DE2403501A1

DE2403501A1 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen erzeugung einer phasenangepassten kohaerenten sekundaerstrahlung in einem nichtlinearen kristall

Info

Publication number: DE2403501A1
Application number: DE2403501A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Kuhl; Jans-Joerg Spitschan
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1974-01-25
Filing date: 1974-01-25
Publication date: 1975-08-07
Also published as: DE2403501C3; GB1487004A; US3962576A; DE2403501B2

Description

I¹IEMA CAEL ZEISS, 7920 HSIDEMEIM (BEENZ)

Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Erzeugung einer phasenangepaßten kohärenten Sekundärstrahlung in einem nichtlinearen Kristall

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer phasenangepaßten kohärenten Sekundärstrahlung in einem nichtlinearen Kristall durch Einstrahlung einer kohärenten Primärstrahlung, wobei die Frequenz der Sekundärstrahlung gegen die Frequenz einer Primärstrahlung verdoppelt oder gegen die Frequenzen zweier verschiedener Primärstrahlen durch Summen- oder Differenzbildung der Primärfieqienzen verändert ist.

Kohärente Sekundärstrahlung kann in Kristallen durch Ausnutzung nichtlinearer Polarisationseffekte erzeugt werden, die durch die elektrischen Felder einer intensiven kohärenten Primärstrahlung hervorgerufen werden. Die Frequenz der Sekundärstrahlung ist dabei gegen die Frequenz der Primärstrahlung verändert. Bei Einwirken eines Laserstrahles der Frequenz f auf einen doppelbrechenden Kristall kann in diesem die harmonische Welle der Frequenz 2f erzeugt werden. Bei Einwirkung von Laserstrahlen verschiedener Frequenzen, beispielsweise f* und fp kann in einem nichtlinearen Kristall die kohärente Sekundärstrahlung mit der Summenfrequenz f^ + ±2 oder mit der Differenzfrequenz f^ - f^ erzeugt werden. Durch diese Erzeugung von Sekundärstrahlung kann der Wellenlängenbereich der Emission von Lasern erweitert werden. Der Wellenlängenbereich von handelsüblichen Färbstofflasern kann durch die Erzeugung von Sekundärstrahlung in einem nichtlinearen Kristall sowohl auf den UV- als auch auf den ΙΕ-Bereich erweitert werden. .Voraussetzung für eine wirkungsvolle Umwandlung einer als Primärstrahlung wirkenden Laserstrahlung in eine Sekundärstrahlung anderer Frequenz ist jedoch, daß die primäre Welle und die ^

sekundäre Welle auf dem Durchstrahlungsweg in Phase bleiben, d.h., daß beide Wellen im nichtlinearen Kristall dieselbe Phasenge- ν schwindigkeit besitzen müssen»

1 P

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Zur Herleitung der Bedingungen für Phasenanpassung zwischen primärer und sekundärer Welle und zum Stand der Technik
dienen folgende Erläuterungen:

Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen primärer und sekundärer Welle ist an Bedingungen geknüpft, die dem Energiesatz und Impulssatz Rechnung tragen.

Zur Erhaltung von Energie- und Impulssatz muß gelten:

1_Λ + f₂ - ty ■ (I)

->
mit /Jc₁/- 2 Tf f _i

Hierin bedeuten:

f. » die Frequenzen,

fc. = die Wellenvektoren,

n. = η (fi) die Brechungsindizes für die Wellen

c β die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Für kollinearen Durchgang erhält man daraus die Phasenanpassungsbedingung :

H₁ J₁ + n₂ f₂ - n₃f₃ (III)

Diese kann in verschiedenen nichtlinearen Kristallen dadurch erfüllt werden, daß die Dispersion der Lichtgeschwindigkeit im Kristall durch die Anisotropie des Brechungsindex kompensiert wird.

In doppelbrechenden Kristallen sind im Prinzip zwei Typen
der Phasenanpassung möglich:

Typ 1. Die Wellen mit den Frequenzen f^ und f« besitzen

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die gleiche Polarisation (beide sind entweder ordentliche oder außerordentliche Strahlen).

Typ 2. Die Polarisationsrichtung der Wellen mit den

Frequenzen 1* und f~ sind orthogonal zueinander (ein ordentlicher und ein außerordentlicher Strahl).

