DE19642409B4

DE19642409B4 - "Lasersystem mit externem Resonator"

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Publication number: DE19642409B4
Application number: DE1996142409
Authority: DE
Inventors: David A. Palo Alto King; Richard J. San Carlos Pittaro; Hewlett E. Sunyvale Melton jun.
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Sanofi Aventis Deutschland GmbH
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1996-10-14
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JPH09167868A; DE19642409A1; JP3878257B2

Abstract

Lasersystem (506) mit folgenden Merkmalen:
einem Laserverstärkungsmedium (114);
einem ersten Reflektor (101) mit einem Reflexionsvermögen (R₁) und einem zweiten Reflektor (102), der von dem ersten Reflektor (101) beabstandet ist, um einen Laserresonator (108) zu definieren, der das Laserverstärkungsmedium (114) enthält, wobei der zweite Reflektor (102) ein Reflexionsvermögen (R₂) aufweist, das größer als das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101) ist, derart, daß Licht, das von dem Laserverstärkungsmedium (114) emittiert wird, in dem Laserresonator (108) in Resonanz tritt;
einem dritten Reflektor (104) mit einem Reflexionsvermögen (R₃), das größer ist als das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101), der von dem zweiten Reflektor (102) beabstandet ist, um mit demselben einen Resonator (110) außerhalb des Laserresonators (108) zu definieren, derart, daß Licht aus dem Laserresonator (108) tritt, um in dem externen Resonator (110) in Resonanz zu treten, und daß Licht aus dem externen Resonator (110) tritt, um das Laserverstärkungsmedium...

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem, insbesondere auf ein Lasersystem mit einem Dioden-gepumpten, passiv gekoppelten Laser mit einem linearen optischen Resonator.
Bei vielen Laseranwendungen (beispielsweise der chemischen Erfassung) wird Laserlicht hoher Intensität benötigt. Eine Möglichkeit, Licht hoher Intensität zu liefern, besteht dar in, Licht zu verwenden, das in einem optischen Hohlraum eingefangen ist. Ein optischer Hohlraum oder Resonator besteht aus zwei oder mehr Spiegeloberflächen, die derart angeordnet sind, daß einfallendes Licht eingefangen werden kann, wobei es zwischen den Spiegeln hin- und hergeworfen wird. Auf diese Weise kann das Licht innerhalb des Hohlraums eine um viele Größenordnungen höhere Intensität als das einfallende Licht aufweisen.
Bei vielen Anwendungen befindet sich das optische Verstärkungsmedium (beispielsweise eine Helium-Neon-Entladungsröhre) innerhalb des optischen Hohlraums. Bei einem typischen Diodenlaser sind die Hohlraumspiegel direkt auf dem Diodenverstärkungsmedium selbst abgeschieden. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise einer Frequenzabstimmung und einer Linienbreiten-Verengung, sind jedoch eine oder beide der Facetten der Diode antireflexionsbeschichtet, wobei die Diode innerhalb eines optischen Hohlraums betrieben wird, der durch Spiegel außerhalb der Diode definiert ist. Obwohl ein Diodenverstärkungsmedium innerhalb eines solchen Hohlraums betrieben werden kann, begrenzt die geringe Beschädigungsschwelle der Emissionsfacette der Diode den Betrag des Leistungsaufbaus in dem Hohlraum schwerwiegend.
Um diese Begrenzung zu überwinden, während noch ein großes optisches Feld erzeugt wird, kann der Diodenlaser außerhalb eines separaten optischen Resonators, welcher im folgenden auch als Hohlraum bezeichnet wird, mit hoher Finesse, welche im folgenden auch als Feinheit bezeichnet wird, plaziert sein, in dem die Diodenlaserstrahlung eingefangen ist. Dieser separate Hohlraum wird hierin nachfolgend als ein ”Aufbau”-Hohlraum bezeichnet. Diodenlaser emittieren jedoch Strahlung mit einer optischen Bandbreite, die viel größer als die eines Aufbauhohlraums hoher Feinheit ist. Um eine wesentliche Verstärkung der Diodenlaserstrahlung in einem Aufbauhohlraum zu erreichen, muß der Diodenlaser getrieben werden, um kohärente Strahlung mit einer Bandbreite zu emittieren, die der des Hohlraums bei einer Hohlraumresonanzfrequenz nahe kommt oder mit derselben übereinstimmt. Dieses Verfahren wird hierin nachfolgend als ”optische Ankopplung” oder ”optische Verriegelung” bezeichnet.
Eine Möglichkeit die Bandbreite von Diodenlasern zu reduzieren besteht darin, eine vollelektronische Frequenzverriegelung von Diodenlasern zu verwenden. Diese Technik erfordert jedoch sehr schnelle Servomechanismen, ein großes Maß an optischer Isolation des Diodenlasers von dem Hohlraum und eine hochentwickelte elektronische Steuerung.
Alternativ kann eine wesentliche Linienbreitenreduzierung mit optischen Rückkopplungs-Schemata (d. h. passiven Schemata) erreicht werden. Beispielsweise berichten Dahmani u. a. in ”Frequency stabilization of semi-conductor lasers by resonant optical feedback”, Opt. Lett., 12, S. 876–878 (1987), von einer passiven optischen Verriegelung eines Diodenlasers auf einen Aufbauhohlraum. Bei dieser Technik wird Licht von einem Diodenlaser in einen Aufbauhohlraum geleitet. Wenn das Licht eine Frequenz aufweist, die an die Hohlraumresonanzfrequenz angepaßt ist, wird das Licht eingefangen. Ein Teil des eingefangenen Lichts wird dann in den Diodenlaser zurückgeleitet, um als ein passiver Rückkopplungsmechanismus zu wirken, was die Frequenz des Diodenlasers geringer Feinheit auf die des Aufbauhohlraums hoher Feinheit verriegelt und ferner die Diodenemissionsbandbreite reduziert.
Ein Nachteil von Systemen, die ähnlich denen von Dahmani u. a. sind, besteht darin, daß derartige Systeme eine schwache optische Verriegelung verwenden: nur ein sehr geringer Teil des Lichts in dem Aufbauhohlraum wird zu dem Diodenlaser zurückgeführt. Der Nachteil der schwachen optischen Verriegelungstechnik besteht darin, daß dieselbe noch eine sorgfältige elektromechanische Steuerung sowohl des Betrags als auch der Phase des Lichts, das zu dem Diodenlaser zurückgeführt wird, erfordert. Außerdem enthält ein solches System zumindest vier Reflektoren.
Eine passive volloptische Verriegelung von antireflexionsbeschichteten Diodenlasern auf externe Resonanzhohlräume wurde in jüngerer Zeit umfassend ausgewertet. Beispiele umfassen eine Frequenzverdoppelung ( US5038352 , sowie Kozlovsky u. a., ”Blue light generation by resonator-enhanced frequency doubling of an extended-cavity diode laser”, Aug. 1994, Bd. 65 (5), S. 525–527, Appl. Phys. Lett.), eine Frequenzmischung (P. G. Wigley, Q. Zhang, E. Miesak und G. J. Dixon, ”High power 467 nm passively-locked signal-resonant sum frequency laser”, Post Deadline Paper CPD21-1, Conference an Lasers and Electro-optics, Baltimore, MD., Optical Society of America, 1995), und eine chemische Erfassung ( US5432610 ). In US5432610 (siehe oben), das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, sind mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen ein Diodenlaser optisch auf einen externen Resonanzhohlraum verriegelt wird. Das US5432610 lehrt, daß eine breite Beschränkung für den Diodenstrom existiert, und daß zusätzliche Komponenten erforderlich sein können, um Reflexionen außerhalb der Resonanz für ein System, das drei reflektierende Elemente enthält, zu beseitigen.
Um die Schwierigkeit der passiven volloptischen Verriegelung eines Diodenlasers zu zeigen, wird im folgenden eine kurze Beschreibung der physikalischen Grundlagen eines optischen Hohlraums gegeben. Wie in 1 dargestellt ist, definieren zwei reflektierende Oberflächen 2 und 4 (mit Reflexionsvermögen (Reflexionskoeffizienten) R₁ bzw. R₂) einen Hohlraum 6. Dieser Hohlraum 6 weist einen Kamm von Resonanzfrequenzen auf, wobei der Kammabstand c/2L ist (c ist die Lichtgeschwindigkeit in dem Hohlraum und L ist der optische Abstand zwischen den zwei reflektierenden Oberflächen 2 und 4).
Licht, das auf einen linearen Hohlraum einfällt, wird im allgemeinen einem von zwei möglichen Phänomenen unterworfen, wie in 1 dargestellt ist. In 1A ist die Frequenz des einfallenden Lichts 8 weit entfernt von einer Hohlraumresonanzfrequenz. Folglich wird das einfallende Licht 8 einfach durch die Oberfläche 2 als reflektiertes Licht 10 reflektiert. 1B stellt die Situation dar, in der das einfallende Licht 8 bei (oder sehr nahe an) der Hohlraumresonanzfrequenz ist. In diesem Fall wird das einfallende Licht als ein Innerhohlraumstrahl 12 zwischen den Oberflächen 2 und 4 eingefangen. Das eingefangene Licht entweicht zusätzlich durch die Oberflächen 2 und 4, was den reflektierten Strahl 10 bzw. den transmittierten Strahl 14 von dem Hohlraum bewirkt. Das Entweichen ist hinsichtlich des einfallenden Strahls 8 phasenverschoben, wodurch eine destruktive Interferenz mit dem Teil des Strahls 10 bewirkt wird, der einfach und nicht-resonant von der Oberfläche 2 reflektiert wird.
