DE19603827C2 - Blauer resonatorintern frequenzverdoppelter Neodymium-Kristallaser - Google Patents
Blauer resonatorintern frequenzverdoppelter Neodymium-KristallaserInfo
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- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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- H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation
Description
Die Erfindung betrifft eine Resonatoranordnung eines diodengepumpten Neo
dymiumkristallaser, bevorzugt eines YAlO3 bzw. eines YLF (LiYF4) Wirts
gitters mit nicht-linearen Kristallen wie Beta Barium Borat (BBO), Lithium
Triborat (LBO), Kalium Niobat (KNB) oder Lithium-Jodat als resonatorin
terne Frequenzverdoppler zur Erzeugung einer blauen Emission im Bereich
455 bis 465 nm mit Drei-Niveau-Laserübergängen bis zum Grundzustand im
Wellenlängenbereich 910 bis 930 nm.
Ein effizienter, leistungsstarker, kompakter blauer Dauerstrichlaser mit Hilfe
der Frequenzverdopplung der Infrarotemission eines diodengepumpten 3-
Niveau-Neodymium-Festkörperlasern im Bereich von 910 bis 930 nm z. B.
durch den Laserübergang 4F3/2 → 4I9/2 könnte die technisch sehr aufwendi
gen blauen Argon-Ionenlaser in vielen Anwendungen, wie z. B. in der Dis
play-Technik ersetzen.
Eine bekannte Technik der Frequenzverdopplung von Festkörperlasern ist die
sogenannte resonante Verdopplung nicht-linearer Kristalle in einem getrenn
ten Resonator außerhalb des Laserresonators (siehe z. B. E. S. Polzik and
H. J. Kimble, "Frequency doubling with KNbO3 in an external cavity", Optics
Letters Vol. 16, No 18, p 1400 (1991)). Diese externe Frequenzverdopplung
ist effizient, jedoch technisch sehr aufwendig und damit kostenintensiv.
Die Druckschrift EP 0574921 A2 zeigt eine Laser-Resonatoranordnung eines
diodengepumpten frequenzverdoppelten Neodymium-Kristalllasers, bei der
ein dichroitischer Faltungsspiegel verwendet wird. In dem Resonator befindet
sich ein nicht lineares optisches Element in Form eines KPT-Kristalls zur Er
zeugung eines zweiten harmonischen Laserstrahls mit der doppelten Fre
quenz. Die Resonatorspiegel sind eben ausgestaltet.
Die resonatorinterne Frequenzverdopplung kann vor allem in 4-Niveau La
sern wegen ihres niedrigen Schwellwerten und hoher interner Verstärkung
effizient eingesetzt werden (siehe z. B. L. Y. Liu, M. Oka; W. Wiechmann and
S. Kubota, "Longitudinally diode-pumped continuous-wave 3.5-W green la
ser"; Optics Letters, Vol. 19, No. 3, p 189 (1994) oder V. Magni, G. Cerullo,
S. De Silvestri, O. Svelto, L. J. Qian, and M. Danallov, "Intracavity frequency
doubling of a cw high-power TEMOO Nd:YLF laser", Optics Letters, Vol. 18,
No. 24, p 2111 (1993)).
Autgrund des technisch einfacheren Aufbaus ist die interne Frequenzverdopp
lung auch bei 3-Niveau-Lasern der externen vorzuziehen, jedoch wirkt sich der
hohe Schwellwert der Laseremission, die Eigenabsorption der Laserstrahlung
im Lasermaterial und die Dämpfung des Resonators durch den nicht-linearen
Kristall bei der internen Frequenzverdopplung hier störend aus. Es konnten
deshalb bisher nur eine relativ geringe blaue Leistung erzeugt werden, z. B.
100 mW bei der frequenzverdoppelten 946 nm Linie des Nd:YAG-Lasers von
473 nm (siehe, G. Hollemann, E. Peik and H. Walther, "Frequency-stabilized
diode pumped Nd:YAG laser at 946 nm with harmonics at 473 and 237 nm",
Optics Letters, Vol. 19, No. 3, p 192 (1994). Ein Nachteil dieser Linie des
Nd:YAG-Lasers ist, daß sie für viele Anwendung wie z. B. für Farb-Display, zu
langweilig ist.
