 48 in zwei Richtungen erzeugt wird, ist es von Vorteil, die untere Stirnfläche 49 des Etalons 48 abzuschrägen und so zu der ersten und der zweiten Fläche 7, 9 zu orientieren, daß die zweite Harmonische (2ω), die zu dieser Fläche hin reflektiert wird, mit nur einer Reflexion zurückreflektiert wird, um sie zu dem Auskoppel-Flächenbereich 14 hin zu führen. Hierdurch können die Reflexionen und damit die Reflexionsverluste in diesem Bereich des Etalons 48 gering gehalten werden.
Es wird wiederum deutlich, daß durch einfache Hinzufügung weiterer linearer Oszillatoren 21 die Leistung der Laseranordnung, d.h. die Leistung des Ausgangsstrahls 12, der frequenzverdoppelt ist, nach oben skaliert werden kann.
Die siebte Ausführungsform, wie sie in 7 dargestellt ist, zeigt den grundsätzlichen Aufbau, wie er anhand der 6 beschrieben wurde. Zusätzlich zu der Ausführungsform der 6 ist beidseitig des aktiven Mediums 52 eine λ4-Platte 45 eingefügt. Durch diese λ/4-Platten 45 werden die Polarisationen der nach links und nach rechts laufenden Grundwellen (ω) so gelegt, daß die Polarisationen dieser gegenläufigen, nach links und nach rechts laufenden Grundwellen (ω) senkrecht zueinander stehen. Wenn nun der etalonförmige Verdoppler 48 phasenangepaßt und für die rechtslaufende Welle bestimmt ist, so wird die Phasenanpassungsbedingung für die linkslaufende Welle nicht erfüllt. Damit wird nur durch die rechtslaufende Grundwelle (ω) eine zweite Harmonische (2ω), aber nicht für die linkslaufende Grundwelle (ω), wie dies durch die jeweils in eine Richtung verlaufenden Pfeile innerhalb des Verdoppler-Etalons 48 der 7 angedeutet ist, erzeugt. Die erzeugte zweite Harmonische (2ω) der einzelnen Laseroszillatoren 21 wird mittels des Etalons 48, dessen erste Fläche 7 und zweite Fläche 9 wiederum für die Grundwelle (ω) antireflektierend, allerdings für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend, beschichtet sind, zusammengeführt und ein Ausgangsstrahl 12 (2ω) über den Flächenbereich 14 ausgekoppelt. Diese Ausführungsform mit sogenanntem "twisted mode" führt weiterhin zur Vermeidung des räumlichen, sogenannten "hole-burning", wodurch die Leistungsstabilität erhöht wird.
Anhand der Ausführungsformen der 1 bis 7 wurden Verdoppler-Kristalle gezeigt, bei denen es sich jeweils um ein einstückiges Etalon handelt. In der achten Ausführungsform nach der 8, die im wesentlichen einen linearen Resonator darstellt, wie er auch in der 7 gezeigt ist, ist jedem linearen Oszillator 21 ein jeweiliger Verdoppler-Kristall 50 zugeordnet. Jeder dieser Verdoppler-Kristalle 50 weist wiederum eine erste Fläche 7 und eine zweite Fläche 8 auf, die jeweils für die Grundwellenstrahlung (ω) antireflektierend und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend beschichtet sind. Durch geeignete Dimensionierung, Positionierung und Orientierung, wie dies schematisch in 8 dargestellt ist, werden die in den Verdoppler-Kristallen 50 erzeugten zweiten Harmonischen (2ω) geformt und an der zweiten Fläche 9 jeweils zu dem benachbarten Verdoppler-Kristall 50 hin reflektiert, wo sie aus der seitlichen Stirnfläche 53, die für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend beschichtet ist, austreten und in die entsprechende, seitliche Stirnfläche 54 des benachbarten Verdoppler-Kristalls 50, die ebenfalls für die zweite Harmonische antireflektierend beschichtet ist, eintreten, auf die entsprechende erste Fläche 7 auftreffen, von dort zu der zweiten Fläche 9 hin reflektiert werden und von dort wiederum zu der Stirnfläche 53 gerichtet werden, dort austreten und in den jeweils nächsten Verdoppler-Kristall 50 eintreten. Im Bereich des letzten Verdoppler-Kristalls 50, in 8 der obere Verdoppler-Kristall, wird dann der Ausgangsstrahl 12 über die Stirnfläche 53 ausgekoppelt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß gerade dann, wenn jedem Laseroszillator ein aktives Medium 52 zugeordnet wird, wie dies die 8 zeigt, so daß die einzelnen linearen Resonatoren 21 in einem größeren Abstand voneinander beabstandet sind, als dies beispielsweise bei der Ausführungsform der 7 der Fall ist, mittels der einzelnen Verdoppler-Kristalle 50 ein größerer Versatz zueinander erzeugt werden kann, um die Strahlungsanteile in Form der zweiten Harmonischen (2ω) der jeweiligen linearen Oszillatoren 21 additiv zusammenzuführen.
