DE19832647C1

DE19832647C1 - Verfahren zur Erzeugung Gaußscher Intensitätsverteilungen im Strahlprofil einer durch Frequenzverdopplung erzeugten Strahlung

Info

Publication number: DE19832647C1
Application number: DE19832647A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Zanger; Ralf Mueller; Wolfgang Gries
Original assignee: Laser Analytical Systems GmbH
Current assignee: Newport Spectra Physics GmbH
Priority date: 1998-07-13
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2018-07-14
Also published as: US6424453B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung Gaußscher Intensitätsverteilungen im Strahlprofil einer durch nicht-lineare optische Prozesse erzeugten Strahlung, insbesondere bei der Frequenzkonversion, insbesondere zur Frequenzverdopplung. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren zu entwickeln, mit dem gewährleistet wird, daß das durch den walk-off Effekt und den anschließenden Nahfeld-Fernfeldübergang transformierte Strahlprofil der nicht-linear erzeugten Strahlung in ein rotationssymmetrisches Strahlprofil Gaußscher Intensitätsverteilung überführt wird, wird dadurch gelöst, daß eine aus dem nicht-linearen optischen Material 1 ausgekoppelte Strahlung innerhalb eines Lichtweges E, dem Übergangsbereich Nahfeld-Fernfeld, nur durch ein System aus mindestens eine optisch brechende Fläche 2 beeinflußt wird, das in seiner Gesamtheit keine abbildende Wirkung hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung Gaußscher Intensitätsverteilungen im Strahlprofil einer durch Frequenzverdopplung erzeugten Strahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Laseranwendungen werden grundsätzlich Strahlpro file benötigt, die eine definierte radiale Intensitäts verteilung aufweisen. Als Strahlprofil wird dabei die Intensitätsverteilung der Strahlung in einem transversalen Querschnitt bezeichnet. Die häufigste Form der benötigten radialen Verteilung ist die einer rotationssymmetrischen Gaußschen Funktion nach der Formel

E_(r) = E_oe^(-r2/w2)

Bei der Frequenzkonversion durch nicht-lineare optische Prozesse ist es von Bedeutung, im erzeugten Laserstrahl wieder eine Gaußsche Intensitätsverteilung vorzufinden.

Die wichtigsten nicht-linearen optischen Materialien für nicht-lineare optische Prozesse sind Kristalle, so daß diesen Materialien eine herausragende Bedeutung zukommt.

Bei der Frequenzverdopplung wird ein Anteil der Strahlung der Grundwelle in Strahlung der Oberwelle überführt. Die Oberwelle hat exakt die doppelte Frequenz. Es ist eine Vielzahl von Verfahren zur Effizienzsteigerung der Frequenzverdoppelung bekannt. So wurde beispielsweise der Einfluß des Strahlprofils der Grundwelle untersucht (Optics Communications 133 (1997), S. 300-304), die verschiedenen Typen der Frequenzverdoppelung (Typ I, Typ II) verglichen (Optics Communications, Vol. 81, No. 6, 15.03.1991, S. 427-440) und die Effizienz der Frequenzverdopplung als Meßgröße zur Bestimmung der Grundwellen-Strahlprofildaten verwendet (Applied Optics, Vol. 33, No. 15, 20.05,1994, S. 3169-3174).

Die Intensitätsverteilung oder das Strahlprofil des in einem nicht-linearen optischen Prozeß erzeugten Laserstrahls ist abhängig vom Strahlprofil der eingehenden Strahlen, der Wellenlängen des beteiligten Lichts sowie von Kristalleigenschaften wie Brechzahl, Doppelbrechungswinkel und Wechselwirkungslänge. Da üblicherweise die eintretenden und die erzeugten Laserstrahlen nicht die gleiche Wellenlänge haben, kommen die Dispersionseigenschaften des Kristalls zur Wirkung. Dies führt im allgemeinen zu einer räumlichen Trennung der erzeugten Welle von den eintretenden Wellen und zwar in Richtung der optischen Achse des Kristalls. Dieser als walk-off bezeichnete Effekt ist allgemein als die Effizienz nicht-linearer optischer Prozesse begrenzender Effekt bekannt (A. Ashkin, G. D. Boyd, J. M. Dziedzic in: IEEE Journ. Quantum Electronics, QE-2, Nr. 6, S. 109 (1966); S. Bourzeix, M. D. Plimmer, F. Nez, L. Julien, F. Biraben in: Opt. Comm., Vol. 99 (1993), Seiten 89-94).