Pur den Spezialfall der Frequenzverdopplung mit Phasenanpassung nach Typ 1 geht die Phasenanpassungsbedingung III über in

n₀ (f) = n_e (2f) (IV)

wobei der Index _Ho" auf den ordentlichen und der Index „e" auf den außerordentlichen Strahl hinweist.

In einem einachsigen Kristall mit negativer Doppelbrechung kann die Bedingung (IV) erfüllt werden, wenn im Kristall Eichtungen existieren, für die der außerordentliche Brechungsindex für die Frequenz 2f genau so groß ist wie der ordentliche Brechungsindex für die Frequenz f. Strahlt man daher eine ordentlich polarisierte Welle der Frequenz f in dieser Richtung durch den Kristall, so ist die durch die nichtlineare Wechselwirkung erzeugte Oberwelle der Frequenz 2f mit außerordentlicher Polarisation automatisch phasenangepaßt und kann auf der Wechselwirkungsstrecke kumulativ erzeugt werden.

Für einen einachsigen Kristall mit positiver Doppelbrechung muß an Stelle von (IV)

n_e (f) - n₀ (2f) (V)

gefordert werden.

Frequenzverdopplung in einachsigen Kristallen mit Phasenanpassung nach Typ 2 erfordert die Erfüllung der Bedingungen

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n_o (f) + n_e (f) = 2 n_e (2f) (IV)

n_o (f) + n_e (f) - 2 n_o (f) (V )

Entsprechende Formeln für die Phasenanpassung bei der Summen- und Differenzfrequenzerzeugung lassen sich durch analoge Überlegungen ableiten und können der Literatur entnommen werden (s. z.B. J.E. Midwinter, J. Warner, Brit. J.Appl. Phys. 16, 1135 (1965), G.G. Bhar, D.C. Hanna, B. Luther-Davies and R.C. Smith, Optics Communications 6, 323 (1972) ). Die Bedingungen für Phasenanpassung in biaxialen Kristallen sind bei Hobden, J. Appl. Phys. J58, 4-365 (1967)zu finden.

Wird die Emission eines oder mehrerer frequenzvariabler Laser als Primärstrahlung verwendet, so kann mit Hilfe nichtlinearer Polarisationsprozesse in Kristallen eine frequenzvariable kohärente Strahlung im ultravioletten und im infraroten Speüralbereich erzeugt werden. Zur Erzeugung durchstimmbarer und leistungsstarker PrimärStrahlung stehen im sichtbaren Spektralbereich Farbstofflaser zur Verfügung. Bandbreite und Wellenlänge der emittierten Strahlung dieser Laser kann nach dem Stand der Technik durch Verwendung dispergierender Elemente im Laserresonator in waten Grenzen variiert werden.

Eine besonders große Umwandlungsrate bei der Erzeugung kohärenter Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen ca. 260 - 350 mn durch Fret^uenzverdopplung von Farbstofflaseremission kann in Kaliumdihydrogenphosphat-Kristallen (KHp PO^) und in Ammoniumdihydrogenphosphat-Kristallen (NH^) E^ PO^ ), die abgekürzt auch als KDP- und ADP-Kristall bezeichnet werden, erzielt werden. Zur Erzeugung einer hohen Feldstärke wird der Laserstrahl mit einer Linse in den Kristall fokussiert.

Untersuchungen zur Frequenzverdopplung von Farbstofflaserstrahlung in KDP- und ADP-Kristalleη haben gezeigt, daß in einem fokussierten Laserstrahl die Phasenanpassungsbedingung bei Einstrahlung spektral schmalbandiger Laserstrahlung nicht

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für den gesamten öffnungswinkel des Laserbündels erfüllt werden kann (s. z.B. J. Kühl, H. Spitschan, Optics Communications j>, 382 (1972) )· Die Erzeugung der Oberwelle kann daher nur in einem sehr schmalen Winkerbereich beobachtet werden. Dies führt dazu, daß der Querschnitt des erzeugten UV-Strahls in der kritischen Richtung, die durch die optische Achse des Kristalls festgelegt ist, je nach Bandbreite des Lasers stark beschnitten wird.

Als dispergierende Elemente zum Durchstimmen der Laseremission werden z.B. Beugungsgitter, Dispersionsprismen, Interferenzfilter, Fabry-Perot Etalons, achromatische Linsen, Lyot-Filter bzw. eine Kombination von mehreren solchen Elementen verwendet. Die spektrale Durchstimmung der Laserstrahlung kann beim Interferenzfilter z.B. durch eine Variation der Winkelstellung des Filters zur Strahlrichtung erreicht werden. Beim Lyot-Filter und Fabry-Perot Etalon mit einem Abstandstück aus Piezokeramik kann die Durchlaßwellenlänge durch Veränderung einer elektrischen Spannung verändert werden.