In der 9 ist ein einzelner Verdoppler-Kristall 50, wie er in der Anordnung der 8 eingesetzt ist, dargestellt, wobei, im Gegensatz zu der Darstellung der 8, die austrittsseitige Stirnfläche 53 gewölbt ist. Eine solche Maßnahme kann nicht nur an der Austrittsfläche 53, sondern auch an den jeweiligen Eintrittsflächen 54 von Vorteil sein, um die Kaustiken der in den jeweiligen Laseroszillatoren 21 erzeugten zweiten Harmonischen (2ω) aufeinander anzupassen. Der Einsatz der jedem linearen Oszillator 21 zugeordneten Verdoppler-Kristalle 50 kann in analoger Weise bei den in den Ausführungsformen der 1 bis 6 gezeigten und beschriebenen Ringoszillatoren eingesetzt werden.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung, insbesondere anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele, ergibt, sind mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen die Vorteile einer geringen thermischen Belastung der optischen Komponenten und der einfachen und quasi unbegrenzten Skalierbarkeit der Laseranordnungen in Bezug auf frequenzverdoppelte Strahlung gegeben.
Aufgrund mechanischer Aufbauten, die für die einzelnen Laseroszillatoren 1 bzw. die Feldanordnung erforderlich sind, können die Abstände sehr groß sein, wie dies schematisch in 10 mit dem Abstand "D" dargestellt ist. Um die Strahlen in ihrem Abstand näher zueinander zu bringen und das Etalon 48 in seinen Abmessungen auf akzeptablen Maßen halten zu können, wird eine optische Anordnung 60 eingesetzt, die aus einem ersten Umlenkelement 61 und einem zweiten Umlenkelement 62 aufgebaut ist, die jeweils treppenförmige Spiegelflächen 63 besitzen, die so abgestuft sind bzw. in unterschiedlichen Abständen zu den Laseroszillatoren 1 angeordnet sind, daß ausgangsseitig des zweiten Umlenkelements 62 der Abstand zwischen den zwei Strahlen, mit "d" bezeichnet, angenähert wird. Die zweifache Umlenkung kann so ausgelegt werden, daß gleiche Resonatorlängen der einzelnen Laserresonatoren bei gleichzeitiger Annäherung (oder Entfernung) erreicht werden.

Claims

Laseranordnung mit mindestens zwei einzelnen, nicht optisch gekoppelten Laseroszillatoren, wobei die Grundwellenstrahlung der jeweiligen Laseroszillatoren durch mindestens einen nichtlinearen Kristall in der Frequenz verdoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseroszillatoren unabhängig voneinander oszillieren, dass in den Strahlengang der Laseroszillatoren mindestens eine etalonförmige Komponente (8), die dichroitisch beschichtet ist, angeordnet ist, wobei die Strahleneintrittsfläche (7) der Komponente (8) derart beschichtet ist, daß sie für die Grundwelle (ω) hochreflektierend ist und für die zweite Harmonische (2ω) hochtransmittierend ist, und wobei die der Strahleneintrittsfläche (7) gegenüberliegende Fläche (9) für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist, und daß die Komponente (8) so dimensioniert und zu der Strahlung der Laseroszillatoren angeordnet ist, daß die zweite Harmonische (2ω) nach Reflexion an der Fläche (9) aus der Komponenten (8) mit einem Versatz austritt, der dem Abstand zwischen den Strahlengängen der benachbarten Laseroszillatoren entspricht.