Zusätzlich hat der walk-off Einfluß auf das Strahlprofil der erzeugten Welle. Die Fig. 1 zeigt, daß das fortschreitende Auseinanderlaufen des erzeugten Strahls von den eintretenden Strahlen entlang des Strahlenweges innerhalb des Kristalls zu einem Auseinanderziehen des Strahlprofils der erzeugten Welle in Richtung der optischen Achse 8 des Kristalls 1 führt. Beispielsweise entsteht somit am Austritt aus dem Kristall 1 aus den Gaußschen Strahlprofilen der eintretenden Wellen ein langgestrecktes, eher rechteck förmig verzerrtes Strahlprofil der erzeugten Welle (Fig. 2). Frequenzverdopplung m. H. Gaußscher Strahlen ist aus der wissenschaftlichen Literatur bekannt (Optics Communications, Vol. 81, No. 6, 15.03.1991, S. 427-440). Dabei ist grundsätzlich zwischen dem Strahlprofil im sogenannten Nahfeld 13 und Fernfeld 12 zu unterscheiden (Fig. 2). Diese Begriffe stammen aus der Ausbreitungstheorie monochromatischer, kohärenter elektromagnetischer Strahlung und grenzen den Bereich, in dem die Umstände der Lichterzeugung eine Rolle spielen, dem Nahfeld, vom anschließenden Bereich, dem Fernfeld, ab. Für Gaußsche Strahlen ist dieser Übergangsbereich nur ein Punkt entlang des Strahlweges, an dem der Strahlradius auf auf sqrt (2) x wo angestiegen ist. Dabei ist wo der kleinste Strahlradius des Gaußschen Strahls (siehe dazu auch: A. E. Siegman, Lasers, Mill Valley, Ca., USA: University Science Books 1986, S. 663-670). Bei typischen Laseranwendungen handelt es sich bei dem Nahfeld um eine Lichtweglänge zwischen einigen mm und 1 m hinter der Strahlungs quelle. Entlang dieses Weges wandelt sich das Strahlprofil von dem in den Fig. 1, 2 dargestellten Profil in ein astigmatisches Profil mit Gaußscher Intensitätsverteilung. Astigmatisch bedeutet, daß das Strahlprofil in horizontaler und vertikaler Richtung unterschiedliche Strahlparameter wie Strahldurchmesser und Divergenz hat.

Daß dieser Nahfeld-Fernfeldübergang nicht ohne weiteres ungestört verläuft zeigt sich insbesondere dann, wenn kurz hinter dem Kristall eine optisch brechende Fläche eingefügt wird, die eine abbildende Wirkung hat. Zum Beispiel ist bei der Anwendung von Resonatoren die Einbringung eines im allgemeinen plankonkaven Spiegels kurz hinter dem Kristall für die korrekte Funktion des Resonators unbedingt erforderlich. Für die frequenz konvertierte Strahlung ist die Reflektionsbeschichtung dieses Spiegels zwar transparent, die abbildende Wirkung der gekrümmten Oberfläche bleibt auch für die konvertierte Strahlung erhalten. Der Spiegel wirkt demnach wie eine Zerstreuungslinse und verlegt, abhängig vom Krümmungsradius des Spiegels, den Übergang des Strahlprofils in das des Fernfelds unter Umständen ins Unendliche. Das bedeutet, daß bei der Frequenzkonversion in Kristallen, insbesondere bei der Anwendung von Resonatoren, im für die Anwendung der konvertierten Strahlung wichtigen Abstandsbereich von bis zu einigen Metern, Strahlprofile vorzufinden sind, die mehrere Intensitätsmaxima mit dazwischenliegenden Streifen aufweisen (Fig. 2). Das sind dann eben keine Gaußschen Intensitätsverteilungen, und daher sind sie für viele Anwendungen völlig ungeeignet. Aus diesem Grund ist die Nutzung frequenzkonvertierter Strahlung, insbesondere in Resonatoren, bisher stark einge schränkt gewesen.