Um zu kürzeren Wellenlängen mit dem gleichen Laserübergang zu gelangen,
werden mehrere andere mit Neodymium dotierte Wirtskristalle weltweit unter
sucht. Es kommen vor allem Nd:YVO4, Nd:GdVO4, Nd:YLF und Nd:YAlO3
hier in Frage. Bei der Auswahl eines geeigneten Kristalls muß außer der gün
stigen Lage der Wellenlänge, die erreichbare Leistung der Strahlung, ihre Po
larisation, die Strahlqualität und die Gesamteffizienz des jeweiligen Systems
betrachtet und verglichen werden.
In der Offenlegungsschrift PCT-International Publication Number WO 95/06345 A2
mit dem Titel "Deep Blue Microlaser" von 2.3.95 wird ein sogenann
ter monolithischer diodengepumpter Festkörperlaser beschrieben, wo der La
serkristall zusammen mit dem Frequenzverdopplerkristall in einem Verbund als
Sandwich-Struktur aufgebaut ist, und die parallelen externen Endflächen des
Verbundes die Resonatorspiegel bilden und die Strahlachse der Pumpdiode
entlang der optischen Achse des Resonators verläuft. Speziell wird vorge
schlagen als Laserkristalle Nd:YVO4 und Nd:GdVO4 mit einem geeigneten
nicht-linearen Kristall (z. B. KNbO3 oder Beta Barium Borat) zu verwenden.
Die Emissionswellenlängen sind 457 nm bzw. 456 nm.
Vorteile dieses Aufbaus sind außer den geeigneten Wellenlängen für Display
der kompakte, stabile Aufbau und geringe Anzahl von Komponenten. Er hat
dagegen mehrere Nachteile, die hier einzeln betrachtet werden sollen.
Die Länge des Resonators ist an die Gesamtlänge des Lasermaterials und des
Frequenzverdopplerkristalls gebunden. Es besteht damit keine Möglichkeit die
Laserstrahlparameter wie Modenbild, Polarisation, Strahldurchmesser und
Strahldivergenz durch Variation des Spiegelabstandes bzw. den Einbau zu
sätzlicher optischer Bauelemente (wie z. B. Brewsterplatten, Phasenplatten,
Umlenkspiegel usw.) zu ändern. Auch ist hier die Möglichkeit verbaut den
Strahl beim Durchgang durch den Frequenzverdopplerkristall zusätzlich zu Fo
kussieren um eine erhöhte Effizienz zu erzielen.
Der Aufbau läßt eine Leistungsskalierung nur bedingt zu, denn es kann in dem
Resonator nur ein Laserkristall mit nur einer Diode angeregt werden. Eine
Übertragung des Pumplichtes über eine Glasfaser ist nicht vorgesehen.
Wegen der thermischen Besetzung des Grundzustandes des 3-Niveau-Lasers
wäre bei einer hohen Leistung der Pumpdiode eine sehr effiziente Kühlung des
Laserkristalls notwendig, die in der Beschreibung fehlt. Bei hoher Leistung und
ungünstiger Kühlung sind relativ hohe Schwellwerte und starke radiale Tempe
raturgradienten in dem Material zu erwarten, die zur Eigenfokussierung des
Laserstrahles führen und das Strahlprofil des Lasers verzerren. Die meisten
Anwendungen wie z. B. für Display setzen aber auch bei höheren Strahlleistun
gen hohe Strahlqualität, d. h. geringe Beeinflussung des Strahles durch thermi
sche Effekte voraus.
Außer diesen grundsätzlichen Problemen in einem kompakten monolithischen
Aufbau höhere Leistung zu erzielen, haben die beiden Kristalle Nd:YVO4 und
Nd:GdVO4 gegenüber Nd:YAG, Nd:YLF und Nd:YAlO4 den zusätzlichen
Nachteil der schlechteren Wärmeleitfähigkeit.
In einem ähnlich wie oben aufgebauten miniaturisierten 3-Niveau-Nd:YAlO3-
Laser bei der für die Display-Anwendungen geeigneten Wellenlänge 465 nm
konnten 15 mW bei einer Pumpleistung von etwa 800 mW erzielt werden
(siehe z. B. J. H. Zarrabi, P. Gavrilovic and S. Singh, "Intracavity, frequency-
doubled, miniaturized Nd:YAlO3 blue laser at 465 nm, Appl. Phys. Lett. 67
(17), 23 Oct. 1995). Obwohl hier ein Kristall mit wesentlich besserer Wärme
leitfähigkeit eingesetzt wurde zeigt diese relativ schlechte Effizienz daß sie
grundsätzlich auf die Probleme des kompakten Aufbaus zurückzuführen sind.
Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt mit einer laserresonatorinternen Fre
quenzverdopplung der Laserlinien der 3 Niveau-Grundzustandslaser, speziell
des Nd:YALO3 und Nd:YLF mit hoher Effizienz, skalierbar zu höheren Lei
stungen durchzuführen. Um dieses Ziel zu erreichen wird anstatt dem vorher
beschriebenen konventionellen Weg des kompakten Aufbaus des Laserkristalls
und Frequenzverdopplerkristalls in einem kurzen Resonator ohne Zwischen
räume und Zwischenabbildung ein langer offener und gefalteter Resonator vor
geschlagen, der eine getrennte Optimierung des Strahlungsverlaufs in dem La
serkristall und Frequenzverdopplerkristall ermöglicht. Dies wird durch die
Faltung des Resonators und Trennung Strahlenganges des Verdopplerkristalls
von dem Strahlengang des Grundwellenlängenlasers mit Hilfe eines dichroiti
schen Teilerspiegels und eine entsprechende Auslegung des Spiegelabstände
und Spiegelkrümmungen ermöglicht.
Weiterhin wird vorgeschlagen durch die Faltung mit mehreren Laserkristallen
bestückt sein, die jeder einzeln oder gemeinsam mit mehreren Pumpdioden an
geregt werden. Das Konzept sieht vor, daß durch zunehmende Anzahl von
Stufen, die Leistung hochskaliert werden kann, bei gleichbleibender Strahlquali
tät.
Ähnliche Resonatorkonfigurationen sind zwar bekannt bei 4-Niveau-Lasern
(siehe z. B. L. Y. Liu, M. Oka, W. Wiechmann and S. Kubota, "Longitudinally
diode-pumped continuous-wave 3.5-W green laser", Optics Letters, Vol. 19,
No. 3 p 189 (1994)) aber sind hier zum ersten Mal angewandt und optimiert
um die grundsätzlich verschiedenen Probleme des frequenzverdoppelten 3-
Niveau-Lasers wie die Reabsorption der Laserstrahlung im Laserkristall, die
thermische Besetzung des Lasergrundniveaus und die besondere Kühlproble
matik dieses Lasers, speziell für den leistungsstarken blauen Nd:YAlO3 und
Nd:YLF-Laser zu lösen.
In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand von Ausfüh
rungsbeispielen erläutert. Die Figuren ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigt:
Fig. 1 zeigt ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines einstufigen
freuenzverdoppelten 3-Niveau-Lasers nach Anspruch 1
Fig. 2 zeigt ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines mehrstufigen
frequenzverdoppelten 3-Niveau-Lasers mit resonanter Frequenzver
dopplung nach Anspruch 2
Fig. 3 zeigt ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines frequenzver
doppelten 3-Niveau-Laser als Ringresonator
Fig. 4 zeigt ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels eines frequenzver
doppelten 3-Niveau-Laser als mehrstufigen Leistungslaser
Der Grundgedanke der Erfindung wird im folgenden anhand des in Fig. 1
skizzierten Ausführungsbeispiels erläutert. Eine dünne Scheibe des Lasermate
rials wird wahlweise mit der Pumpdiode durchgestrahlt oder aufgestrahlt. In
dem ersten Fall a) ist die Scheibe mit einer hochtransmittierenden (HT) in dem
zweiten Fall b) mit einer hochreflektierenden (HR) dielektrischen Schicht für
die Wellenlänge λD der Diode versehen. In beiden Fällen ist die gleiche
Schicht gleichzeitig ein hochreflektierender Spiegel für die Strahlung des Fest
körperlasers λL. Die Erfindung sieht wahlweise die direkte Abbildung der Di
ode bzw. einer Glasfaser, die die enstrahlung leitet, vor. Zur effizienten Küh
lung der Diode ist in beiden Fällen eine direkte Montage der Laserkristall
scheibe auf eine Kühlplatte vorgesehen. Die Dicke der Laserscheibe (typisch
1-5 mm) und die Dotierung des Laserkristalls (typisch 0,5-2,5%) wird so ge
wählt, daß die Diodenstrahlung möglichst vollständig in der Scheibe bei
gleichzeitiger guter Kühlung des gesamten Materialvolumens absorbiert wird.