Wenn der einfallende Strahl 8 bei der Hohlraumresonanzfrequenz ist, ist das effektive Reflexionsvermögen (der Reflexionskoeffizient) des Hohlraums 6 geringer als das einfache Nichtresonanz-Reflexionsvermögen (oder der Reflexionskoeffizient) der Oberfläche 2. Dieser Effekt ist in 1C gezeigt, in der das Reflexionsvermögen des Hohlraums (I_ref/I_inc), das in 1A und 1B gezeigt ist, als eine Funktion der normierten Frequenz aufgezeichnet ist. Die Frequenz ist auf einen Kammabstand des Hohlraums normiert, derart, daß eine Hohlraumresonanz für jeden ganzzahligen Wert der normierten Frequenz auftritt. Die Hohlraumbandbreite ist die volle Breite am halben Maximum jeder Resonanz und wird geringer, wenn die Reflexionsvermögen der Oberflächen 2 und 4 abnehmen. Wenn R₁ gleich R₂ wird, ist der Betrag der Resonanz- und der Nichtresonanz-Reflexionen von der Oberfläche 2 gleich, wobei deren Phasen um 180° verschoben sind. Auf diese Weise fällt (beim Fehlen einer Streuung) das Hohlraumreflexionsvermögen bei einer Hohlraumresonanz auf Null.
Das Ziel der passiven Verriegelung eines Diodenlasers auf einen Hohlraum besteht darin, einen Innerhohlraumstrahl 12 mit einem einfallenden Strahl 8 von dem Diodenlaser zu erzeugen. Dies erlegt dem Diodenlaser erwünschte optische Eigenschaften (beispielsweise Bandbreite und Frequenz) auf, die von dem Hohlraum stammen. Der reflektierte Strahl 10 von dem Hohlraum wird verwendet, um den Diodenlaser frequenzmäßig auf eine Hohlraumresonanz zu verriegeln. Jedoch zeigt 1C, daß der reflektierte Strahl 10 bei einer Hohlraumresonanz der Schwächste ist. Folglich scheint es, daß der Laser durch eine optische Rückkopplung dazu tendiert, die Schwelle bei einer anderen Frequenz als einer Hohlraumresonanzfrequenz zu erreichen, wenn der Diodenstrom erhöht wird. Deshalb wurde von Fachleuten lange angenommen, daß die Struktur, die in 1A gezeigt ist, für eine Frequenzverriegelung eines Diodenlasers stark ungeeignet ist.
Verschiedene Lösungsansätze wurden verwendet, um die oben genannte destruktive Interferenz zu reduzieren, und um sicherzustellen, daß die intensivste Reflexion zurück in den Diodenlaser eindeutig von dem optischen Hohlraum stammt. Ein einfacher Lösungsansatz besteht darin, zusätzliche Hohlraum-Reflektoren oder -Reflexionen zu verwenden, die eine räumliche Isolation der Resonanzrückkopplung ermöglichen (Dahmani u. a., ”Frequency stabilization of semiconductor lasers by resonant optical feedback”, siehe oben). Weitere Lösungen basieren auf der Verwendung einer sehr kleinen Rückkopplung in den Diodenlaser von einer Spiegel-induzierten Doppelbrechung (C. E. Tanner, u. a., ”Atomic beam collimation using a laser diode with a self locking power-build-up cavity”, Mai 1988, Bd. 13 (5), S. 357–359, Optics Letters) oder sehr schwach angeregter Gegenausbreitungsmoden (A. Hemmerich, u. a., ”Second-harmonic generation and optical stabilization of a diode laser in an external ring resonator”, April 1990, Bd. 15 (7), S. 372–374, Optics Letters). Jedoch tendieren derartige zusätzliche Reflektoren dazu, die Komplexität und das Ausmaß des Aufbaus des Lasersystems zu erhöhen.
Es ist machmal erwünscht, daß schmalbandiges Laserlicht auf unterschiedliche Frequenzen abstimmbar ist. Herkömmliche Quellen einer abstimmbaren Strahlung, beispielsweise Farbstofflaser, sind strukturell komplex und relativ groß. Diodenlaser sind einfach, klein und etwas abstimmbar, wobei dieselben jedoch keine Schmalbandstrahlung emittieren. Eine Erhöhung der Ausgangsleistung von Diodenlasern, um die Bandbreite zu verringern, ist nicht bevorzugt, da eine Erhöhung um mehrere Größenordnungen erforderlich ist, und die geringe Beschädigungsschwelle von Diodenlasern die Leistung der einzelnen Dioden auf mäßig geringe Werte begrenzt. Eine bessere Alternative besteht darin, die Länge des Diodenhohlraums zu erhöhen. Dies wird am häufigsten durch eine Antireflexionsbeschichtung der Emissionsfacette des Diodenlasers und das Plazieren eines äußeren Reflektors in einem relativ großen Abstand von der Diode erreicht. Dieser Lasertyp wird üblicherweise als ein Externhohlraum-Diodenlaser bezeichnet. Eine Abstimmbarkeit dieser Vorrichtung wird durch die Verwendung eines Reflexionsgitters als externem Reflektor erreicht (beispielsweise Hewlett-Packard Journal, Februar 1993). Jedoch hat eine Zunahme der Hohlraumlänge (typischerweise im Bereich von 10 oder einigen 10 cm) eine Zunahme der Hohlraum-Longitudinalmodendichte zur Folge. Wenn das Gitter abgestimmt wird, findet sehr häufig ein Longitudinalmodenspringen (eine unzweckmäßige Diskontinuität in der Abstimmkurve) statt.
Die nachveröffentlichte EP0762573A1 und die US4860305 betreffen Halbleiterlaser mit externem Resonator. Licht von dem Laser wird durch den externen Resonator zurück in den Laser reflektiert.
Die DE 3718908C1 beschreibt ein Laserspektrometer zum Nachweis verschiedener Stoffe, die in geringer Konzentration in einer Probe vorliegen. Die Messung erfolgt gemäß der Intracavityspektroskopie mit breitbandigen Multimodenlasern, bei der als aktive Medien entspiegelte Halbleiterlaser eingesetzt werden.
Die US5432610 beschreibt ein Halbleiterlasersystem mit einem Diodenlaser, einem optischen Hohlraum, der durch zwei reflektive Elemente gebildet ist, und einer in dem Hohlraum angeordneten Probe.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Efindung, ein Lasersytem zur Analyse einer Probe zu schaffen, das einen passiv gekoppelten Laser mit einem relativ einfachen Aufbau aufweist, der noch in der Lage ist, Licht hoher Intensität zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch ein Lasersystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Lasersystem, das einen ersten Resonanzhohlraum und einen zweiten Resonanzhohlraum mit einem gemeinsamen Reflektor zwischen denselben aufweist. Diese Resonanzhohlräume sind hierin jeweils als der ”Laserhohlraum” und der ”externe Resonanzhohlraum” (oder einfach der ”externe Hohlraum”) definiert. Typischerweise weist das Laseraufbausystem drei Reflektoren auf: einen ersten Reflektor mit einem Reflexionsvermögen (R₁), einen zweiten Reflektor, der von dem ersten Reflektor beabstandet ist, um den Laserhohlraum zu definieren, und einen dritten Reflektor, der von dem zweiten Reflektor beabstandet ist, um den externen Hohlraum zu definieren. Der zweite Reflektor weist ein Reflexionsvermögen (R₂) auf, das größer ist als das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors. Der dritte Reflektor weist ebenfalls ein Reflexionsvermögen (R₃) auf, das größer ist als das Reflexionsvermögen des ersten Reflektors (R₁). Ein Laserverstärkungsmedium ist in dem Laserhohlraum enthalten, um Licht zu emittieren, um in dem Laserhohlraum in Resonanz zu treten. Licht gelangt aus dem Laserhohlraum, um in dem externen Resonanzhohlraum in Resonanz zu treten. Ein Teil des Lichts gelangt aus dem externen Resonanzhohlraum zurück in den Laserhohlraum, um das Laserverstärkungsmedium optisch zu verriegeln.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Hohlraumlänge des externen Resonanzhohlraums einstellbar, um die Resonanzfrequenz abzustimmen.
Unter Verwendung eines solchen Systems ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserlichts hoher Intensität geschaffen. Bei diesem Verfahren tritt Licht, das von dem Laserverstärkungsmedium emittiert wird, in dem Laserhohlraum in Resonanz und betritt den externen Resonanzhohlraum, wobei es in demselben in Resonanz tritt, um eine hohe Intensität zu erreichen. Ein Teil des Resonanzlichts in dem externen Resonanzhohlraum wird durch den zweiten Reflektor zurück zu dem Laserhohlraum transmittiert, um das Laserverstärkungsmedium durch eine starke optische Rückkopplung optisch auf eine Resonanzfrequenz des externen Resonanzhohlraums zu verriegeln.