Systeme aus optisch brechenden Flächen sind bekannt (z. B. aus der DE 195 26 880 A1). Aus der DE 39 03 943 C2 ist ein Verfahren zur Untersuchung der relativen Strahlungsflußdichte Gaußscher Laserstrahlen bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein gattungsgemäßes Verfahren zu entwickeln, mit dem gewährleistet wird, daß das durch den walk-off Effekt und den anschließenden Nahfeld-Fernfeldübergang transformierte Strahlprofil der nicht-linear erzeugten Strahlung in ein rotationssymmetrisches, insbesondere kreisförmiges Strahlprofil Gaußscher Intensitätsverteilung überführt wird.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruches 1. Danach wird eine aus dem nicht- linearen optischen Material ausgekoppelte Strahlung innerhalb eines Lichtweges, dessen Länge vom Nahfeld- Fernfeldübergang der ausgekoppelten Strahlung definiert wird, nur durch ein System aus mindestens einer optisch brechenden Fläche beeinflußt, das in seiner Gesamtheit keine abbildende Wirkung hat. Durch die optisch brechenden Oberflächen, beispielsweise mehrerer Zylinder- oder sphärischer Linsen, werden die Strahlparameter der ausgekoppelten Oberwelle wie Strahldurchmesser und Divergenz so verändert, daß die gewünschte, insbesondere kreisförmige Gaußsche Intensitätsverteilung des Strahlprofils entsteht. Beispielsweise können durch den Einsatz von Zylinderlinsen nur die Strahlparameter der horizontalen Ebenen an die der vertikalen Ebene angepaßt werden. Es wird bei der Verwendung optischer Resonatoren zur Frequenzkonversion, insbesondere zur Frequenzver dopplung, verhindert, daß eine Änderung des Nahfeld- Fernfeldübergangs durch die Art der angewendeten Auskopplung des Strahls erfolgt. Die Einflüsse bei der Auskopplung werden durch die Wirkung brechender optischer Oberflächen mit entgegengesetzter Krümmung wie die des Auskoppelspiegels kompensiert.

Die Erfindung wird nachfolgend in einer Zeichnung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung der aus einem Kristall austretenden Strahlung,

Fig. 2: die schematische Darstellung der Intensitätsverteilung der Oberwelle nach Fig. 1 im Fern- und Nahfeld,

Fig. 3: die schematische Darstellung der Beeinflussung der austretenden Oberwelle durch ein System aus zwei optisch brechenden Flächen,

Fig. 4: die schematische Darstellung der Beeinflussung der austretenden Oberwelle nach Fig. 3 ergänzt durch einen vorgelagerten Lichtweg aus reichender Länge,

Fig. 5: die schematische Darstellung der Beeinflussung der austretenden Oberwelle nach Fig. 3 und einem davorliegenden Auskoppelspiegel,

Fig. 6: die schematische Darstellung der Beeinflussung der austretenden Oberwelle nach Fig. 4 mit zusätz licher Korrekturlinse,

Fig. 7: die schematische Darstellung der Beeinflussung der ausgekoppelten Strahlung durch Anordnung eines grund- und oberwellenreflektierenden Auskoppelspiegels und nachfolgend durch das System nach Fig. 3 und

Fig. 8: die schematische Darstellung der Beeinflussung der ausgekoppelten Strahlung durch Anordnung eines nur oberwellenreflektierenden Auskoppelspiegels.

Die Erfindung ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, zur Anwendung auf den nicht-linearen optischen Prozeß der Frequenzverdopplung von Laserstrahlung in Kristallen vorgesehen, wobei die eintretende Lichtwelle ein Gaußsches Strahlprofil aufweist. Das typische Profil einer austretenden Oberwelle 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Es handelt sich dabei um das Nahfeldprofil 13 gemäß der Darstellung in der Fig. 2, das sich in einem von der Wellenlänge, den Kristall- und Fokussierungseigenschaften abhängigen Abstand in das Fernfeld-Strahlprofil wandelt.

Häufig werden zur Effizienzsteigerung nicht-linearer optischer Prozesse, insbesondere der Frequenzver dopplung, optische Resonatoren verwendet, die die Intensität der Grundwelle verstärken. Da die Leistung der Oberwelle quadratisch von der Grundwellenleistung entsprechend der Formel

P_Oberwelle = c P² _Grundwelle

abhängt, ist damit eine extreme Steigerung der Oberwellenleistung verbunden. Der als nicht-lineares optisches Material verwendete Kristall 1 wird zur Nutzung der Verstärkten Grundwelle 9 in den optischen Resonator (nicht dargestellt) platziert. Die erzeugte Oberwelle 10 muß deshalb den Resonator durch einen den optischen Resonator bildenden Spiegel oder ein zusätzlich in den Resonator eingebrachtes, nur die Oberwelle 10 reflektierendes optisches Element verlassen, also ausgekoppelt werden. Dabei wird im allgemeinen der Nahfeld-Fernfeldübergang beeinflußt. Mit der vorliegenden Erfindung wird die bei der Verwendung optischer Resonatoren durch die gewählte Art der Auskopplung stattfindende Änderung des Nahfeld- Fernfeldübergangs kompensiert oder verhindert.

