DE19928661A1 - Equipment effecting increase and rapid variation in frequency conversion efficiency of laser beams, has holder mechanically influencing non-linear crystal - Google Patents

Equipment effecting increase and rapid variation in frequency conversion efficiency of laser beams, has holder mechanically influencing non-linear crystal

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Stefan Seidel
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Abstract

The holder exerts adjustable mechanical pressure or tension on the crystal, in at least one spatial direction.

Description

KurzbeschreibungBrief description

Es wird eine Vorrichtung zur Halterung von nichtlinearen Kristallen beschrieben, die es ermöglicht, auf einen nichtlinearen Kristall definierte Druck- und Zugbelastungen auszuüben. Der Halter ermöglicht gleichzeitig die Temperierung des Kristalls.A device for holding nonlinear crystals is described, which it allows to apply defined pressure and tensile loads on a nonlinear crystal. The holder enables the crystal to be tempered at the same time.

Eine Phasenfehlanpassung, die z. B. aus nicht exakt eingestellter Phasenanpassungstemperatur oder exakt eingestelltem Phasenanpassungswinkel resultiert, kann durch Ausübung von definiertem Druck oder Zug und die damit verbundenen Brechungsindexänderungen innerhalb des Kristalls kompensiert werden. Die Vorrichtung gestattet es, nicht nur homogene mechanische Spannungen zu erzeugen, sondern auch gezielt bestimmte Bereiche des Kristalls zu drücken oder zu ziehen.A phase mismatch, e.g. B. from not exactly set phase matching temperature or exactly adjusted phase adjustment angle can be obtained by exercising defined pressure or tension and the associated refractive index changes can be compensated within the crystal. The device allows not only homogeneous generate mechanical stresses, but also targeted certain areas of the crystal to push or pull.

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung des Wirkungsgrades von optischer Frequenzkonversion von Laserstrahlung in nichtlinearen Kristallen durch Erzeugung von mechanischen Spannungen innerhalb des nichtlinearen Kristalls. Die Vorrichtung ermöglicht eine Ausübung von Druck- oder Zugkräften auf den Kristall, um eine Phasenfehlanpassung zu kompensieren.The invention relates to a device for increasing the efficiency of optical Frequency conversion of laser radiation in nonlinear crystals by generating mechanical stresses within the nonlinear crystal. The device enables exerting compressive or tensile forces on the crystal to cause phase mismatch to compensate.

Sogenannte nichtlineare Kristalle (z. B. KTP, LBO, BBO, KDP usw.) werden häufig zur Frequenzkonversion von intensiver elektromagnetischer Strahlung (insbesondere Laserstrahlung), wie z. B. Frequenzverdopplung, Frequenzverdreifachung, Frequenzmischung, insbesondere in optisch parametrischen Verstärkern und Oszillatoren, eingesetzt. Die nichtlinearen Prozesse finden i. a. nur unter genau definierten äußeren Bedingungen effizient statt. Insbesondere muß die Richtung der elektromagnetischen Strahlung in bezug auf die optische Kristallachse, die Divergenz des Strahls, die Bandbreite der elektromagnetischen Strahlung und die Temperatur des Kristalls bestimmten (Kristall- und wellenlängenabhängigen) Anforderungen genügen.So-called nonlinear crystals (e.g. KTP, LBO, BBO, KDP etc.) are often used Frequency conversion of intense electromagnetic radiation (especially Laser radiation), such as. B. frequency doubling, frequency tripling, frequency mixing, used in particular in optically parametric amplifiers and oscillators. The Find nonlinear processes i. a. efficient only under precisely defined external conditions instead of. In particular, the direction of electromagnetic radiation with respect to the optical crystal axis, the divergence of the beam, the bandwidth of the electromagnetic Radiation and the temperature of the crystal determine (crystal and wavelength-dependent) requirements.

Bei Verwendung von elektromagnetischer Strahlung mit hoher mittlerer Leistung oder/und Kristallen mit hoher linearer Absorption, die z. B. von Verunreinigungen im Kristallgefüge herrühren, führt die Strahlung im Betrieb zu einer Änderung der Temperatur des nichtlinearen Kristalls, die die Phasenanpassungsbedingung im Kristall ortsabhängig verändert und dadurch zu einer Reduzierung der Konversionseffizienz und der Strahlqualität führt.When using electromagnetic radiation with high average power or / and Crystals with high linear absorption, e.g. B. impurities in the crystal structure arise, the radiation in operation leads to a change in the temperature of the non-linear Crystal, which changes the phase adjustment condition in the crystal depending on the location and thereby leads to a reduction in conversion efficiency and beam quality.