Im Gegensatz zu bekannten Externhohlraum-Diodenlasern ist bei der vorliegenden Erfindung das Reflexionsvermögen des zweiten Reflektors (R₂) nicht kleiner gemacht als das des ersten Reflektors (R₁). Aufgrund der Wahl der relativen Werte von R₁, R₂ und R₃, ist die Frequenzbandbreite des Laserhohlraums größer als die des externen Hohlraums. Bei diesem Laseraufbausystem dominiert der externe Schmalbandhohlraum durch eine optische Rückkopplung das Laserverstärkungsmedium. Auf diese Weise kann eine volloptische passive Verriegelung (ohne den Bedarf nach elektromechanischen Komponenten, um die räumliche Beziehung der optischen Elemente oder die optische Phase einzustellen) des Laserverstärkungsmediums auf den externen Hohlraum erhalten werden. Anders als bei herkömmlichen passiv verriegelnden Lasersystemen ist bei der vorliegenden Erfindung ein stabiler Betrieb mit einer dimensionierbaren Menge einer Resonanzrückkopplung erhältlich, um das Laserverstärkungsmedium auf die Resonanzfrequenz des externen Hohlraums zu verriegeln. Dies wird als passive ”Starkrückkopplungs”-Verriegelung bezeichnet. Bei einer solchen passiven Starkrückkopplungsverriegelung wird anders als bei den oben erwähnten herkömmlichen Systemen kein zusätzlicher elektromagnetischer Mechanismus benötigt, um die Phase und den Betrag des Lichts zu steuern, das zu dem Laserverstärkungsmedium zurückgeführt wird.
Jedoch benötigt im Unterschied zu herkömmlichen Laseraufbausystemen, die eine relativ große Rückkopplungsverriegelung verwenden (beispielsweise in US5038352 oder bei Kozlovsky), die zusätzliche optische Elemente (beispielsweise Spiegel) erfordern, um die Stabilität zu erleichtern, das vorliegende Laseraufbausystem keine zusätzlichen Elemente für eine zusätzliche Stabilität. Es ist allgemein bekannt, daß zusätzliche optische Elemente eine Ausrichtung erfordern und das Herstellungsverfahren komplizieren, und ferner die Kosten für die Komponenten erhöhen.
Da sich das Laserverstärkungsmedium nicht innerhalb des externen Hohlraums befindet, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ferner ein Licht sehr hoher Intensität (Leistung) in dem externen Hohlraum vorliegen, ohne eine Beschädigung des Laserverstärkungsmediums zu bewirken. Das hohe Reflexionsvermögen der Reflektoren ermöglicht, daß Licht in mehreren Durchläufen in dem externen Hohlraum reflektiert wird, wodurch eine schmale Bandbreite ermöglicht wird, ohne eine große Hohlraumlänge zu erfordern. Gemäß dieser Erfindung kann eine Laserlichtquelle hoher Intensität mit einer theoretisch minimalen Anzahl von Komponenten aufgebaut sein (einschließlich optischer Elemente, beispielsweise Reflektoren, und elektromechanischer Elemente, um die Position der optischen Elemente fein abzustimmen). Die Intensität in dem externen Resonanzhohlraum kann um eine oder mehrere Größenordnungen höher sein als die des Laserhohlraums und kann 10 bis 10⁵ mal so hoch wie die sein, die durch das Verstärkungsmedium emittiert wird. Ferner besitzt der externe Schmalbandbreitenhohlraum einen zeitlichen Mittelungseffekt auf die Diodenemission, was schnelle Schwankungen minimiert (der externe Hohlraum kann als ein optischer Kondensator betrachtet werden). Daher ist die vorliegende Erfindung einzigartig geeignet, um eine kompakte Lichtquelle hoher Intensität zu liefern.
Das Licht hoher Intensität, das bei dem Laseraufbausystem oder dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verfügbar gemacht wird, weist eine Vielzahl von Anwendungen auf. Beispiele schließen die folgenden ein, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt: (1) Diodenlaser-Modenreinigung – wo ein gut charakterisierter Ausgangsstrahl von einer oder mehreren Festkorperquellen erforderlich ist; (2) chemische Erfassung (wie beispielsweise in US5432610 und in US5437840 beschrieben ist); eine Partikelzählung; eine nichtlineare Frequenzerzeugung (beispielsweise unter Verwendung eines nichtlinearen Mediums innerhalb des externen Hohlraums); eine Umweltbedingungs-Erfassung; und eine Abstandsmessung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren gleiche Merkmale bezeichnen, näher erläutert. Es zeigen:
1A eine schematische Darstellung von Licht, das ohne Resonanz auf einen optischen Hohlraum einfällt;
1B eine schematische Darstellung von Licht, das mit Resonanz auf einen optischen Hohlraum einfällt;
1C eine grafische Darstellung einer Hohlraumreflexion, bezogen auf eine normierte Frequenz, die den Effekt der Reflexionsvermögen der Reflektoren in einem optischen Hohlraum zeigt;
2 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Lasersystems;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels eines Lasersystems, das eine Modenanpassungsvorrichtung aufweist;
4A eine schematische Darstellung noch eines weiteren Beispiels eines Lasersystems, bei dem sich die reflektierenden Oberflächen des Laserhohlraums auf dem Verstärkungsmedium befinden;
4B eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Lasersystems, das mehr als ein Verstärkungsmedium aufweist;
5 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Beispiels des Lasersystems mit einer Frequenzbegrenzungsvorrichtung;
6 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Frequenzbegrenzungsvorrichtung;
7 eine grafische Darstellung des Schwellenstroms des Verstärkungsmediums bezogen auf die Laserhohlraumlänge und die Externhohlraumlänge mit einer Frequenzbegrenzungsvorrichtung;
8 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Beispiels eines Lasersystems, die einen nichtlinearen Kristall in dem externen Hohlraum zeigt;
9 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Beispiels eines Lasersystems, die einen nichtlinearen Kristall, auf dem reflektierende Oberflächen gebildet sind, zeigt;
10 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Beispiels eines Lasersystems, bei dem die reflektierenden Oberflächen auf einen Festkörperträger aufgebracht sind;
11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Lasersystems der vorliegenden Erfindung, die eine Probe, die analysiert wird, und einen Detektor zum Erfassen der Lichtwechselwirkung durch die Probe zeigt; und
12 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Lasersystemsm, die einen piezoelektrischen Stapel zum Einstellen des Abstands zwischen dem zweiten und dem dritten Reflektor zeigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine zweite reflektierende Oberfläche (oder ein Reflektor) mit einem relativ großen Reflexionsvermögen zwischen einer ersten reflektierenden Oberfläche (oder einem Reflektor) und einer dritten reflektierenden Oberfläche (oder einem Reflektor) angeordnet, um einen Laserhohlraum (der ein Laserverstärkungsmedium enthält) und einen externen Hohlraum zu definieren. Licht tritt in dem externen Hohlraum in Resonanz und gelangt aus demselben zurück, um eine Rückkopplung zu liefern, um das Laserverstärkungsmedium passiv auf die Resonanzfrequenz des externen Hohlraums zu verriegeln.
Ein erstes Beispiel des Laseraufbausystems ist in 2 gezeigt. Drei reflektierende Oberflächen (oder Reflektoren) 101, 102 und 104 sind bei dem Lasersystem derart angeordnet, daß sich Licht auf einem geradlinigen Lichtweg (der durch eine Achse oder Linie 106 dargestellt ist) zwischen denselben ausbreiten kann. Die Reflexionsvermögen der drei Oberflächen 101, 102 und 104 sind R₁, R₂ bzw. R₃. Ein Laserhohlraum 108 (in diesem Fall ein optischer zweispiegelhohlraum) ist zwischen den reflektierenden Oberflächen (oder Reflektoren) 101 und 102 definiert. Die reflektierenden Oberflächen 102 und 104 definieren einen weiteren zweispiegelhohlraum, den externen Hohlraum 106. Ein optisches Verstärkungsmedium 114 ist auf eine solche Art und Weise in dem Laserhohlraum 108 angeordnet, daß dasselbe Licht, das sich entlang der Achse 106 ausbreitet, verstärkt, ohne irgendeine wesentliche, zusätzliche Reflexion einzuführen. Dies kann durch eine Antireflexionsbeschichtung der Facetten des Verstärkungsmediums 114 geschehen, um eine Reflexion zu beseitigen. Eine alternative Möglichkeit, eine Reflexion von dem Verstärkungsmedium zu vermeiden, besteht darin, die Facette(n) desselben abzuschrägen. Wenn die Werte von R₁, R₂ und R₃ gemäß der Erfindung gewählt sind und das Verstärkungsmedium eine optische Nichtlinearität zeigt, dann weist oberhalb der Laserschwelle das Licht in beiden Hohlräumen 108 und 110 die gleichen optischen Eigenschaften (d. h. Frequenz und Bandbreite) auf. Die optischen Eigenschaften des Lichts in dem Laserhohlraum 108 sind durch das Licht in dem externen Hohlraum 110 bestimmt.
