DE2522338C3

DE2522338C3 - Vorrichtung zur Erzeugung von kohärentem licht

Info

Publication number: DE2522338C3
Application number: DE19752522338
Authority: DE
Inventors: Akira Ohme Hashimoto; Masaru Kokubunji Tokio Ito; Mahito Tokio Kohmoto; Isamu Ishikawa Nakamura; Susumo Saito; Keiichi Ueyanagi; Manabu Odawara Kanagawa Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-05-20
Filing date: 1975-05-20
Publication date: 1979-11-29
Also published as: DE2522338B2; DE2522338A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von kohärentem Licht nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

ίο Lichtquellen, die kohärentes Licht im sichtbaren oder ultravioletten Bereich abgeben, haben einen sehr geringen Wirkungsgrad und sind verhältnismäßig umfangreich. Zur Erzeugung kurzwelligen kohärenten Lichts wird daher vom Licht einer längerwelligen kohärenten Lichtquelle ausgegangen und mittels nichtlinearer optischer Materialien daraus eine höhere Harmonische abgeleitet

Eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus »Applied Physics Letters« Band 18, Nr. 3 vom 1. Februar 1971, Seiten 70 bis 73, bekannt bei der in einem Resonator ein laseraktives Medium und ein Verdopplerkristall sowie zwischen diesen beiden Elementen ein wellenlängenselektives Element derart angeordnet sind, daß durch das wellenlängenselektive Element die Strahlung der jeweils gewünschten Wellenlänge aus dem Resonator ausgeblendet wird. In der gleichen Druckschrift ist ferner beschrieben, daß eine derartige Anordnung auch zur optischen Mischung und zur Erzeugung von

jo höheren Harmonischen herangezogen werden kann, wobei jedoch offen bleibt an welcher Stelle die die Mischung bewirkende Einrichtung anzuordnen ist

Aus der schweizerischen Patentschrift Nr. 4 99 216 ist eine ähnliche Vorrichtung bekannt, bei der ein

j5 Verdopplerkristall zwischen einem laseraktiven Element und einem ein Mischprodukt erzeugenden Kristall angeordentist.

Würde man gemäß der aus dieser schweizerischen Patentschrift bekannten Reihenfolge der verschiedenen optischen Einrichtungen die Anordnung nach der zuerst genannten Druckschrift (Applied Physics Letters) zur Erzeugung einer dritten Harmonischen derart aufbauen, daß sich das Material zur Erzeugung der zweiten Harmonischen zwischen dem laseraktiven Material und dem durch optische Mischung die Summenfrequenz erzeugenden Material befindet, so hätte eine solche Anordnung den Nachteil, daß wegen der Reflexion der Grundwelle die zweite Harmonische auf beiden Seiten des Materials zur Erzeugung der zweiten Harmonischen entsteht und die sich durch das laseraktive Material ausbreitende zweite Harmonische durch das laseraktive Material absorbiert wird und somit verloren geht. Bei einer derartigen Anordnung läßt sich ferner auch nicht verhindern, daß ein Teil der Summenfrequenzwelle das Material zur Erzeugung der zweiten Harmonischen durchsetzt und dort absorbiert wird. Durch die Absorption dieser Strahlung wird das Material zur Erzeugung der zweiten Harmonischen erwärmt und dadurch in seinen optischen Eigenschaften nachteilig verändert. In ungünstigen Fällen kann die durch die Absorption erzeugte Wärme sogar zu einer Zerstörung des Materials zur Erzeugung der zweiten Harmonischen führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

h. Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung derart auszubilden, daß die aus der Mischung des Laserlichts der Grundwelle mit dem Licht der zweiten Harmonischen gebildete Summenfre-

-J=S-

quenzwelle mit möglichst hohem Wirkungsgrad am Ausgang das Resonators zur Verfügung steht, ohne das Material zur Erzeugung der zweiten Harmonischen zu überlasten.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Patentanspruchs I. Danach sind das laseraktive Material, das Material zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, das Material zur Erzeugung der Summenfrequenz und das wellenlängenselektive Element derart angeordnet, da3 sowohl der Teil der zweiten Harmonischen, der das laseraktive Material durchsetzt, als auch der Teil der dritten Harmonischen, der das Material zur Erzeugung der zweiten Harmonischen durchsetzt, sehr klein sind. Daher sind Absorption von Strahlung innerhalb der Vorrichtung und Erwärmung der verschiedenenen optischen Einrichtungen, insbesondere des Materials zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, nur gering. Wirkungsgrad und Lebensdauer der Vorrichtung sind daher erhöht

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

In der nachstehenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 bis 7 und 9 schematische Darstellungen verschiedener Vorrichtungen zur Erzeugung von kohärentem Licht,

Fig.8 ein Beispiel für den Aufbau und die Beschattung eines wellenlängenselektiven Elements, wie es in der Vorrichtung nach Fi g. 6 und 7 verwendet wird,

Fig. 10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Auswanderung bei einem nichtlinearen Material zur Erzeugung einer höheren Harmonischen, und

Fig. 11 und 12 zwei Beispiele für den Aufbau nichtlinearer Elemente zur Erzeugung von höheren Harmonischen.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 enthält ein laseraktives Material I zur Erzeugung der Grundwelle, ein Material 2 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und ein Material 3 zur Erzeugung der dritten Harmonischen. Reflektoren 4 und 5 bilden einen Laserresonator.