Die Technik der Frequenzkonversion ist seit Anfang der sechziger Jahre dieses Jahrhunderts parallel zur Entwicklung des Lasers sehr rasch vorangeschritten (siehe z. B. Walter Koechner, Solid-State Laser Engineering, Springer-Verlag, 4. Auflage (1996), S. 562-641). Neben der breiten Verwendung in der Forschung sind in den letzten zwanzig Jahren zunehmend kommerzielle Lasersysteme entwickelt worden, die sich der Technik der Frequenzkonversion bedienen. Hervorzuheben sind insbesondere frequenzverdoppelte durchstimmbare Lasersysteme und die sogenannten optisch parametrischen Oszillatoren, die u. a. in der Spektroskopie weite Verbreitung gefunden haben. Außerdem werden zunehmend leistungsstarke frequenzverdoppelte Lasersysteme routinemäßig zum optischen Pumpen von Ti : Saphir-Lasern genutzt, die dann u. a. in der Ultrakurzzeitspektroskopie verwendet werden. Daneben bestehen Bestrebungen mit leistungsstarken frequenzkonvertierten Lasersystemen Projektionsapparate zu bauen ("Laser-TV"). In der Lasermaterialbearbeitung verspricht man sich von kürzeren Wellenlängen, die durch Frequenzverdopplung und -verdreifachung der Laserstrahlung von Festkörperlasern erzeugt werden, bei bestimmten Materialien höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und feinere Bearbeitungsstrukturen.The frequency conversion technique has progressed very rapidly in parallel with the development of the laser since the early 1960s (see e.g. Walter Koechner, Solid-State Laser Engineering, Springer-Verlag, 4th edition ( 1996 ), p. 562- 641). In addition to its widespread use in research, commercial laser systems using frequency conversion technology have increasingly been developed in the past twenty years. Of particular note are frequency-doubled tunable laser systems and the so-called optical parametric oscillators, which have found widespread use in spectroscopy. In addition, increasingly powerful frequency-doubled laser systems are routinely used for the optical pumping of Ti: sapphire lasers, which are then used, among other things, in ultra-short-time spectroscopy. In addition, efforts are being made to build projection apparatuses using high-performance frequency-converted laser systems ("laser TV"). In laser material processing, it is hoped that shorter wavelengths, which are generated by doubling and tripling the frequency of laser radiation from solid-state lasers, will result in higher processing speeds and finer processing structures for certain materials.

Gegenwärtiger Stand der Technik ist, die nichtlinearen Kristalle bei mittleren Leistungen zu verwenden, die zu keinen nennenswerten thermischen Effekten führen, oder unter besonderen Bedingungen gezogene, hochreine Kristalle zu nutzen, die deutlich geringere Absorptionskoeffizienten aufweisen. Diese sind in der Herstellung jedoch im allgemeinen meist teurer als Kristalle herkömmlicher Kristallqualität. Selbstverständlich treten auch bei diesen hochwertigen Kristallen oberhalb bestimmter mittlerer Leistungen störende thermische Effekte auf. Diese begrenzen die maximal erzielbare Konversionseffizienz und führen dazu, daß bei vorgegebener konvertierter Strahlungsleistung die Lasereingangsleistung erheblich erhöht werden muß.The current state of the art is to increase the nonlinear crystals at medium powers Use that do not lead to any significant thermal effects, or under special To use conditions grown, high-purity crystals, the significantly lower Have absorption coefficients. However, these are general in manufacturing usually more expensive than crystals of conventional crystal quality. Of course also join these high quality crystals above certain medium powers annoying thermal Effects on. These limit the maximum achievable conversion efficiency and lead to that for a given converted radiation power, the laser input power considerably must be increased.

Üblicherweise werden die nichtlinearen Kristalle in temperierbare Metallhalter eingebaut, die es ausschließlich gestatten, die Kristallaußentemperatur zu verändern. D. h. es wird i. a. zu der optimalen sogenannten Phasenanpassungstemperatur ein negativer Temperaturoffset eingestellt, der die thermischen Effekte durch Absorption der Strahlungsleistung teilweise kompensiert. Neueste Messungen [ref. 1] zeigen, daß die Phasenanpassung nicht nur durch die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex sondern auch indirekt durch die Abhängigkeit des Brechungsindex von mechanischen Spannungen ("Stress") gestört wird (Photoelastischer Effekt). Dabei entsteht der Stress durch die thermische Längenausdehnung indirekt aus Temperaturgradienten.Usually, the nonlinear crystals are installed in temperature-controlled metal holders only allow to change the crystal outer temperature. That is, it will i. a. to the optimal so-called phase adjustment temperature a negative temperature offset set, the thermal effects by absorption of the radiation power partially compensated. Latest measurements [ref. 1] show that the phase adjustment is not only due to the Temperature dependence of the refractive index but also indirectly through the dependence the refractive index is disturbed by mechanical stresses ("stress") (photoelastic Effect). The stress arises indirectly from the thermal expansion Temperature gradients.