In der Fig. 3 ist gezeigt, wie die Erzeugung einer Gaußschen Intensitätsverteilung im Strahlprofil der aus dem Kristall 1 austretenden Oberwelle 10 durch ein System 2 aus zwei optisch brechenden Flächen, hier beispielsweise zwei Zylinderlinsen oder zwei sphärische Linsen, herbeigeführt werden kann. Das System 2 kann auch aus einer oder aus mehr als zwei optisch brechenden Flächen gebildet sein.

In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der für die aus dem Kristall 1 austretende Oberwelle 10 ein Lichtweg ausreichender Länge E für den Nahfeld- Fernfeldübergang vorgesehen ist, hinter der erst die optische Beeinflussung mittels des Systems 2 nach Fig. 3 erfolgt.

Die Fig. 5 bis 8 beziehen sich auf die Anwendung der Erfindung in Verbindung mit einem Grundwellenresonator zur Verstärkung der Grundwellenleistung.

In der Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem für die Oberwelle 10 als Auskoppelspiegel aus dem Grundwellenresonator 15 eine sogenannte Nullinse 14 vorgesehen ist. Bei einer Nullinse handelt es sich um ein optisches Element mit einer Ein- und einer Austrittsfläche, bei der die brechende Wirkung der Eintrittsfläche durch die brechende Wirkung der Austrittsfläche kompensiert wird. Danach erfolgt die optische Beeinflussung der Oberwelle 10 wie in der Fig. 3 dargestellt ist durch das System 2.

In der Fig. 6 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der für die Auskopplung der Oberwelle 10 aus dem Grundwellenresonator 15 ein gekrümmter Auskoppelspiegel 4 verwendet wird, an den sich eine Korrekturlinse 5 und das System 2 zur optischen Beeinflussung anschließen.

Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein grund- und oberwellenreflektierender Spiegel 3 und ein Auskoppelspiegel 6 zur Auskoppelung der Oberwelle 10 angeordnet sind. Die ausgekoppelte Oberwelle 10 wird dann durch das System 2 nach Fig. 3 geführt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 8 wird ein nur oberwellenreflektierender Auskoppelspiegel 7 verwendet und die ausgekoppelte Oberwelle 10 dem System 2 nach Fig. 3 zugeführt. Dabei wird entweder die zwischen der Grund- und Oberwelle veränderte Wellenlänge oder die veränderte Polarisation genutzt.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der Merkmale weitere Ausführungsformen zu realisieren.

Bezugszeichenliste

1

Kristall (nicht-lineares optisches Material)

2

optisch brechende Fläche (Linse)

3

Spiegel

4

Auskoppelspiegel

5

Korrekturlinse

6

Auskoppelspiegel

7

Auskoppelspiegel

8

optische Achse

9

Grundwelle

10

Oberwelle

11

Intensitätsverteilung der Grundwelle

12

Fernfeld-Strahlprofil der Oberwelle

13

Nahfeld-Strahlprofil der Oberwelle

14

Nullinse

15

Grundwellenresonator
ELichtweg, Übergangsbereich Nahfeld-Fernfeld

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung Gaußscher Intensitätsvertei lungen im Strahlprofil einer durch Frequenzver dopplung erzeugten Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus dem nicht-linearen optischen Material (1) ausgekoppelte Strahlung innerhalb des Lichtweges (E), dem Übergangsbereich Nahfeld-Fernfeld, nur durch ein System aus mindestens einer optisch brechenden Fläche (2) beeinflußt wird, das in seiner Gesamtheit keine abbildende Wirkung hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem nicht-linearen optischen Material (1) ausgekoppelte Oberwelle (10) mit einem System aus mindestens einer optisch brechenden Fläche (2) wie Zylinderlinse, sphärische Linse in Verbindung gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor das System aus mindestens einer optisch brechenden Fläche (2) ein Auskoppelspiegel (14), ausgebildet wie eine Nullinse eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor das System aus mindestens einer optisch brechenden Fläche (2) ein gekrümmter Auskoppelspiegel (4) mit anschließender Korrekturlinse (5) eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem nicht-linearen optischen Material (1) ausgekoppelte Strahlung auf einen grund- und oberwellenreflektierenden Spiegel (3), einen Auskoppelspiegel (6) und danach mit dem System aus mindestens einer optisch brechenden Fläche (2) in Verbindung gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem nicht-linearen optischen Material (1) ausgekoppelte Strahlung auf einen nur oberwellenreflektierenden Auskoppelspiegel (7) und danach mit dem System aus mindestens einer optisch brechenden Fläche (2) in Verbindung gebracht wird, wobei die veränderte Wellenlänge zwischen der Grund- und Oberwelle oder die veränderte Polarisation genutzt werden.