Der Reflektor 5 hat für Laserlicht ein hohes Reflexionsvermögen; der Reflektor 4 hat ein hohes Reflexionsvermögen sowohl für das Laserlicht als auch für seine zweite Harmonische. Ein wellenlängenselektiver Reflexionsspiegel 6 ist in dem Laserresoiiator so angeordnet, daß das- Licht vom Reflektor 5 zum Reflektor 4 gelenkt wird. Der Reflexionsspiegel 6 hat für das Grundlaserlicht ein hohes Reflexionsvermögen.

Er ist gegenüber der dritten Harmonischen transparent, so daß die Höherharmonischen aus dem Resonator ausgeleitet werden können. Der Reflexionsspiegel 6 kann auch gegenüber der zweiten Harmonischen transparent ausgeführt werden, wenn die zweite Harmonische aus dem Resonator ausgeleitet werden soll.

Bei der gemäß Fig. 1 aufgebauten Vorrichtung kann die Größe der zweiten Harmonischen, die nach der Reflexion an den Reflektoren 5 und 6 auf das Material zur Erzeugung der Summenfrequenz fällt, infolge der Absorption der zweiten Harmonischen durch das laseraktive Material I und die hohe Durchlässigkeit des Reflexionsspiegel¹; 6 bezüglich der zweiten Harmonischen sehr gering gehalten werden. Demzufolge ist die auf das Material zur Erzeugung der zweiten Harmonischen fallende dritte Harmonische sehr gering.

Da die in Richtung des Reflektors 4 erzeugte Komponente der zweiten Harmonischen durch diesen reflektiert wird, trägt der größte Teil der zweiten Harmonischen wirksam zur Erzeugung der Summenfrequenzwelle bei. Wenn das laseraktive Material, das Material zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und das Material zur Erzeugung der Summenfrequenzwelle in der beschriebenen Reihenfolge innerhalb eines

in Laserresonators angeordnet sind, ist es zweckmäßig, die Harmonische durch den Spiegel 6 aus dem Resonator auszuleiten. Wenn sowohl die zweite Harmonische als auch die Summenfrequenzwelle durch den Spiegel 6 aus dem Resonator ausgeleitet werden, breiten sie sich zusammen in der gleichen Richtung aus. Diese Tatsache vereinfacht den Aufbau des optischen Systems.

Gemäß F i g. 2 befindet sich zwischen den Reflektoren 5 und 6 ein zusätzlicher Reflektor 8. Die vier Reflektoren 4, 5, 6 und 8 bilden einen Laserresonator.

Die Reflektoren 6 und 8 sind mit einem Überzug oder Film versehen, der annährend 10ν% des Grundlaserlichts reflektiert und wenigstens die Summenfrequenzwelle am stärksten durchläßt Die Reflektoren 4 und 5, das Material 2 zur Erzeugung der zweiten Harmonisehen und das Material 3 zur Erzeugung der Sumr^nfrequenzwelle sind mit Reflexions- oder Antireflexionsüberzügen versehen. Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 wird die erzeugte Summenfrequenzwelle vom Reflektor 6 oder 8 nach außen ausgeblendet.

Obwohl der vier Spiegel enthaltende- Aufbau hinsichtlich der Einstellung komplizierter ist als der mit drei Reflektoren, ist er insofern vorteilhaft, als in einfacher Weise ein Resonator geschaffen wird, der den Wirkungsgrad der Erzeugung der zweiten Harmonisehen und der Summenfrequenzwelle verbessert. Bei dem Aufbau der Fig.2 wird der Durchmesser des Grundlaserstrahls an den Stellen des Materials 2 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und des Materials 3 zur Erzeugung der Summenfrequenzwtlle klein, wodurch die Lichtintensität erhöht wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 kann das die Summenfrequenz erzeugende Material 3 zwischen den Reflektoren 6 und 8 angeordnet werden. Dabei ist der Reflektor 6 mit einem reflektierenden Film versehen,

4> der das Grundlaserlicht, die zweite Harmonische und das Summenfrequenzlicht überwiegend reflektiert, während der Reflektor 8 mit einem Reflexionsfilm versehen ist, der das Grundlaserlicht zu fast 100% reflektiert und die zweite Harmonische sowie das Summenfrequenzlicht in überwiegendem Maße durchläßt. Auf diese Weise können unabhängig Resonatoren geschaffen werden, die für die Erzeugung der zweiten Harmonischen und der Summenfrequenzwelle am bellen geeignet sind, und die Wirkungsgrade der Umwandlung in Licht dieser Wellenlängen können weiter verbessert werden.