Der Resonator des Grundwellenlängenlasers besteht aus den beiden Spiegeln
S1 und S3 wobei der Umlenkspiegel S2 vollständig die Strahlung des Grund
wellenlängenlasers (HR bei λL) reflektiert. Damit die gesamte Laserstrahlung
zur Frequenzverdoppelung genutzt wird ist der Spiegel S3 auch für λL hochre
flektierend. Der Resonator wird durch die Wahl des Spiegelabstandes und
Krümmung der beiden Spiegel so ausgelegt, daß der Strahldurchmesser im La
sermedium relativ groß ist (typisch 100-600 µm). Damit kann gewährleistet,
daß der relativ große Fleck der Diodenstrahlung die Mode ohne hohe Verluste
der Pumpstrahlung und mit gleichmässiger Anregung des gesamten Lasermate
rials abdeckt.
Die Frequenzverdopplung der Grundwellenlängenstrahlung findet im nicht-
linearen Kristall NL statt. Der Spiegel S2 ist für die Wellenlänge der frequenz
verdoppelten Strahlung hochtransmittierend (HT für λL/2). Damit wird die fre
quenzerdoppelte Strahlung sowohl nach einmaligem als auch nach zweimali
gem Passieren der Grundwelle durch den NL-Kristall durch den Spiegel S2
durchgeleitet.
Die Krümmung der beiden Spiegel S2 und S3 werden so aufeinander abge
stimmt, daß der Strahldurchmesser im NL-Kristall möglichst klein und im LK
möglichs groß ist und daß möglichst gute Phasenanpassung beider Lichtwellen
im NL stattfindet. Der NL kann mit unterschiedlicher Winkelneigung im
Strahlengang z. B. zur Kompensation von Astigmatismus, oder zur Unterbin
dung von Polarisationsverlusten mit Brewsterwinkel eingebaut werden. Auch
ist der Einbau anderer zusätzlicher optischer Korrekturelemente in dem Strahl
gang möglich.
In Fig. 2 ist eine Variante des Aufbaus gezeigt wo ein zusätzlicher Spiegel
hochreflektierender Spiegel HR für λL/2 S4 in den Strahlengang der frequenz
verdoppelten Strahlung integriert ist um einen zusätzlichen Resonator bei ihrer
Wellenlänge λL/2 zu bilden. Beide Spiegel S3 und S4 werden so gegeneinder
justiert, daß Resonanz bei dieser Wellenlänge stattfindet die zu einer Erhöhung
der Konversionseffizinz führt. Unter Umständen ist in verschiedenen Fällen der
Einbau eines Etalon-Frequenzfilters EF zum Erzwingen einer Einmodenemissi
on des Grundwellenlängenlasers in seinem Strahlengang notwendig.
In Fig. 3 wird eine weitere Ausführung des frequenzverdoppelten Lasers als
Ringlaser gezeigt, die den Vorteil der einmodigen Emission der Grundwelle.
Fig. 4 zeigt den Vorschlag der mehrstufigen Leistungsskalierung des frequenz
verdoppelten 3-Niveau-Lasers der vorzugsweise durch die wiederholte Reflek
tion der Laserwelle in getrennten Laserkristallen, die einzeln mit Pumpdioden
angeregt werden. Durch eine entsprechende Auslegung der Krümmung der
Umlenkspiegel SU und des Endspiegel S1 kann die periodische Verstärkung
bis zu einer hohen Anzahl von Einzelstufen wiederholt werden.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß die störende Reab
sorption der Grundwellenlängenstrahlung minimal gehalten wird, daß gleich
zeitig die thermische Besetzung des Laser-Grundniveaus durch effiziente
Kühlung der kleinen einzelnen Laserkristalle gering bleibt und daß der Strah
lengang sowohl für die Grundwelle als auch die frequenzverdoppelte Welle
eines 3-Niveau-Systems optimiert ist.
Grundsätzlich können die erfindungemäße Anordnungen für eine große Reihe
von 3-Niveau-Lasermateralien verwendet werden. Hier zielt die Erfindung auf
die Erzeugung von hoher blauer Leistung bis einige oder einige zehn Watt
Ausgangsleistung speziell mit den Laserkristallen Nd:YAlO3 und Nd:YLF.
Die besondere Eignung dieser Materalien für die erfindungemäße Anordnung
ergeben sich aus folgenden Tatsachen:
Wegen der Raumgruppensymmetrie von Nd:YAlO3 ist die Laseremission polarisiert lla bzw. llb und eine zusätzlicher Polarisator im Strahlengang nicht gebraucht.
Wegen der Raumgruppensymmetrie von Nd:YAlO3 ist die Laseremission polarisiert lla bzw. llb und eine zusätzlicher Polarisator im Strahlengang nicht gebraucht.