Ein signifikanter Teil des Lichts, das auf den externen Hohlraum 110 einfällt, gelangt durch die reflektierende Oberfläche 102 in den Laserhohlraum 108 zurück, um das Verstärkungsmedium optisch zu verriegeln. Abhängig von der Anwendung und dem Betrag des Lichts, das den externen Hohlraum verläßt (beispielsweise durch die reflektierende Oberfläche 104), kann sich der Betrag des Lichts, das zurückkehrt, um das Verstärkungsmedium optisch zu verriegeln, ändern. Im allgemeinen beträgt dieser Betrag von etwa 3% bis etwa 90%; und vorzugsweise aufgrund von optischen Begrenzungen allgemein verfügbarer optischer Elemente von etwa 10% bis etwa 50%. Folglich hat dies eine starke optische Rückkopplung für eine volloptische passive Verriegelung des Verstärkungsmediums auf die Resonanzfrequenz des externen Hohlraums zur Folge. Ein geeignetes Verstärkungsmedium weist eine adäquate Nichtlinearität auf, so daß dasselbe mit einer starken optischen Rückkopplung optisch auf den externen Hohlraum verriegelt werden kann. Obwohl ein Diodenlaser aufgrund seiner großen Nichtlinearität das bevorzugte Verstärkungsmedium ist, können andere nichtlineare Verstärkungsmedien, beispielsweise ein Titan-dotierter Saphir, organische Materialien und dergleichen, verwendet werden.
Die Bandbreite eines optischen Hohlraums ist durch die Reflexionsvermögen der Hohlraumspiegel bestimmt. Bei dieser Erfindung sind die Reflexionsvermögen R₂ und R₃ gewählt, um viel größer zu sein als das Reflexionsvermögen R₁. Bei derartigen Reflexionsvermögen ist die Bandbreite des externen Hohlraums 110 um mehrere Größenordnungen kleiner als die Bandbreite des Laserhohlraums 108. Die Laserhohlraumlänge und die Externhohlraumlänge sind die optischen Entfernungen zwischen den Oberflächen 101 und 102 bzw. zwischen den Oberflächen 102 und 104.
Gemäß dieser Erfindung beträgt der Wert von R₁ im allgemeinen von etwa 0,1 bis etwa 0,99, R₂ beträgt von etwa 0,9 bis etwa 0,999999, und R₃ beträgt von etwa 0,9 bis etwa 0,999999. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise einer chemischen Analyse ( U.S. Patent 5,432,610 ) beträgt R₁ vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 0,99, R₂ beträgt von etwa 0,995 bis etwa 0,999999, und R₃ beträgt von etwa 0,995 bis etwa 0,999999, um Licht höherer Intensität in dem externen Hohlraum zu liefern. Bei einigen anderen Anwendungen, beispielsweise einer nichtlinearen Innerhohlraumerzeugung von Licht, liegen die bevorzugten Werte zwischen 0,1 und 0,99 für R₁, zwischen 0,9 und 0,999999 für R₂ und zwischen 0,9 und 0,999999 für R₃. Um eine stärkere optische Rückkopplung zu besitzen, ist es außerdem bevorzugt, daß R₁ kleiner als R₂ ist, das vorzugsweise kleiner als R₃ ist (d. h. R₁ < R₂ < R₃). Jedoch wird das optisch verriegelte System noch funktionieren, wenn R₂ größer oder gleich R₃ ist. In der Praxis (unter Verwendung realer Komponenten) können R₂ und R₃ gleich sein, wobei das Reflexionsvermögen des Hohlraums aufgrund von Streuverlusten des Lichts dennoch nicht Null ist.
Bei herkömmlichen Externhohlraum-Diodenlasern (ECL; ECL = external cavity diode laser) (beispielsweise denjenigen, die von Jens Buus, Single frequency semiconductor lasers, SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, WA, 1991, Sektion 8.2, beschrieben sind) sind die Oberflächen 101 und 102 die Facetten eines Diodenlasers. Es ist gut bekannt, daß für einen stabilen Betrieb das Reflexionsvermögen R₂ so klein wie möglich gemacht wird – um Größenordnungen kleiner als R₁ (P. Zorabedian, ”Axial-mode instability in tunable external-cavity semiconductor lasers”, Juli 1994, Bd. 30 (7), S. 1542–1552, IEEE Journal of Quantum Electronics). Es ist ebenfalls gut bekannt, daß, wenn R₃ groß ist und R₂ sich R₁ nähert, das System, das in 2 gezeigt ist, den Kohärenzkollapsbereich betritt (J. Buus, siehe oben) und der Betrieb instabil wird. Eine Instabilität ist durch eine Ungleichheit der optischen (Phasen-)Eigenschaften des Lichts in den zwei Hohlräumen 108 und 110 gekennzeichnet und hat üblicherweise eine Linienbreitenverbreiterung zur Folge. Unter Bedingungen einer höheren Rückkopplung (beispielsweise mehr als 10%) arbeitet der Diodenlaser nur stabil, wenn die Emissionsfacette antireflexionsbeschichtet ist (R. W. Tkach und A. R. Chraplyvy, ”Regimes of feedback effects in 1,5 μm distributed feedback lasers”, November 1986, Bd. LT-14 (11), S. 1655–1661, Journal of Lightwave Technology). Wenn eine solche Emissionsfacette antireflexionsbeschichtet ist, ist das Lasersystem tatsächlich ein Zweispiegel-Lasersystem.
Jedoch wird erstaunlicherweise bei dem Zweihohlraum-Lasersystem der vorliegenden Erfindung ein stabiler Betrieb erreicht, wenn R₂ viel größer ist als R₁ (d. h. die entsprechende Transmission desselben um Größenordnungen größer ist als die von R₁). Tatsächlich wird durch das Wählen der Reflexionsvermögen R₁, R₂ und R₃ entsprechend dieser Erfindung ein gänzlich neuer Betriebsbereich erreicht. Außerdem ist das Verhalten dieser Vorrichtung viel besser als das eines herkömmlichen ECL, da die Linienbreite in einem kompakteren Entwurf viel schmaler sein kann, und die Strahlform der stärker erwünschte Hermite-Gaußsche Mode niedrigster Ordnung TEM₀₀ ist. Ein stabiler Betrieb wird bei der vorliegenden Erfindung durch das wohl überlegte Auswählen der Reflexionsvermögen der reflektierenden Oberflächen in dem Laseraufbausystem erreicht.
Gemäß dieser Erfindung sind zwei Resonanzhohlräume (der Laserhohlraum und der externe Hohlraum) durch eine gemeinsame reflektierende Oberfläche, beispielsweise die Oberfläche 102, getrennt. Das Reflexionsvermögen R₁ ist viel kleiner als R₂ und R₃. Es ist gut bekannt, daß die Bandbreite eines einfachen Zweispiegelhohlraums von den Spiegelreflexionsvermögen abhängt – je höher die Reflexionsvermögen, desto kleiner die Bandbreite. Folglich ist die Bandbreite des Laserhohlraums 108 viel größer als die des externen Hohlraums 110. Unter einer Breitbandbeleuchtung kann das zirkulierende elektrische Feld in dem Laserhohlraum 108 als die Summe zweier Komponenten betrachtet werden; eine mit einer großen Bandbreite (die in dem Laserhohlraum entsteht) und die andere mit einer kleinen Bandbreite (die in dem externen Hohlraum 110 entsteht und durch den Spiegel 102 entweicht). Damit das Licht in dem Laserhohlraum 108 die gleichen optischen Eigenschaften aufweist wie das Licht in dem externen Hohlraum 110, muß die Komponente mit der schmalen Bandbreite dominieren, wenn die Verstärkung des Verstärkungsmediums 114 zu der Laserschwelle hin erhöht wird.
1C zeigt, daß für einen Hohlraum mit R₁ = 0,4 und R₂ = 0,9 (Kurve C1) das Reflexionsvermögen eines Hohlraums bei einer Hohlraumresonanz 60% von dem des vorderen Spiegels (der ein Reflexionsvermögen von R₁ aufweist) sein kann. Die Kurve C2 zeigt das Reflexionsvermögen für einen Hohlraum mit R₁ = R₂. Für ein System, wie es in 2 gezeigt ist, bei dem R₁ = 0,85, R₂ = 0,99936 und R₃ = 0,99999, kann das Reflexionsvermögen des externen Hohlraums 110 bei der Hohlraumresonanz zu 94% dessen des vorderen Spiegels (R₂) berechnet werden. Jedoch ist für eine Laserhohlraumlänge von 5 cm und eine Externhohlraumlänge von 9 cm die Bandbreite des äußeren Hohlraums beinahe 280 mal kleiner als die des Laserhohlraums. Es ist bekannt, daß die Schwelleninversionsdichte für eine Lasertätigkeit umgekehrt proportional zu der Hohlraumbandbreite ist (A. E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA, 1986, S. 511). Das Licht mit der schmalen Bandbreite von dem externen Hohlraum wird die Lasertätigkeitsschwelle bei einer geringeren optischen Verstärkung erreichen als die breitbandige Laserhohlraumkomponente. Folglich wird das Verstärkungsmedium durch die Rückkopplung von dem externen Hohlraum 110 dominiert, und nicht von der einfachen Reflexion von der Oberfläche 102. Obwohl angenommen wird, daß die obige Theorie korrekt ist, ist der Betrieb und der Aufbau der Lasersysteme der vorliegenden Erfindung durchführbar und hängt nicht vor irgendeiner speziellen Theorie ab.
