DE19728846A1 - Frequenzverdopplung in Laserresonatoren - Google Patents

Description

Um die technischen Vorteile diodengepumpter Festkörperlaser, wie kompakter und robuster Aufbau, geringer Energieverbrauch, Wegfall der Wasserkühlung usw. auch im sichtbaren Spektralbereich nutzen zu können, bedarf es i. a. einer Frequenzverdopplung (SHG), da die Grundwellenlänge des genannten Lasertyps meist im infraroten Spektralbereich liegt. Zur technischen Realisierung der SHG bei Dauerstrichlasern wurden in der Vergangenheit eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen. Sie können in erster Linie danach unterschieden werden, ob sich der SHG-Kristall außerhalb oder innerhalb des Grundwellenresonators befindet. Da im ersten Fall der SHG- Kristall, um eine ausreichende Effizienz zu erreichen, in eine eigene Cavity gebracht werden muß, deren optische Länge aktiv sehr genau relativ zum Grundwellenlaser stabilisiert werden muß, ist dieses Verfahren mit einem relativ großen technischen Aufwand verbunden. Einfacher zu realisieren ist das zweite Verfahren, bei dem der Grundwellenmode innerhalb des Resonators in den SHG-Kristall fokussiert werden kann. Nachteil dieser sogenannten Intracavity-SHG ist, daß die Leistungsauskopplung durch die SHG zu einem zeitlich wechselnden Anschwingen unterschiedlicher axialer Grundwellenmoden führt, deren Wechselwirkung den Laser destabilisiert. Dies hat erhebliche Schwankungen der Intensität der harmonischen Welle zur Folge (bekannt als sog. "green problem"). Um diese Schwankungen zu vermeiden, wurde vorgeschlagen (US Patent Nr. 5,446,749), den Grundwellenresonator sehr lang (ca. 1 m) zu machen, um durch Interferenz einer sehr großen Zahl axialer Moden die Intensitätsschwankungen statistisch zu glätten. Derartig lange Resonatoren können jedoch nicht in miniaturisierten Konfigurationen benutzt werden. Eine weitere Möglichkeit, die genannten Intensitätsschwankungen zu vermeiden, besteht darin, in den Grundwellenresonator ein Fabry-Perot-Etalon einzubringen, und auf diese Weise zu erzwingen, daß nur ein axialer Mode anschwingt. Durch diese Maßnahme werden jedoch zusätzliche Verluste verursacht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine miniaturisierbare Konfiguration zu realisieren, bei der die genannten Nachteile vermieden werden. Wie von den Anmeldern gezeigt werden konnte, läßt sich dies in überraschend einfacher und effektiver Weise dadurch erreichen, daß der SHG-Kristall selbst als Etalon ausgebildet ist und somit gleichzeitig die Funktionen der Modenselektion und der Frequenzverdopplung übernimmt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß innerhalb des Etalons eine Intensitätsüberhöhung vorliegt, was wegen der quadratischen Abhängigkeit der Intensität der Harmonischen von der Intensität der Grundwelle eine Erhöhung der Verdopplungseffizienz zur Folge hat und somit den Einsatz relativ kurzer SHG-Kristalle erlaubt.

Fig. 1 zeigt ein Schemabild des vorgeschlagenen Resonatoraufbaus mit Pumpstrahl, Laserkristall für die Grundwellenlänge 1, SHG-Kristall 4, Ein- und Auskoppelspiegel (2 und 3).