Als Überzüge der Reflektoren 4, 5, 6 und 8 können mehrschichtige Filme aus dielektrischen Substanzen verwendet werden. Wie bekannt, können gegenüber

bo beliebigen Wellenlängen stark reflektierende und stark durchlässige Reflektoren durch mehrschichtiges Aufdampfen dielektrischer Substanzen, beispielsweise Magnesiumfluorid und Ceriumoxid, hergestellt werden.
Gemäß der vorstehenden Erläuterung werden als Material 2 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen Materialien verwendet, die die 90°-Phasenanpassungsbeziehung erfüllen. Wenn aber die Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen räumlich nicht be-

15),

irächtlich voneinander abweichen, können beliebige nichtlineare optische Materialien verwendet werden, die die gC-Phasenabgleichbeziehung nicht erfüllen. Gleichfalls kann das die dritte Harmonische erzeugende Material 3 ein von den oben erwähnten Materialien abweichendes nichtlineares optisches Material sein. In jedem Fall ist die Erfüllung der 90°-Phasengleichbeziehung wünschenswert; die Wahl der Substanz ist jedoch frei.

Fig.3 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Laserresonator zwischen den Reflektoren 4 und 5, dessen Weg gebogen ist und der eine laseraktive Substanz 1 (z. B. einen mit Neodymium dotierten Yltriumaluminiumgranatkristall) I und ein Prisma IO enthält. Als Material 2 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen ist es unter den obigen Bedingungen /weckmäßig, eine Substanz zu verwenden, die die Bedingung der 90°-Phasenanpassung oder überein-MiHimuiig ci'iüfii, uciäpiciSVVC-iSr

Bariumnatriumniobat (Ba;

Kaliurnniobat (KNbO₁),

l.ithiumniobat (LiNbO)) oder

Cäsiumdihydrogenarsenat (CsH₂/
Die erzeugte zweite Harmonische (gestrichelte Linien) wird dem Grundlaserlicht (ausgezogene Linien) überlagert und breitet sich in der gleichen Richtung wie das Grundlaserlicht aus. Der Reflektor 4 ist mit einem Reflexionsfilm versehen, der das Grundlaserlicht und die zweite Harmonische zu fast 100% reflektiert. Die zum Reflektor 4 gerichtete zweite Harmonische wird somit ohne Verlust nach außen reflektiert und der zur Substanz 3 zur Erzeugung der Summenfrequenzwelle gerichteten zweiten Harmonischen überlagert. Die resultierende zweite Harmonische trifft auf die Substanz 3 zur Erzeugung der Summenfrequenzwelle, die beispielsweise aus Lithiumjodat (L1IO3) oder Ammoniumdihydrogenphosphat (NH₄H₂PO₄) besteht und wirksam Licht der Summenfrequenz (strichpunktierte Linien) erzeugt, da die Ausbreitungsrichtungen des auftreffenden Grundlaserlichts und der auftreffenden zweiten Harmonischen im wesentlichen identisch sind. Das Summpnfrpniienzlicht breitet sich auf der Bleichen Seite aus wie das auftreffende Licht zweierlei Art.

Die optischen Wege des Lichtstrahls der zweiten Harmonischen und des Lichtstrahls der Summenfrequenz unterscheiden sich vom optischen Weg des Grundlaserlichts, und zwar weger, der Dispersionswirkung des Prismas, durch das sie aus dem Laserresonator ausgeblendet werden. Dabei ist die Oberfläche des Prismas 10 vorzugsweise mit einem Antireflexionsüberzug versehen, dir die Reflexionsveriuste bei den drei Wellenlängen verringert. Auch die Oberflächen der laseraktiven Substanz 1, der die zweite Harmonische erzeugenden Substanz 2 und der die Summenfrequenzwelle erzeugenden Substanz 3, auf die das Grundlaserlicht, die zweite Harmonische und die Summenfrequenzwelle treffen, können mit Antireflexionsüberzügen versehen sein. Dies gilt für die folgenden Beispiele.

Gemäß Fig. 4 ist das Prisma 10 der Fig. 3 durch einen Reflektor 11 ersetzt, der gegenüber dem Grundlaserlicht stark durchlässig ist, während seine Oberfläche 11', die zur Substanz 3 zur Erzeugung der Summenfrequenzwelle gerichtet ist, das Summenfrequenzlicht stark reflektiert. Der Reflektor 11 ist so angeordnet, daß die Oberfläche 11' gegenüber dem optischen Weg des Resonators einen spitzen Winkel bildet. Demzufolge weicht das vom Material 3 erzeugte Summenfrequenzlicht vom optischen Weg des Resonators ab und wird aus diesem ausgeblendet. Die Oberfläche II" des Reflektors II, die zur lascraktiven Substanz I weist, ist vorzugsweise so anogeordnet, daß das Grundlaserlicht senkrecht auf dieselbe fällt.