Wegen des großen Unterschiedes des Brechungsindizes dieses Materials in
verschiedene Kristallrichtungen ist eine thermisch induzierte Depolarisation
nicht störend. Das Nd:YAlO3 besitzt breite Absorptionsbanden für Dioden
pumpstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge und Polarisationsausrichtung:
Unpolarisiert oder polarisiert lla, llb bei 813 nm
Polarisiert bei llb bei 802, 794, 796 nm
Breite Absorption für llb und lla bei 802 nm
Unpolarisiert oder polarisiert lla, llb bei 813 nm
Polarisiert bei llb bei 802, 794, 796 nm
Breite Absorption für llb und lla bei 802 nm
In Nd:YLF ensteht Polarisation der Emission in Kristallrichtung llσ bei 902 nm
und llπ bei 95 nm. In Nd:YLF sind für das Diodenpumpen folgende Ab
soptionslinien verwendbar: llσ bei 792 nm und llπ bei 797 nm und unpolari
sierte Pumpstrahlung llπ, σ bei 797 nm.
Claims (7)
1. Resonatoranordnung, mit
einem diodengepumpten Laserkristall zur Erzeugung einer Grundstrahlung,
einem ersten Spiegel (S1) und einem zweiten Spiegel (S3), die einen Resonator für die Grundstrahlung bilden,
einem nichtlinearen Frequenzverdopplerkristall (NL) zur Bildung einer frequenzverdoppelten Strahlung aus der Grundstrahlung, und
einem dichroitischen Teilerspiegel (S2) zur Faltung der Grundstrahlung und zur Trennung der frequenzverdoppelten Strahlung von der Grundstrahlung,
wobei der Frequenzverdopplerkristall (NL) zwischen dem zweiten Spiegel (S3) des Resonators und dem Tellerspiegel (S2) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Spiegel (S2) gekrümmt ist, um den Strahldurchmesser im nichtlinearen Kristall zu minimieren und im Laserkristall zu maximieren,
und der Abstand zwischen dem ersten Spiegel (S3) und dem zweiten Spiegel (S2) derart einstellbar ist, daß der Strahldurchmesser im Laserkristall maximiert wird.
einem diodengepumpten Laserkristall zur Erzeugung einer Grundstrahlung,
einem ersten Spiegel (S1) und einem zweiten Spiegel (S3), die einen Resonator für die Grundstrahlung bilden,
einem nichtlinearen Frequenzverdopplerkristall (NL) zur Bildung einer frequenzverdoppelten Strahlung aus der Grundstrahlung, und
einem dichroitischen Teilerspiegel (S2) zur Faltung der Grundstrahlung und zur Trennung der frequenzverdoppelten Strahlung von der Grundstrahlung,
wobei der Frequenzverdopplerkristall (NL) zwischen dem zweiten Spiegel (S3) des Resonators und dem Tellerspiegel (S2) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Spiegel (S2) gekrümmt ist, um den Strahldurchmesser im nichtlinearen Kristall zu minimieren und im Laserkristall zu maximieren,
und der Abstand zwischen dem ersten Spiegel (S3) und dem zweiten Spiegel (S2) derart einstellbar ist, daß der Strahldurchmesser im Laserkristall maximiert wird.
2. Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie
einen blauen, 3-Niveau-Neodymiumkristallaser umfaßt.
3. Resonatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen
zusätzlichen Resonatorspiegel, um eine resonante Frequenzverdopplung zu
bewirken.
4. Resonatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sie als Ring ausgebildet ist.
5. Resonatoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Laserübergang 4F3/2 → 4I9/2 des Nd:YAlO3-
Laserkristalls frequenzverdoppelt wird,
6. Resonatoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Laserübergang 4F3/2 → 4I9/2 des Nd:YLF-Laserkristalls
frequenzverdoppelt wird.
7. Resonatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch mehrere, getrennte, einzeln angeregte Laserkristalle
und mehrere Umlenkspiegel, wobei die Spiegelabstände und/oder
Spiegelkrümmungen einstellbar sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996103827 DE19603827C2 (de) | 1996-02-02 | 1996-02-02 | Blauer resonatorintern frequenzverdoppelter Neodymium-Kristallaser |
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Publications (2)
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---|---|
DE19603827A1 DE19603827A1 (de) | 1997-08-07 |
DE19603827C2 true DE19603827C2 (de) | 2002-01-31 |
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DE (1) | DE19603827C2 (de) |
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- 1996-02-02 DE DE1996103827 patent/DE19603827C2/de not_active Expired - Fee Related
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Opt.Lett. 19, No. 3 (1994), S. 189 * |
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