Der Grundgedanke der Erfindung wird im folgenden anhand des in Fig. 1 skizzierten Ausführungsbeispiels beschrieben. Ein Kristallstab 1 aus laseraktivem Material (z. B. Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YALO, Nd:YVO₄) wird von links durch den Einkoppelspiegel 2 frontal gepumpt. Letzterer bildet mit dem Spiegel 3 den Grundwellenresonator. Zwischen Kristallstab 1 und Spiegel 3 befindet sich ein SHG-Kristall 4 aus nichtlinearem Material (z. B. KTP, LBO, LiJO₃), dessen Endflächen planparallel geschliffen sind und deren Abstand einem Vielfachen der Grundwellenlänge entspricht, so daß dieser Kristall gleichzeitig als Modenselektor dient. Die Krümmungsradien der Spiegel 2 und 3 werden so gewählt, daß der Grundmode in den SHG- Kristall fokussiert wird, um dort eine möglichst hohe Intensität zu erreichen. Der Einkoppelspiegel 2 ist für die Pumpwellenlänge antireflektierend (AR) und für Grundwellenlänge (ω) und deren Harmonische (2ω) hochreflektierend (HR) beschichtet. Der Spiegel 3, der gleichzeitig zum Auskoppeln der Harmonischen benutzt wird, ist für ω HR und für 2ω AR beschichtet. Die Endflächen des Kristallstabes 1 sind sowohl für ω als auch für 2ω AR beschichtet. Die beiden Endflächen des SHG-Kristalls sind für 2ω AR beschichtet, für ω liegt die Reflektivität dieser Flächen zwischen 5 und 90% und wird in Abhängigkeit von den übrigen Parametern so abgestimmt, daß nur die durch den Abstand der Flächen selektierte Wellenlänge im Grundwellenresonator anschwingt. Da die Grundwelle innerhalb der Endflächen des Etalons hin- und herreflektiert wird, entsteht im Etalon eine Überhöhung der Intensität der Grundwelle, die z. B. bei einer Reflektivität dieser Flächen von 50% typischerweise einem Faktor 4 entspricht. Da, wie bereits erwähnt, die Intensität der Harmonischen proportional zum Quadrat der Intensität der Grundwelle ist, entspricht dies einer Vergrößerung der Verdopplungseffizienz um einen Faktor 16. Die Länge das SHG-Kristalls kann also um einen Faktor 16 kleiner gewählt werden als bei gewöhnlicher Interacavity-Verdopplung. Letzteres macht es möglich, den Abstand der Endflächen des SHG-Kristalls so klein zu wählen, daß über den freien Spektralbereich des Etalons und dem bei endgepumpten Lasern auftretenden spektralen Lochbrennen eine ausreichende Modenselektion gewährleistet ist. Bei einem Verstärkerkristall aus Nd:YAG von 5 cm Länge ergibt sich aus diesen Anforderungen typischerweise eine Länge von 0.5 mm für den SHG- Kristall. Da kurze SHG-Kristalle mit höherer optischer Qualität und geringerem Aufwand hergestellt werden können, werden dadurch gleichzeitig die Effizienz und die Strahlqualität der Frequenzverdopplung gesteigert als auch die Produktionskosten gesenkt. Ein weiterer Vorteil kurzer SHG- Kristalle besteht darin, daß Phasenanpassungsprobleme und der sog. Walk- off-Effekt reduziert werden. Um zu gewährleisten, daß die am Spiegel 2 reflektierte harmonische Welle in Phase mit der unmittelbar aus dem SHG- Kristall nach rechts laufenden Welle ist, wird der Abstand zwischen letzterem und Spiegel 2 entsprechend eingestellt.

Das anhand von Fig. 1 beschriebene Ausführungsbeispiel stellt sozusagen die einfachste Variante der Anordnung dar. Natürlich können hier noch zusätzliche Umlenkspiegel zur besseren Fokussierung des Grundwellenmodes eingefügt werden. Außerdem kann die Anordnung zur Erzeugung der Grundwelle verändert werden und z. B. durch die in der deutschen Patentanmeldung 195 41 020.3 beschriebene Anordnung mit mehrfacher Fokussierung des Pumpstrahls ersetzt werden.

Claims (3)

1. Anordnung zur Frequenzverdopplung in einem Laser mit Hilfe eines in den Grundwellenresonator eingebrachten nichtlinearen Kristalls, dadurch gekennzeichnet, daß letzterer als Fabry-Perot-Etalon ausgebildet ist, und somit zusätzlich zur Frequenzverdopplung gleichzeitig eine Selektion der axialen Moden des Grundwellenresonator bewirkt.

2. Anordnung zur Frequenzverdopplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Etalons und dessen freier Spektralbereich so abgestimmt werden, daß nur ein axialer Mode des Grundwellenresonators anschwingt und somit Intensitätsschwankungen der harmonischen Welle vermieden werden.

3. Anordnung zur Frequenzverdopplung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität der Endflächen des SHG- Kristalls so gewählt wird, daß innerhalb dieses Kristalls eine Überhöhung der Intensität des Grundmodes erfolgt, so daß dadurch die Effizienz der Frequenzverdopplung gesteigert wird und die Benutzung relativ kurzer hochwertiger nichtlinearer Kristalle ermöglicht wird.