F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der das anstelle des Prismas Il der Fig. 4 einen herkömmlichen flachen Reflektor 12 enthält, der das Laserlicht in starkem Maße durchläßt und das Summenfrequenzlicht in starkem Maße reflektiert. Dieses Ausführungsbeispiel hat die gleichen Auswirkungen wie das der Fig.4. Der Reflektor 12 kann gegenüber der zweiten Harmonischen des Lichts reflektierend sein.

Gemäß F i g. 6 sind zwischen der lascraktiven Substanz I (z. B. mit Neodymium dotierter Ytlriumaluminiumgranatkristall [Nd : YAG]) und einem Reflektor 4, eine akusto-optische Beugungseinrichtung 9, eine die Summenfrequenzwelle erzeugende Substanz 3 und eine

l I ί l

/.WLIH.

*«->ίτ t ρ nriniinnn/ln

ivmi Wi /VUf^IiUC

Substanz 2 in dieser Reihenfolge vnn links nach rechts angeordnet. Als Substanz 2 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen wird vorzugsweise ein die 90"-Phasenanpassungsbedingung erfüllendes Material verwendet, beispielsweise

Bariumnatriumniobat (Ba₂Na₂NbSOi 5),

Kaliumniobat (KNbO₁).

Lithiumniobat (LiNbO)) oder

Ci>iumdihydrogenarsenat (CsH₂AsO₄).
Als die Summenfrequenzwelle erzeugende Substanz 3 wird ein nichtlineares optisches Material verwendet, beispielsweise

Lithiumjodat (LiIO)) oder

Ammoniumdihydrogenphosphat(NH₄H2PO4).
Die akusto-optische Beugungseinrichtung 9 ist gegenüber dem optischen Weg geneigt, so daß die dritte Harmonische Li des Grundlaserlichts unter dem Braggschen Winkel einfällt. Der Braggsche Winkel ergibt sich aus folgender Beziehung:

sin H =

2.1 "

worin λ und Λ die Wellenlängen des Lichts bzw. der akustischen Welle und der Winkel θ der Winkel zwischen der Wellenfront der akustischen Welle und des Wellenvektors des auftreffenden Lichtstrahls sind. Bekanntermaßen wird das unter dem Braggschen Winkel einfallende Licht in einer Richtung intensiv gebrochen, wenn die Energie der akustischen Welle in geeigneter Weise gewählt wird.

Das durch angeregte Emission im laset .Ativen Material erzeugte Grundlaserlicht L\ erzeugt in dem aus den Reflektoren 4 und 5 gebildeten Resonator die Laserschwingung. Da in diesem Fall die akusto-optische Beugungseinrichtung 9 so angeordnet ist, daß die Bedingung des Braggschen Einfallwinkels bezüglich der dritten Harmonischen L₃ erfüllt ist, tritt das Laserlicht L\ ohne wesentliche Brechung durch dieselbe hindurch. Das Laserlicht L₁ fällt auf die die zweite Harmonische Li erzeugende Substanz 2, und die zweite Harmonische tritt aus der Substanz nach zwei Seiten, gemäß der Darstellung der Figur nach rechts und links, aus. Die direkt nach links austretende zweite Harmonische Li fällt auf die die Summenfrequenzwelle erzeugende Substanz 3. Andererseits wird die nach rechts austretende zweite Harmonische Li vom Reflektor 4 reflektiert und tritt durch die die zweite Harmonische erzeugende Substanz 2 hindurch, so daß sie ebenfalls auf

die die Suminenfrequenzwelle erzeugende Substanz 1 fallt. Hie resultierende auflrcffende zweite Harmonische 1.2 und das Laserlicht Li. das von der Seile des Reflektors 4 auf die die Summenfrequenzwelle erzeugende Substanz 3 trifft, wirken auf die Substanz 3 so. dall ~> das summenfrequente Licht oder die dritte Harmonische l-i erzeugt wird und gemäß der Darstellung der Figu.· nach links austritt. Der größere Teil der drillen Harmonischen Lj wird durch die akusto-optischc Beugungseinrichtung 9 in einer Richtung abgelenkt κι (gemäß Fig. 6 nach links und oben) und aus Hein Resonator ausgeblendet.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Urzeugung kohärenten Lichts. Der Unterschied dieses Ausführungsbcispicls gegenüber r> dem der F i g. 6 besteht darin, daß zur Ausblendung der zweiten Harmonischen Li aus dem Resonator ein weiterer Reflektor 7 /wischen der laseraktiven Substanz ί und der die SuMimerifrequen/weiie erzeugenden Substanz 3 angeordnet ist. Der Reflektor 7 reflektiert :« die zweite Harmonische L₂ und läßt die Laserscliwingung L\ durch. Hin Teil der von rechts auf die die summenfrequente Welle erzeugende Substanz 3 treffenden zweiten Harmonischen wird in die dritte Harmonische Li umgewandelt, während der durchgelassenc r< restliche Teil auf die akusto-optischc Beugungseinrichtung 9 fällt. Obwohl die auf die akusto-oplischc Beugungseinrichtung 9 fallende zweite Harmonische L₂ zum Teil gebeugt wird, wird sie zum größeren Teil durchgelassen. Die durchgelassene Komponente wird tu von. zur optischen Achse schief angeordneten Reflektor 7 reflektiert und aus dem Resonator ausgeblendet (in F i g. 7 nach rechts und oben).