Bestrahlt man einen einachsigen doppelbrechenden Kristall mit der frequenzvariablen Strahlung eines Farbstofflasers, um frequenzvarible Sekundärstrahlung der doppelten Frequenz zu erzeugen, so muß die Phasenanpassungsbedingung im Kristall für die jeweils eingestrahlte Laserfrequenz und ihre Oberwelle erfüllt sein, da die Brechungsindices η des ordentlichen und η des außerordentlichen Strahls in verschiedener Weise

Dispersion zeigen. Das Problem, die Phasenanpassung in Abhängigkeit von der Variation der Wellenlänge stets wiederherzustellen, kann bekanntlich auf zwei Wegen gelöst werden:

1. Die Kristallorientierung wird durch Drehen des Kristalls um die Achse senkrecht zur optischen Kristallachse in der Weise mit der Frequenz geändert, daß der Winkel zwischen der Laserstrahlrichtung im Kristall und der optischen Kristallachse gerade dem Phasenanpassungswinkel

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für die jeweilige Frequenz entspricht.

2. Die Kristalltemperatur und damit die Größe der Brechungs-

indices η und η werden in der Weise mit der Frequenz ο e ^

geändert, daß die Beziehungen (IV) bzw. (V) erfüllt bleiben.

Das spektrale Durchstimmen der im Kristall erzeugten Sekundärstrahlung erfordert demnach die gleichzeitige Änderung von mindestens zwei experimentellen Parametern:

a) Die Variation der Laserausgangsfrequenz:

Dies geschieht beispielsweise durch Änderung der Winkelstellung des dispergierenden Elementes im Resonator des Lasers

b) Die Erfüllung der Phasenanpassungsbedingung im doppelbrechenden Kristall:

Dies geschieht beispielsweise durch Änderung der Kristallorientierung oder der Kristalltemperatur.

Da sich die WinkelStellungen des Kristalls und des dispergierenden Elementes im Laserresonator in sehr unterschiedlicher Weise und jeweils nichtlinear mit der Wellenlänge ändern, ist eine Kopplung der beiden Bewegungen nach dem Stand der Technik nur möglich, nachdem die in Frage kommende Abhängigkeit durch die Aufnahme einer Eichkurve festgelegt ist. Doch setzt die Verwendung einer Eichkurve voraus, daß alle experimentellen Parameter hinreichend konstant gehalten werden können, was nicht immer gewährleistet ist. Insbesondere ist die Aufnahme einer Eichkurve für jedes neue dispergierende Element, das mit dem Kristall kombiniert wird, nötig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Hachstimmung der Phasen-

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anpassung der Sekundärstrahlung an eine frequenzvariable Primärstrahlung anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Primärstrahlung auftretende Änderung des Winkels zwischen der Richtung der Sekundärstrahlung und der optischen Achse des Kristalls zur Steuerung eines Regelkreises für die Nachstimmung der Phasenanpassung der Sekundärstrahlung an die Primärstrahlung verwendet wird.

Um durchstimmbar Sekundärstrahlung in einem breiten Emissionsbereich zu erhalten, ist es vorteilhaft, als Quelle für die Primärstrahlung einen Laser mit wellenlängenvariabler Frequenz im sichtbaren Bereich zu verwenden. Mit der Methode der Frequenzverdoppelung im Kristall ist es dann möglich, eine durchstimmbare Strahlungsquelle für den UV-Bereich zu erhalten. Zur Steuerung des Regelkreises für die Nachstimmung der Phasenanpassung wird ein Teil der Sekundärstrahlung so auf einen flächenhaften Detektor gelenkt, daß durch die in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Primärstrahlung auftretende örtliche Verlagerung der Richtung der Sekundärstrahlung im Detektor ein elektrisches Signal erzeugt wird, dessen Absolutwert ein Maß für die Größe der Wellenlangenänderung ist und dessen Vorzeichen angibt, ob die Wellenlänge der Primärstrahlung größer oder kleiner geworden ist.