3 zeigt ein weiteres Beispiel. Bei diesem ist das Verstärkungsmedium in die Struktur eines Halbleiterdiodenlasers 214 eingebaut. Die hintere Facette des Lasers ist beschichtet, um reflektierend zu sein, und bildet eine Oberfläche 201. Die Emissionsfacette 203 des Diodenlasers ist antireflexionsbeschichtet (AR-beschichtet), mit einem Reflexionsvermögen vorzugsweise im Bereich von weniger als 10^–3. Reflektierende Oberflächen 202 und 204 sind auf Spiegel (Substrate) 207 bzw. 209 beschichtet. Diese Oberflächen weisen geeignete Krümmungen auf, um einen stabilen räumlichen Mode in dem externen Hohlraum 210 (zwischen den Oberflächen 202 und 204) zu unterstützen. Moden-Anpassungsoptiken 216 (beispielsweise Linsen und/oder Prismen), die Fachleuten gut bekannt sind, können verwendet werden, um die Diodenemission in dem externen Hohlraum 210 räumlich anzupassen. Die Oberfläche 219 des Spiegels (des Substrats) 207, die dem Laserhohlraum 208 zugewandt ist, ist vorzugsweise antireflexionsbeschichtet mit einem Reflexionsvermögen im Bereich von etwa 0,04 bis 0,001. Alternativ kann die Oberfläche 219 eine Schräge in einem Winkel bezüglich des Lichtwegs 206 sein, um die Lichtreflexion derselben in das Verstärkungsmedium zu reduzieren.
Beispielsweise kann ein derartiges System unter Verwendung eines Diodenlasers Philips CQL801D als dem Verstärkungsmedium 214, dessen Emissionsfacette 203 beschichtet ist, um ein Reflexionsvermögen in dem Bereich von 10^–5 bis 10^–4 aufzuweisen, aufgebaut sein. Die Spiegel 207 und 209 (die Oberflächen mit Reflexionsvermögen R₂ = R₃ = 0,99999 aufweisen), können von Research Electro-optics, Boulder, CO, erhalten werden. Der Krümmungsradius jeder der Oberflächen 202 und 204, die den externen Hohlraum bilden, beträgt 5 cm. Die Moden-Anpassungsoptiken bestehen aus einer AR-beschichteten Gradientenindexlinse (GRIN-Linse) mit einer Moden-Anpassungslinse eines 0,23-Abstands und einer Fokuslänge von 5 cm. Die Externhohlraumlänge beträgt 2 cm und die Laserhohlraumlänge beträgt 4 cm. Bei einem Diodenstrom von etwa 70 mA (der von einer 9 V-Transistorbatterie erhalten wird) wurde ein stabiler Dauerwellen-Betrieb (CW-Betrieb; CW = continuous wave) mit einer Gesamtleistung von etwa 145 W, die in einem TEM₀₀-Mode in dem externen Hohlraum erzeugt wurde, bei einem derartigen System erhalten.
Der optimale Wert von R₂ hängt von einem Kompromiß zwischen der gewünschten Leistung in dem externen Hohlraum und der Rückkopplung (oder der Systemstabilität) zu dem Verstärkungsmedium ab. Wenn der optische Verlust der Moden-Anpassungsoptiken (oder irgendeiner anderen optischen Komponente in dem Laserhohlraum) groß ist und die Oberfläche 203 nicht perfekt antireflexionsbeschichtet ist, muß beispielsweise mehr Licht von dem externen Hohlraum in den Laserhohlraum durchgelassen werden, um in dem hohen Rückkopplungsbereich ein stabiles Systemverhalten zu erreichen. Dies kann erreicht werden, indem der Wert von R₂ reduziert wird, während der Wert von R₃ konstant gehalten wird (siehe 1C). Jedoch wird gleichzeitig die Leistung in dem externen Hohlraum abnehmen. In der Praxis hängt der optimale Wert von R₂ von dem optischen Verlust und dem Grad der Modenanpassung ab.
Bei einem weiteren Beispiel (4A) können beide reflektierenden Oberflächen des Laserhohlraums auf ein Verstärkungsmedium aufgebracht sein (vorzugsweise einen Diodenlaser). Eine Oberfläche 301 und eine stark reflektierende Oberfläche 302 sind jeweils durch die hintere und die Emissions-Facette des Diodenlasers gebildet, um ein Dreireflektorsystem (d. h. reflektierende Oberflächen 301, 302, 304) zur Folge zu haben. Die reflektierende Oberfläche 304 kann auf ein Spiegelsubstrat 309 aufgebracht sein. Wiederum sollte die Krümmung der Oberflächen 301, 302 und 304 gewählt sein, um einen stabilen Hohlraummode auf eine Art und Weise zu unterstützen, die Fachleuten gut bekannt ist. Eine geeignete Technik zum Bilden derartiger reflektierender Oberflächen besteht aus dem Aufbringen eines dielektrischen Stapelspiegels auf ein Substrat und Übertragen des Stapels auf die Emissionsfacette (E. Schmidt u. a., ”Evaporative coatings”, Mai 1995, S. 126–128, Photonics Spectra).
4B zeigt ein Beispiel, bei dem mehr als ein Verstärkungsmedium gleichzeitig mit dem externen Hohlraum optisch verriegelt ist, sofern das zusätzliche Verstärkungsmedium oder die Medien eine Nichtlinearität zeigen. Gemäß 4B, einem System ähnlich dem von 2, ist ein zusätzliches Verstärkungsmedium 114A in einem zweiten Laserhohlraum 108A enthalten, der zwischen einer reflektierenden Oberfläche 101A mit einem Reflexionsvermögen von R₄ und der reflektierenden Oberfläche 102 über einen Strahlteiler 103 definiert ist. R₄ kann, muß aber nicht, gleich wie R₁ sein, sofern dasselbe auf eine analoge Art und Weise funktioniert, um eine Resonanz und eine Lichteingabe in den externen Resonanzhohlraum 110 zu bewirken. In gleicher Weise können das zusätzliche Verstärkungsmedium 114A und der zusätzliche Laserhohlraum 108A die gleiche Bandbreite wie das erste Verstärkungsmedium 114 und der erste Laserhohlraum 108 aufweisen, müssen jedoch nicht. Tatsächlich können das Verstärkungsmedium 114A und der Laserhohlraum 108A bei einer Frequenz in Resonanz treten, die sich von der des Verstärkungsmediums 114 und des Laserhohlraums 108 unterscheidet. Der Vorteil des optischen Verriegelns von mehr als einem Verstärkungsmedium auf den externen Hohlraum besteht darin, daß eine größere Leistung oder zusätzliche Frequenzen in dem externen Hohlraum eingefangen werden können. Zusätzliche Verstärkungsmedien könnten auf die gleiche Art und Weise hinzugefügt werden. Der Strahlteiler 103 kann ein Polarisationsstrahlteiler sein. Bei einem weiteren verwandten Beispiel kann bei einem System, das ähnlich dem von 3 ist, ein Diodenarray das Diodenverstärkungsmedium 214 ersetzen.
Begrenzen der Resonanzfrequenzen
Ein Beispiel mit einer Frequenzbegrenzungsvorrichtung ist in 5 gezeigt. Im allgemeinen weist das Verstärkungsmedium eine Verstärkungsbandbreite auf, die viele Hohlraumresonanzfrequenzen überspannt. Bei einem Lasersystem mit optischer Rückkopplung kann das Verstärkungsmedium auf eine beliebige der externen Hohlraumresonanzfrequenzen verriegeln. Beispielsweise weisen typische InGaAlP-Diodenlaser eine Verstärkungsbandbreite von näherungsweise 10 THz auf, zentriert um 670 nm, wobei der Resonanzfrequenzabstand des externen Hohlraums 1,5 GHz beträgt, wenn die Länge des externen Hohlraums 10 cm ist. Dies bedeutet, daß das System auf eine beliebige von mehr als 6.000 möglichen Frequenzen verriegeln kann. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise einem Partikelzählen, ist dieser Frequenzbereich akzeptabel, während für andere Anwendungen, beispielsweise bestimmte chemische, z. B. spektrale, Analysen, nichtlineare Frequenzumwandlungen oder Distanzmessungen, die Anzahl von möglichen Verriegelungsfrequenzen begrenzt sein muß (in einigen Fällen auf weniger als 10). Unter diesen Umständen kann eine Frequenzbegrenzungsvorrichtung verwendet werden, um die unerwünschten Frequenzen herauszufiltern. Beispiele derartiger Vorrichtungen sind detailliert in US5432610 (siehe oben) beschrieben. Diese Vorrichtungen können Gitter, Etalone, Lyotfilter, dielektrische Stapelfilter oder Kombinationen derselben einschließen. Die US5432610 beschreibt ferner, wie die rückseitige Oberfläche eines Diodenlaser-Verstärkungsmediums mit einem verteilten Bragg-Reflektor beschichtet sein kann, was ebenfalls die möglichen Frequenzen des Systems begrenzt.