Bei dem Alisführungsbeispiel der Fig. 7 kann der Reflektor 7 durch eine akuslo-optische Beugungsein- f. richtung ersetzt werden, die so angeordnet ist, daß der Braggsche Auffallwinkel bezüglich der zweiten Harmonischen Li erfüllt ist. Die Verwendung der akusto-optischen Beugungseinrichlung 9 anstelle des selektiven Reflektors ist vorteilhaft, da die Wellenlängcndiffcrenz -»n zwischen dem Grundlicht und der dritten Harmonischen übermäßig groß kt Da«; heißt dpr iplpktivp Rpflrktor muß mit einem besonderen Überzug versehen sein, der für Licht der einen Wellenlänge stark durchlässig (z. B. im Infrarotbereich) und gegenüber Licht einer anderen 4 > Wellenlänge (z. B. ultraviolett) stark reflektierend ist. Die akusto-optische Beugungseinrichtung kann dagegen so betrieben werden, daß sie durch die Braggsche Beugung selektiv auf Licht einer gewünschten Wellenlänge einwirkt. >n

Die akusto-optische Beugungseinrichtung, die als wellenlängenselektive Einrichtung in jedem der Systeme der F i g. 6 und 7 verwendet wird, kann gemäß F i g. 8 aufgebaut sein. Sie enthält ein akusto-optisches Medium 9, akustische Wandler 9' und 9", deren Resonanzfrequenzen den Wellenlängen der akustischen Wellen entsprechen, die den Braggschen Auftreffwinkel bezüglich des Laserlichts L\ bzw. der dritten Harmonischen L₃ erfüllen, und Hochfrequenzgeneratoren 13 und 15 zur Erzeugung der Resonanzfrequenzen der akustischen f>o Wandler 9' bzw. 9". Die Hochfrequenzgeneratoren werden durch einen Schalter 16 und einen Amplitudenmodulationssignalgenerator 17 gesteuert. Wird der akustische Wandler 9" so betrieben, daß die Bedingung des Braggschen Auftreffwinkels gegenüber dem Laserlicht L\ erfüllt ist, so wird das Laserlicht zum größeren Teil durch die akusto-optische Beugungseinrichtung gebeugt, und es findet keine Laserschwingung statt.

Wenn durch Umschaltung des Schalters 16 nur der akustische Wandler 9' betrieben wird, so daß die Bedingung des Braggschen Auftreffwinkels gegenüber der dritten Harmonischen Lj erfüllt ist, so wird das Laserlicht Li zum größten Teil durchgelassen, so daß die Laserschwingung stattfinden kann. Außerdem wird die dritte Harmonische gebeugt und aus dem Resonator ausgeblendet. Das heißt, die Impulsschwingung, beispielsweise die p-Schaltung, kann durch Änderung der Wellenlänge der akustischen Schwingung mit dem Schalter 16 realisiert werden. Bei diesem Ausführungsbeispicl wird ein scharfer Anstieg der Spil/.enenergie des Grundlascrlichts durch Impulsbetrieb erreiehl lis ist bei der Wcllenlängenumwandlung vorteilhaft.