Laseranordnung mit mindestens zwei einzelnen, nicht optisch gekoppelten Laseroszillatoren, wobei die Grundwellenstrahlung der jeweiligen Laseroszillatoren unabhängig voneinander durch mindestens einen nichtlinearen Kristall in der Frequenz verdoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang der Laseroszillatoren mindestens eine etalonförmige Komponente (8; 19), die dichroitisch beschichtet ist, angeordnet ist, wobei die Strahleneintrittsfläche (7) der Komponente (8; 19) derart beschichtet ist, daß sie für die Grundwelle (ω) antireflektierend ist und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist, und wobei die der Strahleneintrittsfläche (7) gegenüberliegende Fläche (9) für die Grundwelle (ω) hochreflektierend ist, und daß die Komponente (8) so dimensioniert und zu der Strahlung der Laseroszillatoren angeordnet ist, daß nach einem Umlauf die zweite Harmonische (2ω) einen Versatz aufweist, der dem Abstand zwischen den Strahlengängen der benachbarten Laseroszillatoren entspricht.
Laseranordnung mit mindestens zwei einzelnen, nicht optisch gekoppelten Laseroszillatoren, wobei die Grundwellenstrahlung der jeweiligen Laseroszillatoren unabhängig voneinander durch mindestens einen nichtlinearen Kristall in der Frequenz ver doppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang der Laseroszillatoren mindestens eine etalonförmige Komponente (48), die dichroitisch beschichtet ist, angeordnet ist, die die Frequenz der Grundwelle (ω) verdoppelt und die auf ihrer Strahleintrittsfläche (7) und der dieser gegenüberliegenden Fläche (9) für die Grundwelle (ω) antireflektierend ist und für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist, und daß die Komponente (48) so dimensioniert und zu der Strahlung der Laseroszillatoren angeordnet ist, daß die zweite Harmonische (2ω) nach Reflexion an der Strahleneintrittsfläche und der gegenüberliegenden Fläche innerhalb der Komponenten (48) einen Versatz aufweist, der dem Abstand zwischen den Strahlengängen der benachbarten Laseroszillatoren entspricht.
Laseranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die etalonförmige Komponente (19) die Frequenz der Grundwelle (ω) verdoppelt, dass die der Strahleintrittsfläche (7) gegenüberliegende Fläche (9) für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist, und daß die Komponente (19) so dimensioniert und zu der Strahlung der Laseroszillatoren angeordnet ist, daß der Versatz der zweiten Harmonischen (2ω) nach Reflexion an der Strahleneintrittsfläche und der gegenüberliegenden Fläche innerhalb der Komponenten (19) auftritt.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Laseroszillatoren ein gemeinsamer, nichtlinearer Kristall zugeordnet ist.
Laseranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Laseroszillatoren jeweils einen Ringresonator aufweisen.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche oder die Reflexionsfläche eine Auskoppelfläche für die zweite Harmonische (2ω) aufweist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Laseroszillatoren ein gemeinsames Festkörpermedium zugeordnet ist.
Laseranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedium als Prisma ausgebildet ist, wobei mindestens zwei Flächen Reflexionsflächen des Ringresonators bilden.
Laseranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedium als Etalon ausgebildet ist, wobei die eine Fläche eine antireflektierende Be schichtung für die Grundwelle (ω) aufweist und die andere Fläche eine hochreflektierende Beschichtung für die Grundwelle (ω) aufweist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Laseroszillator ein separates Festkörpermedium aufweist.
Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillatoren jeweils einen linearen Resonator bilden.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillatoren parallel zueinander angeordnet sind.
Laseranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Resonators beidseitig des Festkörpermediums jeweils eine λ/4-Platte eingesetzt ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall eine dritte Fläche aufweist, die für die zweite Harmonische (2ω) hochreflektierend ist und die von der nach links laufenden Grundwelle (ω) erzeugte zweite Harmonische (2ω) zurückreflektiert.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Kristall und/oder die dichroitische Komponente in einzelne Segmente, die mit Abstand zueinander angeordnet sind, unterteilt ist (sind), wobei jedes Segment eine Austrittsfläche und/oder eine Eintrittsfläche aufweist, die für die zweite Harmonische (2ω) antireflektierend sind.
Laseranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und/oder Austrittsfläche(n) eine Krümmung aufweisen derart, daß die Kaustiken der in dem jeweiligen Laseroszillator erzeugten zweiten Harmonischen (2ω) aufeinander angepaßt werden.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang mindestens eines Laseroszillators im Strahlengang zwischen der dichroitischen Komponenten und dem aktiven Medium eine optische Anordnung eingesetzt ist, die die Abstände zwischen dem mindestens einen Laseroszillator zu mindestens einem anderen der Laseroszillatoren verändert.