Wie in 5 gezeigt ist, ist eine Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 zwischen Moden-Anpassungsoptiken 216 und einem Spiegel 205 in einem System, das ähnlich dem von 3 ist, plaziert. Auf diese Weise erzeugt die Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 die größte Wirkung unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Komponenten. Ein derartiges System wurde unter Verwendung eines Diodenlasers Philips CQL801D als Verstärkungsmedium 214 aufgebaut, dessen Emissionsfacette beschichtet war, um ein Reflexionsvermögen im Bereich von 10^–5 bis 10^–4 aufzuweisen. Die Moden-Anpassungsoptik 216 bestand aus einer antireflexionsbeschichteten (AR-beschichteten) Linse mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,48 und einer Fokuslänge von 4,8 mm, einem anamorphotischen Prismenpaar (3:1) und einer Linse einer Fokuslänge von 25 cm. Die Oberflächen 202 und 204 hatten einen Krümmungsradius von 17 cm, mit R₂ = 0,9999 und R₃ = 0,99999. Die Länge des externen Hohlraums 210 betrug 10 cm.
Die Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 für dieses Beispiel ist in 6 dargestellt. Dieselbe bestand aus einem metallisierten Spiegel 232 und einem Brechungsgitter 236 (Zeiss) mit 1.800 g/mm, derart angeordnet, daß der Spiegel 232 einen zweiten Durchlauf des optischen Strahls entlang des Lichtwegs 238 auf dem Brechungsgitter lieferte, wobei die effektive Dispersion verdoppelt wird. Die gleichen Komponenten könnten verwendet werden, um das Licht eine große Anzahl von Malen von dem Gitter prallen zu lassen, wodurch die Gesamtsystembandbreite verringert wird. Alternativ könnte auch ein Abprallen auf dem Brechungsgitter verwendet werden. Bei diesem System wurde mit einem Diodenstrom von 65 mA Licht von etwa 230 W mit einem stabilen Systemverhalten in dem externen Hohlraum erzeugt.
Eine weitere bevorzugte Frequenzbegrenzungsvorrichtung ist ein Ultraschmalband-Transmissionsfilter, das auf dielektrischen Stapelfiltern mit sehr geringem Verlust basiert, die um eine Schicht der Dicke einer halben Wellenlänge beabstandet sind (Research Electro-optics, Boulder, CO). Ein Filter, das auf einem Substrat von 2,54 cm (1 Inch) abgeschieden ist, wurde in einem System ähnlich dem von 5 verwendet. Das Filter besaß eine Transmission von etwa 80% und eine Bandbreite von 0,08 nm. Dieses Filter wurde in einem System betrieben, das aus einem AR-beschichteten Diodenlaser Toshiba 9225 214 besteht. Die Moden-Anpassungsoptik 216 besteht aus einer AR-beschichteten Linse mit NA = 0,48 und einer Fokuslänge von 4,8 mm; einem zylindrischen 3:1-Galilei-Teleskop (Fokuslängen +38,1 mm und –12,7 mm); und einer sphärischen 12,5 cm-Linse 216, mit einem Ultraschmalband-Transmissionsfilter als der Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222. Die Spiegel 207 und 209 von Research Electro-optics weisen jeweils einen Krümmungsradius von 10 cm auf. Die Länge des externen Hohlraums war 8 cm. Das Reflexionsvermögen R₃ der Oberfläche 204 war etwa 0,99999. Unterschiedliche Werte von R₂ (dem Reflexionsvermögen der Oberfläche 202) wurden verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 tabellarisch dargestellt. Tabelle 1

R₂ Diodenstrom (mA) Leistung (W) im externen Hohlraum, etwa

0,99936 72 60

0,99966 78 70

0,99980 69 100
Der Vorteil der Verwendung eines Ultraschmalband-Transmissionsfilters als der Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 besteht darin, daß alle Komponenten entlang einer einzelnen geraden Achse 206 ausgerichtet sein können. Bei einem weiteren Beispiel kann das Ultraschmalband-Transmissionsfilter direkt anstelle der Antireflexionsbeschichtung 219 auf dem Spiegel 207 aufgebracht sein.
Bei einigen Anwendungen ist es bevorzugt, daß nur einer oder einige wenige Externhohlraummoden lasern (d. h. in Resonanz treten). Zu diesem Zweck kann man dem Verhältnis zwischen Laserhohlraum und Externhohlraum-Länge eine zusätzliche Beschränkung auferlegen. Wenn der Betrieb durch die Bandbreite des Verstärkungsmediums oder die Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 auf nur einige wenige Moden beschränkt ist, hängt die Leistungsstabilität von dem effektiven Verriegelungsbereich des Verstärkungsmediums ab. In dem Fall einer Laserdiode findet die Verriegelung teilweise aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Verstärkung und der Phase (da die Wellenlänge durch den externen Hohlraum bestimmt ist), ebenso wie dem effektiven Reflexionsvermögen des externen Hohlraums statt (C. H. Henry u. a., Locking range and stability of injection locked 1,54 μm InGaAsP semiconductor lasers”, Aug. 1985, Bd. QE-21 (8), S. 1152–1156, IEEE Journal of Quantum Electronics). Damit der externe und der Laserhohlraum bei der gleichen Wellenlänge in Resonanz treten, muß die optische Weglänge in jedem Hohlraum eine ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlängen sein. Der Diodenlaser kann seine Phasenverzögerung einstellen, um diese Bedingung durch das Ändern der gesättigten Verstärkung anzupassen (C. H. Henry u. a., siehe oben).
Es kann mathematisch gezeigt werden, daß, damit ein stabiler Aufbau in dem Laserhohlraum (und daher eine Frequenzverriegelung) auftritt, das elektrische Feld in dem Laserhohlraum mit unterschiedlichen Phasenverzögerungen bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen des externen Hohlraums erscheint. Das Verhältnis, r, der Längen des Laserhohlraums und des externen Hohlraums kann als r = n + a/b ausgedrückt werden, wobei n eine ganze Zahl ist, wohingegen a und b Realzahlen sind. Wenn a = 0, ist das Verhältnis r ganzzahlig. Dann tritt das elektrische Feld bei allen Externhohlraum-Resonanzfrequenzen mit der gleichen Phasenverzögerung auf, wiederholend alle 2π. Der Diodenlaser weist eine anfängliche Phasenverzögerung auf, die sich von der des elektrischen Feldes bei einer beliebigen der Hohlraumresonanzfrequenzen unterscheiden kann. In diesem Fall ist der maximale Phasenbetrag (d. h. die Verstärkung), die der Diodenlaser einstellen muß, um auf den externen Hohlraum verriegelt zu bleiben ±π. Andererseits kann gezeigt werden, daß, wenn a = 1 und b = 3 und der Diodenhohlraum darauf beschränkt ist, über nur drei Moden zu lasern (beispielsweise durch die Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222), die maximale Phaseneinstellung ±π/3 ist. Ohne eine Frequenzbegrenzungsvorrichtung kann der Diodenlaser einfach bei einer unterschiedlichen Hohlraumresonanzfrequenz lasern, um die zusätzliche Phasenverzögerung zu erreichen.
Wenn der Diodenlaser auf nur einige wenige Moden beschränkt ist, kann eine Verriegelungsinstabilität auftreten, wenn die Diode die Phasenverzögerung nicht weit genug einstellen kann. Die Nichtlinearität, die für eine verstärkungsabhängige Phase verantwortlich ist, unterscheidet sich unter Diodenlasern. In Fällen, in denen die Nichtlinearität klein ist, ist eine kleine Einstellung der Phasenverschiebung gegenüber einer großen bevorzugt, um eine stabile Verriegelung beizubehalten. Dieser Effekt ist in 7 gezeigt, in der ein System von 5 verwendet wurde. Das Verstärkungsmedium 214 war ein Laser Hitachi 6714G und die Frequenzbegrenzungsvorrichtung war ein Ultraschmalbandübertragungsfilter. Der Schwellenstrom (ein Maß der gesättigten Verstärkung) ist größer, immer wenn die Laserhohlraumlänge ein ganzzahliges Vielfaches der Länge des externen Hohlraums (9 cm) ist. Bei Beispielen, bei denen das Verstärkungsmedium einen begrenzten Verriegelungsbereich zeigt (oder eine begrenzte Nichtlinearität), ist ein nichtganzzahliges Verhältnis der Länge des externen Hohlraums zu der Laserhohlraumlänge bevorzugt. Vorzugsweise ist das Verhältnis von b/a groß, noch bevorzugter größer als 3.