Fs ist auch möglich, die Intensität des gebeugten Lichts durch Modulation der Amplitude der akustischen Schwingung mit dem Amplitudenmodulationssignalgenerator 17 zu modulieren. Hierbei kann eine variable AusgangMiiiciisiiai des summeimuquuiiicii Ln-iiis erzielt werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel entsprechen die Resonanzfrequenzen der akustischen Wandler 9' und 9" den Wellenlängen der akustischen Schwingungen, die die Bedingung des Braggschen Auftreffwinkels für Licht der Wellenlängen Li und Lj erfüllen. Es können aber an dem akusto-optischen Medium 9 auch akustische Wandler mit identischer Resonanzfrequenz dcart angebracht werden, daß die Neigungen ihrer Wellenfronten die Bedingung des Braggschen Auftreffwinkels für Licht der Wellenlängen L\ bzw. L\ erfüllen. Ferner können die beiden getrennten Wandler durch einen einzigen, breitbandigen Wandler ersetzt werden, der die L, und Lj entsprechenden akustischen Wellenlängen abdeckt.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung für kohärentes Licht. Frfindungsgcmäß ist es nicht notwendig, daß sich das laseraktive Material I innerhalb desjenigen Resonators befindet, in dem das die zweite Harmonische erzeugende Material 2, das die Summenfrequenzwelle erzeugende Material 3 und die akusto-optische Beugungseinrichtunp 9 befinden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 9 befindet sich das laseraktive Material in einem Resonator, der von dem Resonator getrennt ist, in dem sich das selektive Element, das die zweite Harmonische erzeugende Material und das die Summenfrequenzwelle erzeugende Material befinden. Gemäß Fig. 9 ist das laseraktive Material 1 innerhalb eines aus Reflektoren 25 und 26 aufgebauten Resonators angeordnet. Ein Laserlicht L₁ wird über den Reflektor 25 abgeleitet, der einen Teil des Lichts Li durchläßt. Das Laserlicht Li wird in den aus den Reflektoren 4 und 5 aufgebauter, Resonator eingeleitet und in diesem eingefangen. Das Verfahren zur wirkungsvollen Erzeugung der dritten Harmonischen L3 in dem aus den Reflektoren 4 und 5 aufgebauten Resonator und zur wirkungsvollen Ausblendung desselben nach außen ist der gleiche wie beim Beispiel der F i g. 6. Um auch die zweite Harmonische L2 auszublenden, ist zwischen dem Reflektor 5 und der akusto-optischen Beugungseinrichtung 9 ein Reflektor oder eine akusto-optische Einrichtung angeordnet, die die zweite Harmonische L2 reflektieren und die Grundwelle L\ durchlassen. Natürlich braucht das Laserlicht Li nicht stets, wie in diesem Beispiel gezeigt, von der Seite des Reflektors 5 einzufallen, sondern es kann auch von der Seite des Reflektors 4 einfallen.

Zur wirtschaftlichen Wellenlängenumwandlung müs-

sen die Grundwelle und die Höherharmonischen gleiche Phasengeschwindigkeiten im nichtlinearen optischen Material haben, d.h., die sogenannte Phasenbcstimmungsbedingung muß erfüllt sein, tin allgemeines Verfahren zur Verwirklichung der Bedingung in einem streuenden Medium besteht darin, daß ein optisch anisotroper Kristall als nichtlineares optisches Material verwendet und die Grundwelle und die Höherharmonischen unterschiedlich voneinander polarisiert werden. Hierdurch wird die Differenz der Phasengeschwindigkeiten infolge der Streuung durch die anisotropen Brechutigsindiz.es kompensiert. Zur genauen Einstellung der Phasenanpassung muß die Beziehung zwischen der Hauptachse des Indexellipsoids des Kristalls und der Ausbreitungsrichtung des Lichts (der Phascnanpassungswinkel), sowie die Temperatur des Kristalls genau eingestellt werden.

Zur genaueren Erläuterung sei der Fall betrachtet, daß das infrarote Licht des Nd : YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 1.06 μηι in seine zweite Harmonische umgewandelt wird, nämlich in grünes Licht mit der Wellenlänge von 0,53 μηι. Wird ein Kristall, der auf die 90"-Phasenbeziehung gebracht werden kann, als nichtlineares optisches Material verwendet, beispielsweise Bariumnatriumniobat oder Kaliumniobat, und wird die Temperatur des Materials entsprechend eingestellt, so kann die Phasenanpassung bei einem Winkel erreicht werden, bei dem die Ausbreitungsrichtungen der Grundwelle und der zweiten Harmonischen mit einer der Hauptachsen des Indexellipsoids übereinstimmen. In einem solchen Fall entstehen keine Schwierigkeiten.

Wird aber ein Material wie Lithiumjodat verwendet, so stimmt der Winkel, bei dem die Phasenanpassung erreicht wird, nicht mit der Hauptachse des Indexellipsoids des Kristalls überein. Dabei werden, wie in F i g. 10 gezeigt, infolge der Doppelbrechung durch den Kristall 2 die Ausbreitungsrichtungen der Grundwelle L\ und der zweiten Harmonischen L> getrennt,die beispielsweise aus gewöhnlichem und außergewöhnlichem Licht bestehen. Da die beiden Lichtstrahlen nicht vollkommen aufeinanderliegen, wird der Wirkungsgrad der Wellenlängenumwandlung verschlechtert. Wird die Länge des

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gl

gemacht, so wird der Querschnitt des Strahls der zweiten harmonischen Welle, die aus außergewöhnlichem Licht besteht, abgeflacht, wie durch die Kurve 19 angedeutet. Dies führt in der Anwendung zuweilen zu zusätzlichen Unzuträglichkeiten. Der Querschnitt 20 der Grundwelle L\. die aus gewöhnlichem Licht besteht, wird durch den Durchtritt des Strahls durch den Kristall nicht deformiert.

Zur Vermeidung der genannten Unzuträglichkeiten und zur Erhöhung des Wirkungsgrades der parametrischen WeHenlängenumwandiung ist wenigstens eines der nichtlinearen optischen Materialien zur Verwendung in den bisher beschriebenen Summenfrequenzgeneratoren aus mehreren Kristallen aufgebaut, die mehrstufig längs der Ausbreitungsrichtung der ersten Lichtwelle aufgereiht sind. Zusätzlich sind die Kristalle so in einer Reihe angeordnet, daß die Hauptachsen der Indexellipsoide der angrenzenden Kristalle bezüglich der Ausbreitungsrichtung der ersten Lichtwelle zueinander Nebenwinkel bilden können.