Wenn die Phasenanpassung durch Änderung der Kristallorientierung in Bezug auf die Einfallsrichtung der Primärstrahlung erreicht werden soll, wird erfindungsgemäß das im Detektor erzeugte Signal zur Steuerung eines Servomotors verwendet, der die Stellung "des Kristalles so lange korrigiert, bis die Phasenanpassung zwischen Primär- und. Sekundärstrahlung wieder erreicht ist und das Signal wieder den Wert Null annimmt.

Wenn die Phasenanpassung durch Änderung des Brechungsindex im Kristall erreicht werden soll, wird zweckmäßig das im Detektor

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erzeugte Signal zur Steuerung eines den Kristall umgebenden Heizofens verwendet, welcher die Temperatur und damit die Brechzahl des Kristalles so lange ändert, bis die Phasenanpassung zwischen Primär- und Sekundärstrahlung wieder erreicht ist und das Signal wieder den Wert Null annimmt.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß zur Erzielung einer Frequenzverdopplung im Kristall als Prxmarstrahlungsquelle ein durchstimmbarer Farbstofflaser vorgesehen ist, daß im Lichtweg der emittierten Laserstrahlung eine Sammellinse angeordnet ist, daß die aus dieser Sammellinse austretende Primärstrahlung auf den in einem Drehtisch montierten nichtlinearen Kristall fällt, daß zur Durchführung der Drehbewegung ein Stellmotor vorgesehen ist, der den Drehtisch antreibt, daß weiterhin im Lichtweg der aus dem Kristall austretenden Sekundärstrahlung eine teilreflektierende Platte vorgesehen ist, die einen Teil der Strahlung auf einen aus zwei nebeneinander liegenden Fotoempfängern bestehenden Detektor lenkt, und daß weiterhin dem Fotoempfänger ein Operationsverstärker nachgeordnet ist, dessen Ausgang auf die Ansteuereinheit des Stellmotors einwirkt. Durch diese Vorrichtung wird eine automatische Kopplung der Kristallbewegung an die Bewegung des zur Wellenlängenselektion dienenden dispergierenden Elementes im Laserresonator erreicht. Der im Kristall erzeugte UV-Welledängenbereich kann durch Variation eines einzigen experimentellen Parameters, beispielsweise der Stellung des dispergierenden Elementes im Laserresonator, durchgestimmt werden. Außerdem wird durch das automatische Nachstellen des Kristalls ein räumliches Wandern des emittierten UV-Lichts vermieden.

Die Parallelversetzung der Sekundärstrahlung beim Kippen des planparallelen Kristalles kann dadurch vermindert oder aufgehoben werden, daß der nichtlineare Kristall in ein flüssiges Hedium eingebettet ist, dessen Brechzahl der des Kristalles etwa gleich ist.

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• a-

Die Parallelversetzung der Sekundärstrahlung beim Kippen des planparallelen Kristaxles kann außerdem auch durch Verwendung von zwei miteinander gekoppelten und spiegelbildlich zueinander drehbaren Kristallen aufgehoben werden.

Zur Erreichung einer Frequenzänderung der Sekundärstrahlung im Kristall durch Summen- oder Differenzbildung der Frequenzen zweier PrimärStrahlungen verschiedener Wellenlänge dient ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das sich dadurch auszeichnet, daß als Primärstrahlungsquellen zwei Laser vorgesehen sind, von denen einer eine feste Frequenz ausstrahlt, während die Frequenz des anderen durchstimmbar ist, daß ein Umlenkspiegel und ein teildurchlässiger Spiegel vorgesehen ist, welche die laserstrahlung auf eine im Lichtweg angeordnete Sammellinse lenken, daß der hinter der Sammellinse angeordnete nichtlineare Kristall von einem Heizofen umgeben ist, daß hinter dem Kristall eine teilreflektierende Platte vorgesehen ist, welche die vom Kristall austretende Sekundärstrahlung auf den Detektor lenkt und daß weiterhin dem Detektor ein Operationsverstärker nachgeordnet ist, der mit der Ansteuereinheit für die Stromversorgung des Heizofens verbunden ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Verhinderung eines räumlichen Auswanderns der emittierten Sekundärstrahlung eine Verfälschung von experimentellen Untersuchungen vermieden wird. Eine solche Verfälschung würde beispielsweise bei Abbildung des Strahles auf einen Monochromatorspalt oder durch Änderung des Beobachtungsvolumens bei Fluoreszenzmessungen durch ein räumliches Wandern des emittierten Sekundärstrahles verursacht werden.