Um eine kompakte Vorrichtung mit einem Laseraufbauhohlraum der vorliegenden Erfindung herzustellen, können die erste, die zweite und die dritte reflektierende Oberfläche durch die Bearbeitung (beispielsweise die Mikrobearbeitung) eines Substrats (beispielsweise Silizium, Siliziumdioxid und dergleichen) und das Beschichten mit einem geeigneten dielektrischen Material (oder einem anderen geeigneten reflektierenden Material) hergestellt werden, um an den gewünschten Positionen das ausgewählte Reflexionsvermögen zu erhalten. Auf diese Weise können der Laserhohlraum und der externe Resonanzhohlraum an den richtigen Positionen gebildet werden. Standardbearbeitungstechniken, die Mikrobearbeitungs- und mikrolithografische Techniken einschließen, können verwendet werden. Beispielsweise beschreiben Jerman u. a. (”A miniature Fabry-Perot interferometer with a corrugated silicon diaphragm support”, Sensors and Actuators, 29, 151 (1991)), wie ein Zweispiegelhohlraum mittels einer Mikromaterialbearbeitung zu fertigen ist. Diese Technik kann verwendet werden, um den Laserhohlraum und den externen Resonanzhohlraum eines Dreispiegelsystems gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Außerdem wird angenommen, daß andere optische Komponenten, beispielsweise Moden-Anpassungsvorrichtungen, ebenfalls durch derartige Mikromaterialbearbeitungstechniken gebildet werden können. Das Bilden der optischen Elemente auf einem Substrat (vorzugsweise als eine unitäre, einstückige Einheit) beseitigt den Bedarf nach Befestigungseinrichtungen, beispielsweise einem Kleber, Nuten und Bolzen, Schrauben, Klammern, und dergleichen, und reduziert ferner Ausrichtungs- und Bewegungs-Probleme.
Anwendungen
Beispiele für Anwendungen schließen eine nichtlineare Frequenzumwandlung und Abstandsmessungen ein. Sobald ein geeigneter Laser vorgesehen ist (beispielsweise durch die vorliegende Erfindung), können derartige Operationen von Fachleuten durchgeführt werden. Die Innenhohlraum-Frequenzumwandlung wurde von mehreren Autoren beschrieben: für eine Frequenzverdoppelung von E. S. Polzik und H. J. Kimble, ”Frequency doubling with KNbO₃, in an external cavity”, 15. September, Bd. 16 (18), Optics Letters, W. Lenth und W. P. Risk (siehe oben), W. J. Kozlovsky u. a. (siehe oben) und A. Hemmerich u. a. (siehe oben); und für ein nichtlineares Mischen von P. G. Wigley u. a. (siehe oben) und P. N. Kean und G. J. Dixon, ”Efficient sum-frequency upconversion in a resonantly pumped Nd:YAG laser”, 15. Jan., Bd. 17 (2), Optics Letters.
8 zeigt eine veranschaulichende schematische Ansicht eines Systems, das verwendet werden kann, um von der Frequenz, die durch das Verstärkungsmedium 204 geliefert wird, verschiedene optische Frequenzen zu erzeugen. Ein nichtlinearer Kristall 401 ist innerhalb des externen Hohlraums 110 in einer Einstellung, die ähnlich der von 2 ist, plaziert. Der nichtlineare Kristall wandelt das Licht von dem Verstärkungsmedium 114 in Licht anderer Frequenzen um. Die reflektierenden Oberflächen 402 und 404 ersetzen die Oberflächen 102 und 104 von 2. Die Oberflächen 402 und 404 können, zusätzlich dazu, daß sie die gleichen Reflexionsvermögensbereiche wie die Oberflächen 102 und 104 aufweisen (unter Berücksichtigung des zusätzlichen optischen Verlustes, der dem Durchgang des Lichts durch den Kristall zugeordnet ist), bei allen Frequenzen des Lichts, das nichtlinear erzeugt wird, reflektierend sein. Ein oder mehrere Kristalle können notwendig sein, um die nichtlineare Umwandlung abzuschließen. Wenn es nötig ist, können mehrere Kristalle in dem externen Hohlraum 110 plaziert sein. In einigen Fällen kann eine Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 verwendet sein, beispielsweise wenn die nichtlineare Frequenzumwandlung über einen schmalen Frequenzbereich stattfindet und keine andere Vorrichtung existiert, um die Frequenz zu beschränken.
Bei 8 sind die Kristalloberflächen, die dem Licht in dem Lichtweg 106 ausgesetzt sind, vorzugsweise antireflexionsbeschichtet, um die Bandbreite des externen Hohlraums zu minimieren, wodurch die Frequenzverriegelung des externen Hohlraums auf den Laserhohlraum verbessert wird. Ein alternatives, einfacheres Beispiel ist in 9 gezeigt, bei der die reflektierenden Oberflächen 402 und 404 direkt auf die Oberflächen des Kristalls 401 aufgebracht sind. Wie in 9 gezeigt ist, wird ein Diodenlaser 214 als die optische Quelle verwendet. Eine Moden-Anpassungsoptik 216 und eine Frequenzbegrenzungsvorrichtung 222 können ebenfalls für einen optimalen Betrieb verwendet werden.
Eine optische Distanzmessung erfordert eine Quelle, die einen stabilen Strahl schmaler Bandbreite erzeugt. Eine geeignete Quelle ist ein Beispiel (beispielsweise das, das in 10 gezeigt ist). Bei diesem Beispiel sind die reflektierenden Oberflächen 202 und 204 auf ein Festkörperstück eines optisch transparenten Trägermaterials 501 aufgebracht. Geeignete Trägermaterialien weisen sehr geringe thermische Expansionskoeffizienten auf, beispielsweise Zerodur, einem Warenzeichen für eine Glas/Keramikkombination, die aus einer amorphen und einer kristallinen Komponente besteht, oder Quarzglas. Um die thermische Stabilität zu erhöhen, kann der Festkörperträger 501 thermisch gesteuert werden (wie es gegenwärtig bei herkömmlichen Abstandmessern auf der Basis eines Heliumneonlasers durchgeführt wird). Einrichtungen zur thermischen Steuerung sind in der Technik gut bekannt.
Wie vorher dargelegt wurde, ist das Licht, das mit dem vorliegenden, passiv verriegelten, externen Hohlraum verfügbar gemacht wird (speziell Licht hoher Intensität), zur Verwendung bei der chemischen Erfassung (Analyse) wirksam. Beispielsweise kann gemäß 11, die ein Lasersystem 506 gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, eine Probe 503, die Zielanalyte enthält, in dem Strahlweg 106 in dem externen Resonanzhohlraum 110 plaziert werden, um eine Lichtwechselwirkung (d. h. eine Lichtabsorption, eine Lichtstreuung, eine Raman-Streuung, eine Fluoreszenz, eine indirekte Fluoreszenz, eine Phosphoreszenz und dergleichen) zu bewirken. Ein Detektor 505 kann benachbart zu der Probe 503 positioniert sein, um die Lichtwechselwirkung zu erfassen, wodurch analytische Daten über die Analyte in der Probe 503 geliefert werden. Die Probe kann mittels eines Behälters 507, der Licht der gewünschten Frequenz (oder Frequenzen) nicht wesentlich absorbiert oder reflektiert, in dem Strahlweg plaziert sein. Alternativ können die reflektierenden Oberflächen 102, 104 ein Teil der Struktur (beispielsweise des Behälters), der die Probe begrenzt, sein. Ein weiteres Beispiel ist das Aufbringen der Probe auf die Seite der reflektierenden Oberfläche 104 außerhalb des externen Resonanzhohlraums 110, derart, daß die Lichtwechselwirkung durch eine abklingende Anregung bewirkt wird.
Einstellen des Abstands zwischen dem zweiten Reflektor und dem dritten Reflektor
Um die Resonanzfrequenz des externen Hohlraums abzustimmen (für eine schmale Bandbreite), kann der Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Reflektor durch eine thermische Expansion und Kontraktion der Struktur, die diese zwei Reflektoren trägt, eingestellt werden. 12 zeigt ein alternatives Beispiel, das eine Servovorrichtung zum Bewegen des dritten Reflektors darstellt. Obwohl nur in 12 eine Servovorrichtung gezeigt ist, ist es offensichtlich, daß eine Servovorrichtung auf alle Starkrückkopplungs-Lasersysteme, die hierin beschrieben sind, anwendbar ist, wobei der zweite und der dritte Reflektor beweglich relativ zueinander befestigt sind.
Gemäß 12 ist eine Servovorrichtung in ein Lasersystem, das ähnlich dem von 5 ist, eingebaut. Diese Servovorrichtung 511 weist einen piezoelektrischen Stapel 512 auf, der wirksam mit dem Spiegel 209 der dritten reflektierenden Oberfläche 204 verbunden ist (d. h. mit dem Substrat, auf das die reflektierende Oberfläche aufgebracht ist, verbunden ist). Dieser piezoelektrische Stapel 512 ist wiederum mit dem geeigneten elektrischen Treiber (der in 12 nicht gezeigt ist) zum Treiben desselben verbunden, um eine Bewegung zu bewirken. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen der zweiten und der dritten reflektierenden Oberfläche eingestellt werden, um die Resonanzfrequenz des externen Hohlraums 210 einzustellen.