Im folgenden wird Herstellung eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung zur parametrischen WellenlängenuiTiwandlung erläutert. In Fig. 11 sind mit L\ die Grundwelle (gewöhnliches Licht) und mit L^ die zweite Harmonische (außergewöhnliches Licht) bezeichnet.

Nichtlineare optische Kristalle 2A, 2B, 2Cund 2Ü sind so aneinandergereiht, daß, wie durch die Pfeile an den linken Enden der einzelnen Kristalle gezeigt, die Hauptachsen der Indexellipsoide benachbarter Kristalle bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle Nebelwinkel bilden. Das heißt, es ist Θ' = 180° -B. Die Abstände zwischen den einzelnen Kristallstücken sind so klein, daß die Phasenverschiebungen in ihnen vernachlässigbar klein sind. Bei diesem Aufbau unterscheiden sich die Ausbreitungsrichtungen der zweiten Harmonischen in den aneinander angrenzenden Krisiallstückcn voneinander. Die Verschiebung /wischen der Grundwelle und der zweiten Harmonischen, die vom ersten Kristall 2A hervorgerufen wird, wird durch den /weiten Kristall 2/i korrigiert. Da sich dies schrittweise wiederholt, wird, auch wenn die Gesamtlänge der Kristalle groß ist, der Querschnitt 19 <Jes /weiten harmonischen Lichtstrahls nicht extrem fit.ch. Darüber hinaus ist die Überlagerung des Querschnitts 19 mit dem Querschnitt Z(J des ürundweiien-Lichtstrahls gut. Die Phasenwinkel-Anpassungsbedingung ist stets erfüllt, weil der Neigungswinkel der Ausbreitungsrichtung des Lichts zur Hauptachse des Kristalls in allen Kristallstiicken nicht variabel ist. Statt auf die beschriebene mehrstufige Kaskadenverbindung aus vier Kristallstücken ist die Erfindung auf eine beliebige Anzahl von wenigstens zwei Kristallstücken anwendbar. Der Phasenanpassungswinkel Θ variiert in Abhängigkeit von der Kristallart und der Wellenlänge des Lichts. Wird beispielsweise das Licht mit der Wellenlänge von 1,06 μπι des Nd : YAG-Lasers in das Licht der zweiten Harmonischen mit der Wellenlänge von 0,53 μπι durch Lithiumjodat umgewandelt, so beträgt der Anpassungswinkei bei normaler Temperatur etwa 30°.

Anhand von Fig. 12 sei ein weiteres Ausführungsbeispiel des Aufbaus der Einrichtung zur parametrischen Wellenlängenumwandlung, nämlich die Anwendung auf die optische Mischung, erläutert. Unter optischer Mischung wird hier die Bildung von summenfrec|iientem Licht aus zwei Lichtwellen verstanden. Bei der in Fig. 12 gezeigten Anordnung sind L\ die Grundwelle des Lichts des Nd : YAG-Lasers der Wellenlänge von

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der Wellenlänge von 0,53 μηι. Nichtlineare Kristallstükke 3A und 35 bestehen aus Lithiumjodat. Es ist wünschenswert, daß die beiden auftreffenden Lichtstrahlen Polarisationsrichtungen haben, in denen sie bezüglich des Kristalls zu ordentlichem Licht werden. Weiter sollten sie soweit als möglich räumlich aufeinanderliegen. Infolge des nichtlinearcn Zusammenwirkens wird im Kristall die dritte Lichtwelle Li erzeugt. Die Frequenz der dritten Lichtwelle ist gleich der Summe der Frequenzen der beiden einfallenden Lichtstrahlen. Das heißt, die dritte Lichtwelle entspricht der dritten Harmonischen des Lichts mit der Wellenlänge von 1,06 μιη, das einen der einfallenden Lichtstrahlen darstellt. Es ist ultraviolett und hat eine Wellenlänge von 0,355 μπι. Die erzeugte dritte Harmonische wird außerordentliches Licht. Ihre Ausbreitungsrichtung weicht von den Ausbreitungsrichtungen der einfallenden Lichtstrahlen ab. Eine Verschiebung der dritten Harmonischen gegenüber den einfallenden Lichtstrahlen wird durch den mehrstufigen Aufbau verhindert, der aus zwei oder mehr Kristallstücken besteht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Phasenanpassungswinkel etwa 47°.

Statt der oben erwähnten können verschiedene andere nichtlineare optische Materialien verwendet

weiden. Die nichtlineare Wellenlängcnumwandlung ist ebenfalls auf einfallendes Licht anwendbar, dessen Wellenlänge sich von der oben erwähnten unterscheidet. Der Phasenanpassungswinkel ist abhängig von der Art des Kristalls, der Temperatur, der Wellenlängen des einfallenden Lichts und der Höhcrharmonischen, und so weiter.