Weitere Vorteile liegen in der Einfachheit des Verfahrens und der Vorrichtung gegenüber dem bekannten Stand der Technik und in der Unabhängigkeit der Methode zur Erzeugung von kohärenter

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Sekundärstrahlung von speziellen Filter- und Kristalldaten.

Als weiterer Vorteil ist zu erwähnen, daß das mit dem Positionsdetektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachgewiesenen Signal sich auch zur Regelung eines Heizkreises bei "temperature tuning" des Kristalls verwenden läßt.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in der hohen Einstellgenauigkeit bei kritischer Kristallstellung, da die Empfindlichkeit des Verfahrens mit ä&/ a/l wächst. t> ist dabei der Phasenanpassungswinkel und A die Wellenlänge der Primärstrahlung.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 eine Vorrichtung mit einem durchstimmbaren Laser als Primärstrahlungsquelle und einem drehbar angeordneten nichtlinearen Kristall zur Frequenzverdopplung;

Fig. 2 eine Vorrichtung mit einem durchstimmbaren Laser als PrimärFtrahlungsquelle und zwei miteinander gekoppelten und spiegelbildlich zueinander drehbaren nichtlinearen Kristallen zur Frequenzverdoppelung;

Fig. 3 eine Vorrichtung mit einem durchstimmbaren und einem nichtdurchstimmbaren Laser als Primärstrahlungsquellen und einen heizbar angeordneten nichtlinearen Kristall zur Summen- oder Differenzbildung der eingestrahlten Primärfrequenzen.

In der Fig. 1 ist mit der Kennzahl 1 ein Farbstofflaser mit frequenzvariabler Emission bezeichnet. Die Durchstimmung der Frequenz des Farbstofflasers geschieht nach dem Stand der Technik mit einem im Laserresonator eingebauten dispergierenden Element,

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beispielsweise einem Interferenzfilter, das aber in der Fig. 1 nicht eingezeichnet ist. Mit der Kennziffer 2 ist eine Sammellinse bezeichnet, welche die Laserstrahlung auf einen nichtlinearen Kristall 3 lenkt. In diesem Kristall 3 wird durch Bildung der harmonischen Oberwelle die Frequenz f der Primärstrahlung verdoppelt. Eine Parallelversetzung der Sekundärstrahlung gegenüber der Primärstrahlung, die beim Kippen des planparallen Kristalles 3 auftreten würde, wird dadurch verhindert, daß der Kristall 3 in ein flüssiges Medium 35 mit praktisch der gleichen Brechzahl wie der des Kristalles eingebettet ist. Das Medium befindet sich in einer Küvette 33 mit parallelen Ein- und Austrittsfenstern 34. Die aus dem Kristall 3 austretende Sekundärstrahlung wird auf eine teilreflektierende Quarzplatte 11 gelenkt. Der größere Anteil der Strahlung wird von der Platte 11 durchgelassen und kann zum gewünschten Versuchszweck verwendet werden, während ein geringer Anteil der Strahlung auf zwei nebeneinander liegende Fotoempfänger 12, 13 gelenkt wird. Der Ausgang der beiden Fotoempfänger ist an den Operationsverstärker 14 angeschlossen, dessen Ausgang auf die Ansteuereinheit 15 für den Stellmotor 5 einwirkt. Der Stellmotor 5 treibt ein Zahnrad 50 an, welches in die Verzahnung des Drehtisches 10 eingreift. Ist für die mit dem Laser 1 eingestellte Primärstrahlung die Anpassungsbedingung für die Phase der Primärstrahlung und die der Sekundärstrahlung im Kristall 3 erfüllt, so empfangen die beiden Fotoempfänger 12, die gleiche Strahlungsmenge. Beim spektralen Durchstimmen der Laserquelle 1 ist für eine andere Frequenz der Primärstrahlung die Phasenanpassung im Kristall für eine andere Richtung der Sekundärstrahlung erfüllt. Dies macht sich in einem Auswandern der auf die Fotoempfänger 12, 13 fallenden Lichtflecke bemerkbar. Es empfängt dann einer der Fotoempfänger eine größere Lichtmenge als der andere. Als Folge davon sind die Fotoströme in den Empfängern 12, 13 verschieden. Dadurch wird ein Signal erzeugt, dessen Höhe über den absoluten Betrag der Wellenlängenänderung unddessen Vorzeichen über die Richtung der Wellenlängenänderung, d.h., ob die Wellenlänge der Primärstrahlung nach größeren oder nach kleineren Wellenlängen verändert wurde, Auskunft gibt. Das Signal wird vom Operationsverstärker 14 verstärkt, dessen Ausgang über die Ansteuereinheit 15 den Stellmotor 5 in Bewegung