Die stressinduzierte Phasenfehlanpassung ist entlang unterschiedlicher Kristallachsen bei den üblicherweise verwendeten nichtlinearen Kristallen z. T. extrem unterschiedlich.The stress-induced phase mismatch is along the different crystal axes commonly used nonlinear crystals e.g. T. extremely different.

Die neue Vorrichtung soll die Auswirkung von Temperaturgradienten in nichtlinearen Kistallen dadurch reduzieren, daß parallel zu thermo-optisch empfindlichen Vorzugsrichtungen definiert mechanische Druck- und Zugspannungen ausgeübt werden. Insbesondere kann die mechanische Spannung auch auf Bruchteile der Mantelfläche begrenzt sein, um lokale Phasenstörungen zu kompensieren.The new device aims at the effect of temperature gradients in non-linear Reduce crystals in that parallel to thermo-optically sensitive Preferred directions define mechanical compressive and tensile stresses to be exerted. In particular, the mechanical stress can also be limited to fractions of the lateral surface to compensate for local phase disturbances.

Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved in the device according to the preamble of claim 1 solved according to the invention by the characterizing features of claim 1.

Im folgenden werden zwei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung erläutert, wobei auf die Fig. 1 und Fig. 2 bezug genommen wird.In the following, two different embodiments of the invention are described, reference being made to Figs. 1 and FIG. 2.

  • a) In Fig. 1 (Schnittbild) ist eine Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Der nichtlineare Kristall (1) wird in eine Wärmesenke (2) (z. B. aus Kupfer) eingepaßt, so daß ein dreiseitiger Wärmekontakt gewährleistet ist. Der zu frequenzkonvertierende Laserstrahl (3) führt durch Absorption zu einer Erwärmung des Kristalls, so daß sich ein Temperaturgradient innerhalb des Kristalls ausbildet. Die obere Wärmesenke (4) ist beweglich und kann mit Hilfe eines Piezostapels (5) auf den nichtlinearen Kristall gedrückt werden. Um mit der beschriebenen Anordnung die maximale Wirkung zur Reduzierung von thermisch induzierten Phasenfehlanpassungen zu erzielen, wird der nichtlineare Kristall (1) derart in den Halter eingebaut, daß seine bezüglich Phasenfehlanpassung empfindliche Achse parallel zur Druckrichtung verläuft.a) In Fig. 1 (sectional view) an embodiment of the invention is shown schematically. The nonlinear crystal ( 1 ) is fitted into a heat sink ( 2 ) (e.g. made of copper), so that a three-sided heat contact is guaranteed. The laser beam ( 3 ) to be frequency-converted leads to a heating of the crystal by absorption, so that a temperature gradient forms within the crystal. The upper heat sink ( 4 ) is movable and can be pressed onto the nonlinear crystal with the aid of a piezo stack ( 5 ). In order to achieve the maximum effect for reducing thermally induced phase mismatches with the arrangement described, the nonlinear crystal ( 1 ) is installed in the holder such that its axis, which is sensitive to phase mismatch, runs parallel to the printing direction.
  • b) Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei wird der nichtlineare Kristall (1) auf der Oberseite mit einer Anordnung von 6 temperierten Druckstücken (3) unter mechanische Spannung gesetzt, wobei die einzelnen Druckstücke unabhängig voneinander mit Hilfe von 6 Piezostapeln (4) bewegt werden können. Als Gegenstück dient die Wärmesenke (2). Die erzeugten mechanischen Spannungen werden mit Hilfe einer elektronischen Schaltung (5) so optimiert, daß der Wirkungsgrad des Konversionsprozesses maximal ist. Die Messung der Konversionseffizienz erfolgt mit mindestens zwei Detektoren, die geeignet sein, die an dem nichtlinearen Prozeß beteiligten Wellenlängen zu messen und einer Schaltung, die geeignet ist, einen Quotienten zu bilden.b) A second embodiment of the invention is shown in Fig. 2. The non-linear crystal ( 1 ) is placed under mechanical tension on the top with an arrangement of 6 tempered pressure pieces ( 3 ), the individual pressure pieces being able to be moved independently of one another with the aid of 6 piezo stacks ( 4 ). The heat sink ( 2 ) serves as a counterpart. The mechanical stresses generated are optimized with the help of an electronic circuit ( 5 ) so that the efficiency of the conversion process is at a maximum. The conversion efficiency is measured using at least two detectors which are suitable for measuring the wavelengths involved in the nonlinear process and a circuit which is suitable for forming a quotient.