Die Wellenlänge des Lichts in dem externen Hohlraum kann durch das Untersuchen der Emission durch die Oberfläche 204 (und den Spiegel 209) oder die Oberfläche 201 mit einem Lichtanalysator 513 gemessen werden, welcher die Wellenlänge (oder die Frequenz) mißt. Derartige Wellenlängen-(oder Frequenz-)-Meßvorrichtungen sind in der Technik bekannt und umfassen Gitterspektrometer oder alternativ ein Etalon. (Siehe auch beispielsweise Kuntz u. a., ”Miniature integrated-optical wavelength analyzer chip”, Optics Letters, 20, S. 2300 (1995)). Ferner kann ein elektronisches Rückkopplungssystem (oder eine Vorrichtung) 515 verwendet sein, um den Antrieb des piezoelektrischen Stapels basierend auf einer Rückkopplung von der Wellenlängenmeßvorrichtung zu steuern, um eine gewünschte Wellenlänge von dem Verstärkungsmedium 214 zur Folge zu haben.
Ein wichtiger Vorteil eines Lasersystems der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Qualitität, der räumlichen Moden sehr hoch ist, da die zweite und die dritte reflektierende Oberfläche mit einer geeigneten Krümmung hergestellt werden kann, so daß nur ein räumlicher Mode unterstützt werden kann. Auf die Schmalbandstrahlung kann zugegriffen werden, indem das Entweichen durch die Oberflächen 204 oder 201 analysiert wird. Alternativ kann das Licht innerhalb des externen, Hohlraums analysiert werden, beispielsweise durch eine Doppler-freie Spektroskopie. (Siehe M. D. Levenson, Introduction to Nonlinear Laser Spectroscopy, Academic Press, New York, 1982, S. 164).

Claims

Lasersystem (506) mit folgenden Merkmalen: einem Laserverstärkungsmedium (114); einem ersten Reflektor (101) mit einem Reflexionsvermögen (R₁) und einem zweiten Reflektor (102), der von dem ersten Reflektor (101) beabstandet ist, um einen Laserresonator (108) zu definieren, der das Laserverstärkungsmedium (114) enthält, wobei der zweite Reflektor (102) ein Reflexionsvermögen (R₂) aufweist, das größer als das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101) ist, derart, daß Licht, das von dem Laserverstärkungsmedium (114) emittiert wird, in dem Laserresonator (108) in Resonanz tritt; einem dritten Reflektor (104) mit einem Reflexionsvermögen (R₃), das größer ist als das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101), der von dem zweiten Reflektor (102) beabstandet ist, um mit demselben einen Resonator (110) außerhalb des Laserresonators (108) zu definieren, derart, daß Licht aus dem Laserresonator (108) tritt, um in dem externen Resonator (110) in Resonanz zu treten, und daß Licht aus dem externen Resonator (110) tritt, um das Laserverstärkungsmedium (114) optisch an die Resonanzfrequenz des externen Resonators (110) anzukoppeln; einer Einrichtung (507), die dem externen Resonator (110) zugeordnet ist, um eine analytische Probe der Lichtenergie von dem externen Resonator (110) auszusetzen, um eine Lichtwechselwirkungscharakteristik eines Analyts in der analytischen Probe zu bewirken; und einem Detektor (505), der benachbart zu der Einrichtung (507) positioniert ist, um die Lichtwechselwirkung zu erfassen; wobei das Lasersystem (500) angepaßt ist, um das Vorliegen des Analyts in der analytischen Probe basierend auf der durch den Detektor erfaßten Lichtwechselwirkung zu erfassen.
System gemäß Anspruch 1, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine Laserdiode (214) ist.
System gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101) zwischen 0,1 und 0,99 liegt, das Reflexionsvermögen (R₂) des zweiten Reflektors (102) zwischen 0,9 und 0,999999 liegt, und das Reflexionsvermögen (R₃) des dritten Reflektors (104) zwischen 0,9 und 0,999999 liegt.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Reflexionsvermögen (R₃) des dritten Reflektors (104) größer ist als das Reflexionsvermögen (R₂) des zweiten Reflektors (102), das größer ist als das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101).
System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine Laserdiode (214) ist, wobei bewirkt wird, daß dieselbe durch eine optische Rückkopplung zu der Laserdiode von mehr als 10% des Lichts, das von der Laserdiode zu dem externen. Resonator übertragen wird, auf eine Resonanzfrequenz des externen Resonators (210) verriegelt.
System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, bei dem R₃ größer ist als R₂, das größer ist als R₁.
System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, das ferner ein nichtlineares optisches Element (401) aufweist, das zwischen dem zweiten Reflektor (402) und dem dritten Reflektor (404) angeordnet ist, um Licht von dem Laserverstärkungsmedium in eine unterschiedliche Frequenz umzuwandeln, und wobei der zweite und der dritte Reflektor angepaßt sind, damit Licht der unterschiedlichen Frequenz in eine Resonanz tritt.
System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Laserverstärkungsmedium eine antireflexionsbeschichtete Facette (203) aufweist, die von dem zweiten Reflektor (202) beabstandet und demselben zugewandt ist.
System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Laserverstärkungsmedium (314) zwei antireflexionsbeschichtete Facetten aufweist, die von dem ersten und dem zweiten Reflektor (101, 102) beabstandet sind.
System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, das ferner eine Moden-Anpassungsoptik (216) aufweist, um das Licht, das von dem Laserverstärkungsmedium emittiert wird, räumlich an den externen Resonator (210) anzupassen.
System gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Abstand zwischen dem dritten Reflektor und dem zweiten Reflektor einstellbar ist, um die Resonanzfrequenz des externen Resonators (210) abzustimmen.
Lasersystem (506) mit folgenden Merkmalen: (a) einem optisch nichtlinearen Laserverstärkungsmedium (114); (b) einem ersten Reflektor (101) mit einem Reflexionsvermögen (R₁) und einem zweiten Reflektor (102), der von dem ersten Reflektor (101) beabstandet ist, um einen Laserresonator (108) zu definieren, der das Laserverstärkungsmedium (114) enthält, wobei der zweite Reflektor (102) ein Reflexionsvermögen (R₂) aufweist, das größer als das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101) ist; (c) einem dritten Reflektor (104) mit einem Reflexionsvermögen (R₃), das größer als das Reflexionsvermögen (R₁) des ersten Reflektors (101) ist, und der mit dem zweiten Reflektor (102) einen Resonator (110) außerhalb des Laserresonators (108) definiert, wobei das Reflexionsvermögen der Reflektoren (101, 102, 104) dazu führt, daß das Licht, das aus dem Laserresonator (108) tritt, in dem externen Resonator (110) in Resonanz tritt, und daß das Licht, das aus dem externen Laserresonator (110) in den Laserresonator (108) tritt, die Resonatoren durch die Nichtlinearität des Laserverstärkungsmediums (114) passiv optisch verriegelt, wodurch mehr Leistung in dem externen Resonator (110) als in dem Laserresonator (108) erzeugt wird; (d) einer Einrichtung (507), die dem externen Resonator (110) zugeordnet ist, um eine analytische Probe Lichtenergie von dem externen Resonator (110) auszusetzen, um eine Lichtwechselwirkungscharakteristik eines Analyts in der analytischen Probe zu bewirken; und (e) einem Detektor (505), der benachbart zu der Einrichtung (507) positioniert ist, um die Lichtwechselwirkung zu erfassen; derart, daß das Lasersystem (500) das Vorliegen des Analyts in der analytischen Probe aufgrund von Änderungen bei der Lichtwechselwirkung, die durch den Detektor erfaßt wird, erfaßt.
Verfahren zum passiven Verriegeln eines Laserverstärkungsmediums mit folgenden Schritten: (i) Emittieren eines Lichtstrahls von dem Laserverstärkungsmedium, das in einem Laserresonator (108) angeordnet ist, der durch einen ersten Reflektor (101) und einen zweiten Reflektor (102), der von dem ersten Reflektor (101) beabstandet ist, definiert ist, wobei das Laserverstärkungsmedium eine optische Nichtlinearität aufweist, wobei der erste Reflektor (101) ein Reflexionsvermögen (R₁) aufweist, und wobei der zweite Reflektor (101) ein Reflexionsvermögen (R₂) aufweist; und (ii) Übertragen von Licht von dem Laserresonator (108) zu einem Resonator (110), der durch den zweiten Reflektor (102) und einen dritten Reflektor (104) definiert ist, wobei der Resonator (110) außerhalb des Laserresonators (108) ist, und der dritte Reflektor (101) ein Reflexionsvermögen (R₃) aufweist, wobei das Reflexionsvermögen der Reflektoren (101, 102, 104) dazu führt, daß das Licht, das aus dem Laserresonator (108) tritt, in dem externen Resonator (110) in Resonanz tritt, und daß das Licht, das aus dem externen Laserresonator (110) in den Laserresonator (108) tritt, die Resonatoren durch die Nichtlinearität des Laserverstärkungsmediums (114) passiv optisch verriegelt, wodurch mehr Leistung in dem externen Resonator (110) als in dem Laserresonator (108) erzeugt wird.