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setzt, der dann die Orientierung des Kristalles 3 so lange verstellt, bis die Phasenanpassung zwischen Primärstrahlung und Sekundärstrahlung wieder hergestellt ist. Durch diesen geschlossenen Regelkreis ist für jede Wellenlänge des durchstimmbaren Lasers 1 die Phasenanpassung der Sekundärstrahlung an die Primärstrahlung gewährleistet und der Kristall gibt eine durch den Laser 1 abstimmbare Sekundärstrahlung der doppelten Frequenz ab. Für die Justierung ist lediglich notwendig, daß einmalig für eine einzige VeEenlange die Kristallorientierung für die Phasenanpassungsbedingung eingestellt wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der Vorrichtung der Fig. 1 dadurch, daß die Parallelversetzung der Sekundärstrahlung, die beim Kippen des planparallelen Kristalles 3 auftritt, durch Verwendung eines zweiten Kristalles 4, der mit Kristall 3 gekoppelt und spiegelbildlich zu diesem drehbar ist, aufgehoben wird. Die Drehung des Kristalles 4 erfolgt über das Zahnrad 70, welches in die Verzahnung des Drethisches 9 und des Zahnrades 50 eingreift und damit vom Stellmotor 5 mit angetrieben wird.

In der Fig. 3 ist eine Vorrichtung gezeigt, welche als Primärstrahler zwei verschiedene Laserquellen 16 und 17 verwendet, wobei die Laserquelle 16 Strahlung einer einzigen Frequenz emittiert, während die Laserquelle 17 ebenso wie die mit 1 bezeichneten Laserquelle der Fig. 1 in einem großen Vellenlangenbereich durchstimmbar ist. Die kollineare Laserstrahlung aus den beiden Quellen 16 und 17 gelangt über den Umlenkspiegel 18 und den teildurchlässigen Spiegel 49 durch die Sammellinse 20 auf den nichtlinearen Kristall 21, der von einem Heizofen 22 umgeben ist. Die vom Kriste.ll 21 ausgehende Sekundärstrahlung gelangt wie bei der in Fig. 1 gezeichneten Vorrichtung wieder auf eine teilreflektierende Quarzplatte, die in der Fig. 2 die Bezeichnung 23 trägt,und die einen Teil der Strahlung auf die Fotoempfänger 24 und 25 lenkt. Die Fotoempfänger der Vorrichtung

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nach Pig. 3 sind wieder an einen Operationsverstärker 26 angeschlossen, der seinerseits mit der Ansteuereinheit 27 verbunden ist. Diese Ansteuereinheit liefert den Strom für den Heizofen 22, der beim erstmaligen Justieren der Vorrichtung auf eine solche Temperatur eingestellt wird, daß für eine bestimmte Wellenlänge des Lasers 17 als Sekundärstrahlung die Differenzfrequenz f. - fp entsteht. In diesem Pail empfangen die -Fotoempfänger 24 und 25 die gleiche Strahlungsmenge. Wird nun die Wellenlänge der Laserquelle 17 verändert, dann wird die Anpassungsbedingung für die Phasen der Primärstrahlung und der Sekundärstrahlung verstimmt, was zu einer Auswanderung des Lichtfleckes der Sekundärstrah lung auf den Fotoempfängern 24 und 25 führt. Die Fotoempfänger 24, 25 werden dadurch mit verschiedener Intensität bestrahlt. Dadurch entsteht wieder ein Signal, dessen Größe vom Absolutbetrag der Wellenlängenänderung und dessen Vorzeichen von der Richtung der Wellenlängenänderung abhängt. Dieses Signal wird im Operationsverstärker 26 verstärkt und auf die Ansteuereinheit 27 gelenkt, die dann den Heizstrom für den Heizofen 22 so lange ändert, bis durch die Temperatur des Kristalls 21 die Phasenanpassung der Sekundärstrahlung mit der neuen Wellenlänge der Primärstrahlung wieder erfüllt ist.

Außer der Differenzbildung f^, - fp ist in dem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel auch eine Summenbildung der Primärfrequenzen f,. - fp möglich.