ref. [1]: G. Mann, S. Seidel and H. Weber, "Influence of mechanical stress on the conversion efficiency of KTP and LBO", to be published in SPIE proceedings 1999.ref. [1]: G. Mann, S. Seidel and H. Weber, "Influence of mechanical stress on the conversion efficiency of KTP and LBO ", to be published in SPIE proceedings 1999.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Erhöhung und schnellen Variation der Frequenzkonversions- Effizienz von Laserstrahlung bei Verwendung von nichtlinearen Kristallen, insbesondere für die Frequenzverdopplung, Summenfrequenzmischung oder optisch parametrische Prozesse, bestehend aus einer temperierbaren Halterung für den nichtlinearen Kristall und mindestens einer mechanischen Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung einen einstellbaren mechanischen Druck oder Zug auf den Kristall in mindestens einer Raumrichtung ausübt.1. A device for increasing and rapidly varying the frequency conversion efficiency of laser radiation when using nonlinear crystals, in particular for frequency doubling, sum frequency mixing or optical parametric processes, consisting of a temperature-controlled holder for the nonlinear crystal and at least one mechanical device, characterized in that the holder exerts an adjustable mechanical pressure or tension on the crystal in at least one spatial direction. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kontaktfläche zwischen Kristall und Wärmesenke durch mehrere Druckstücke ein inhomogener Druck oder Zug ausgeübt wird, der der Kompensation lokaler Phasenfehlanpassung dient.2. Device according to claim 1, characterized in that on the contact surface an inhomogeneous pressure between the crystal and the heat sink due to several pressure pieces or train is used to compensate for local phase mismatch. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer Kristall unkritisch phasenangepaßtes Lithiumtetraborat (LBO) für die Frequenzverdoppelung von Laserstrahlung der Wellenlänge 1064 nm verwendet wird.3. Device according to claim 1 to 2, characterized in that as a non-linear Crystal non-critical phase-matched lithium tetraborate (LBO) for the Frequency doubling of laser radiation of the wavelength 1064 nm is used. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlinearer Kristall kritisch phasenangepaßtes Kaliumtitanylphosphat (KTP) für die Frequenzverdoppelung von Laserstrahlung der Wellenlänge 1064 nm verwendet wird.4. Apparatus according to claim 2 to 4, characterized in that as a non-linear Critical phase-adjusted potassium titanyl phosphate (KTP) for the Frequency doubling of laser radiation of the wavelength 1064 nm is used. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- bzw. die Zugkräfte durch Piezoaktuatoren erzeugt werden.5. Apparatus according to claim 1 to 5, characterized in that the pressure or the Tractive forces are generated by piezo actuators. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- bzw. die Zugkräfte durch eine Hydraulik erzeugt werden.6. The device according to claim 1 to 5, characterized in that the pressure or the Tractive forces are generated by a hydraulic system. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- bzw. die Zugkräfte durch einen thermische isolierten Körper erzeugt werden, dessen Temperatur einstellbar ist und der einen von Null verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.7. The device according to claim 1 to 5, characterized in that the pressure or the Tractive forces are generated by a thermally insulated body, its temperature is adjustable and has a non-zero expansion coefficient. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- bzw. die Zugkräfte durch Stellmotoren und einer nachgeschalteten geeigneten Mechanik (wie Getriebe, schiefe Ebenen etc.) erzeugt werden.8. The device according to claim 1 to 5, characterized in that the pressure or the Tractive forces through servomotors and a suitable mechanical system (such as Gears, inclined planes, etc.). 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstücke nicht plan sind und flächig auf dem nichtlinearen Kristall aufliegen, sondern, daß sie konvexe oder konkave Flächen in einer oder zwei Achsen besitzen, die geeignet sind, inhomogene Druck- bzw. Zugverteilungen über dem Kristallquerschnitt zu erzeugen.9. The device according to claim 1 to 8, characterized in that the pressure pieces are not flat and lie flat on the nonlinear crystal, but that they have convex or concave surfaces in one or two axes that are suitable to generate inhomogeneous pressure or tensile distributions over the crystal cross section. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Regelung dafür sorgt, daß die Druckverhältnisse so eingestellt werden, daß eine maximale Konversionseffizienz erreicht wird.10. The device according to claim 1 to 9, characterized in that an electrical Regulation ensures that the pressure conditions are set so that a maximum conversion efficiency is achieved. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Regelung dafür sorgt, daß die Druckverhältnisse so eingestellt werden, daß eine konstante, einstellbare Konversionseffizienz erreicht wird, die unterhalb der maximal möglichen Konversionseffizienz liegt.11. The device according to claim 1 to 9, characterized in that an electrical Regulation ensures that the pressure conditions are set so that a constant, adjustable conversion efficiency is achieved, which is below the maximum possible conversion efficiency. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, die frequenzkonvertierte Strahlung entweder kontinuierlich (cw) oder gepulst (quasi-cw, gütegeschaltet oder modengekoppelt) ist.12. The device according to claim 1 to 11, characterized in that frequency-converted radiation either continuous (cw) or pulsed (quasi-cw, Q-switched or mode-locked).
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