Die Erfindung ist auf vielerlei Gebieten anwendbar, auf denen kohärente Lichtquellen erforderlich sind, beispielsweise bei der Isotopentrennung, der optischen Informationsverarbeitung und bei der spektroskopischen Analyse und Anzeige, bei denen Laser angewendet werden. Die Erzeugung der dritten Harmonischen aus dem Nd : YACj-Laser bildet eine brauchbare Quelle für kohärentes ultraviolettes Licht, das auf diesen Gebieten in weilem MaLIe angewendet wird.

Der erfindungsgemäße Generator ist bei der Laseranzeige, der I.ascrspektroskopie usw. als Einrichtung zur Erzeugung mehrerer kohärenter Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen anwendbar. Ls ist möglich, Hie ultraviolette dritte Harmonische durch Farbstoffe, fiuoreszente Materialien oder dergleichen in sichtbares Licht umzuwandeln. Auch kann iii.ter Verwendung von Farbstoffen, fluoreszentem Material oder dergleichen als laseraktives Material und seine Erregung durch die zweite oder dritte Harmonische ϊ Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt werden. Beispielsweise ist bei einem Nd : YAO-Lascr einer Wellenlänge von 1,06 μm die zweite f larinonische grünes Licht von 0,53 μίτι. Durch Erregung geeigneter Farbstoffe, beispielsweise Rhodaminfarbstoffen, mit der

ίο zweiten Harmonischen kann rotes Laserlicht erzeugt werden. Ähnlich kann durch Erregung von beispielsweise Cournannfarbstoffen mit der dritten Harmonischen von 0,35 μηι blaues Laserlicht erzeugt werden. Eine kohärente Lichtquelle der so erhaltenen drei Farben ist

ι > auf dreifarbige Laseran/cigeeinrichtungen anwendbar.

Falls erwünscht, kann das GrundlaseiTicht aus dem Resonator ausgeblendet werden, indem der Spiegel 4, 5, 6 oder 8 bei dieser Wellenlänge leicht durchlassig gemacht oder die Oberfläche IΓ oder 12' oder der

.'Ii Reflektor 7 bei dieser wellenlänge leicht reflektierend gemacht wird.

Mier/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Erzeugung von kohärentem Licht mit einer optischen Resonatoreinrichtung, innerhalb der ein laseraktives Material, das Licht der Grund-Laserfrequenz emittiert, ein die zweite Harmonische der Grund-Laserfrequenz erzeugendes Material, ein die Summenfrequenz von Grund-Laserfrequenz und deren zweiten Harmonischen erzeugendes Material sowie zwischen dem laseraktiven Material und dem die zweite Harmonische erzeugenden Material ein wellenlängenselelctives Element zum Ausblenden der Lichtwelle der Summenfrequenz aus dem Resonator angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das die Summenfrequenz erzeugende Material (3) zwischen dem die zweite Harmonische, erzeugenden Material (2) und dem wellenlängenselektiven Element (6; 9; 10; 11; 12)sügeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive Element aus einem oder mehreren Spiegeln (6,8) besteht, die das Grundlaserlicht reflektieren und die zweite Harmonische und/oder summenfrequente Licht durchlassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive Element aus einem Prisma (10,11) besteht

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (10, 11) mit einer Oberflächenschicht (11) versehen ist, die das Grundlaserlicht durchläßt und das summenfrequente Licht reflektiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das selektive .'.tement aus einem Reflektor (12) besteht, der das Grundlaserlicht durchläßt und das summenfrequente Licht reflektiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive Element aus einer akusto-optischen Beugungseinrichtung (9, 9') besteht, die das summenfrequente Licht selektiv beugt

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Reflektor (5), der die zweite Harmonische reflektiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die akusto-optische Beugungseinrichtung mit zwei getrennnten akustischen Wandlern (9, 9') versehen ist, die je bei den akustischen Frequenzen betrieben werden, die dem Braggschen Winkel bezüglich des Grundlaserlichts und der dritten Harmonischen desselben entspricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Materialien (2,3) zur Erzeugung der zweiten Harmonischen und der Summenfrequenzwelle aus mehreren Kristallstükken (IA, 2B, IC, 2D;3A, 3B)aufgebaut ist, die längs des optischen Weges des optischen Resonators (4,5) so mehrstufig angeordnet sind, daß die Hauptachsen der Brechungsindexellipsoide der aneinsinder angrenzenden Kristallstücke Nebenwinkel zueinander bezüglich des optischen Weges bilden.

10. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoreinrichtung aus zwei gekoppelten Resonatoren (25, 26; 4, 5) besteht, von denen der eine das laseraktive Material (1) und der andere das wellenlängenselektive Element (9), das die Summenfrequenz erzeugende Material (3) und das die zweite Harmonische erzeugende Material (2) enthält