Die Methode der Phasenanpassung mittels Temperaturänderung des Kristalls beschränkt sich nicht auf das in der Fig. 3 dargestellte Beispiel, bei dem als Primärstrahlquellen zwei Laser verwendet werden. Sie kann ebenso mit nur einem durchstimmbar en Laser durchgeführt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung einer phasenangepaßten kohärenten Sekundärstrahlung in einem nichtlinearen Kristall durch Einstrahlung einer kohärenten Primärstrahlung, wobei die Frequenz der Sekundärstrahlung gegen die Frequenz der Primärstrahlung durch Verdoppelung, Summen- oder Differenzbildung verändert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit von der Wellenlänge der Primärstrahlung auftretende Änderung des Winkels zwischen der Richtung der Sekundärstrahlung und der optischen Achse des Kristalls zur Steuerung eines Regelkreises für die Nachstimmung der Phasenanpassung der Sekundärstrahlung an die Primärstrahlung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für die Primärstrahlung ein Laser mit wellenlängenvariabler Emission verwendet wird und daß ein Teil der Sekundärstrahlung so auf einen Detektor gelenkt wird, daß durch die in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Primärstrahlung auftretende örtliche Verlagerung der Richtung der Sekundärstrahlung im Detektor ein elektrisches Signal erzeugt wird, dessen Absolutwert ein Maß für die Größe der Wellenänderung ist und dessen Vorzeichen angibt, ob die Wellenlänge der Primärstrahlung größer oder kleiner geworden ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im Detektor erzeugte Signal zur Steuerung eines Servomotors verwendet wird, der die Stellung des Kristalls so lange korrigiert, bis die Phasenanpassung zwischen Primär- und Sekundärstrahlung wieder erreicht ist und das Signal wieder den Wert Null annimmt.

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4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im Detektor erzeugte Signal zur Steuerung eines den Kristall umgebenden Heizofen verwendet wird, welcher die Temperatur und damit die Brechzahl des Kristalls so lange ändert, bis die Phasenanpassung zwischen Primär- und Sekundärstrahlung wieder erreicht ist und das Signal wieder den Wert Null annimmt.

5· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärstrahlungsquelle ein durchstimmbarer Farbstofflaser (1) vorgesehen ist, daß im Lichtweg der emittierten Laserstrahlung eine Sammellinse (2) angeordnet ist, daß die aus der Sammellinse (2) austretende Primärstrahlung auf einen in einem Drehtisch (10) montierten nichtlinearen Kristall (4) fällt, daß zur Durchführung der Drehbewegung ein Stellmotor (5) vorgesehen ist, der den Drehtisch (10) antreibt, daß weiterhin im Lichtweg der aus dem Kristall (4) austretenden Sekundärstrahlung eine teilreflektierende Platte (11) vorgesehen ist, die einen Teil der Strahlung auf einen aus zwei nebeneinander liegenden Photoempfängern (12, 13) bestehenden Detektor lenkt und daß weiterhin den Photoempfängern (12, 13) ein Operationsverstärker (14) nachgeordnet ist, dessen Ausgang auf die Ansteuereinheit (15) des Stellmotors (5) einwirkt .

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Kristall (4) in ein flüssiges Medium eingebettet ist, dessen Brechzahl der des Kristalls praktisch gleich ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines einzigen Kristalls (4) zwei miteinander gekoppelte und spiegelbildlich zueinander drehbare Kristalle (3, 4) vorgesehen sind.

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8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4-, dadurch gekennzeichnet, daß als Primärstrahlungsquellen zwei Laser (16, 17) vorgesehen sind, von denen mindestens einer durchstimmbar ist, daß ein Umlenkspiegel (18) und ein teildurchlässiger Spiegel (19) vorgesehen ist, welche die Laserstrahlung auf eine im Lichtweg angeordnete Sammellinse (20) lenken, daß der hinter der Sammellinse (20) angeordnete nichtlineare Kristall (21) von einem Heizofen (22) umgehen ist, daß hinter dem Kristall (21) eine teildurchlässige Platte (23) vorgesehen ist, welche die vom Kristall (21) austretende Sekundärstrahlung auf den Detektor (24, 25) lenkt, und daß weiterhin dem Detektor (24-, 25) ein Operationsverstärker (26) nachgeordnet ist, der mit der Ansteuereinheit (27) für die Stromversorgung des Heizofens (22) verbunden ist.

Brd/Hgs
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