DE2842330A1

DE2842330A1 - Vorrichtung zur frequenzumsetzung

Info

Publication number: DE2842330A1
Application number: DE19782842330
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Dr Phi Deserno
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1978-09-28
Publication date: 1980-04-10
Also published as: FR2437639A1

Description

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AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Benin und München ₇₈ P 7 H 6 BRD

Vorrichtung zur Frequenzumsetzung.

Zusatz zu Patent (P 27 58 876)

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Frequenzumsetzung von kohärentem Licht aus einem vorgebbaren Wellenlängenbereich, welche wenigstens einen Kristall aus optisch nichtlinearem Material aufweist, wobei der Kristall die Eigenschaft besitzt, daß zumindest für eine bestimmte Wellenlänge aus dem transmittierbaren Lichtwellenlängenbereich der Phasenanpassungswinkel 0 und/oder die Phasenanpassungstemperatur T wenigstens in erster Nfherung nicht von der Wellenlänge abhängen, nach Hauptpatent (P 27 58 876).

Die Frequenz von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise von Laserlicht, ka.nn mit Hilfe optisch nichtlinearer Kristalle verändert werden, z.B. für • Anwendungen in der Spektroskopie. Zur Erzielung einer brauchbaren Ausbeute bei der optischen Frequenzwandlung muß der verwendete Kristall spezielle Phasenanpassungsbedingungen erfüllen. Diese Bedingungen betref-

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fen z.B. die Orientierung und Temperatur des Frequenzwandlerkristalls und/oder die Polarisation der am Prozeß beteiligten Lichtwellen. Die Phasenanpassungsbedingungen hängen empfindlich von den Dispersions- und Doppelbrechungseigenschaften des verwendeten Kristalls ab. Bei spektral veränderlichen oder abstimmbaren Primärlichtquellen ist die Aufrechterhaltung der Phasenanpassung in der Regel schwierig, da die Temperatur und/oder die Kristallorientierung entsprechend der ver änderlichen Grundfrequenz nachgeregelt werden müssen. Im Hauptpatent wurde deshalb vorgeschlagen, optisch nichtlineare Kristalle einzusetzen, die zumindest in einem bestimmten Wellenlängenbereich aufgrund ihrer speziellen Lichtbrechungseigenschaften keine Änderung des Phasenanpassungswinkels bzw. der Phasenanpassungstemperatur erforderlich machen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Torrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche besonders günstige Eigenschaften aufweist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kristall ein Kalziumvanadat-Kristall (Ca₅(YO^)₂) ist.

Die günstigen Eigenschaften der vorgeschlagenen Vorrichtung beruhen auf den günstigen Eigenschaften dieses Kristallmaterials, nämlich:

1) Es besitzt eine mittelgroße quadratische nichtlineare Suszeptibilität;

2) eine hohe Strahlungsbelastbarkeit;

3) eine relative Unempfindlichkeit gegen Divergenz bzw. Richtungsvariation des Primärstrahls;

4) eine relative Unempfindlichkeit der Kristallorientierung bei festgehaltener Temperatur gegenüber Wellenlängenänderungen des Primärlichts.

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Bei festgehaltener Kristallorientierung ist der typische Abstimmbereich etwa 20 nm gegenüber 7 nm bei dem .Standardmaterial Lithiumniobat. Aufgrund dieser günstigen Eigenschaften kann eine solche Torrichtung vor— teilhaft zur Frequenzverdopplung, insbesondere zur Frequenzverdopplung im Spektralbereich von 1,7/um bis 3/um verwendet werden.

Auch kann sie vorteilhaft zur Frequenzwandlung von HaIbleiter- und Farbzentren-Lasern im 2 - 3/um-Spektralbereich verwendet werden.

Im folgenden werden die Eigenschaften eines Kalziumvanadat-Kristalls mit den Eigenschaften eines Lithiumniobat-Kristalls (LiNbO,), wie er im Hauptpatent bereits angegeben ist, verglichen. Zu vergleichende Größen sind dabei in Diagrammen aufgetragen, welche in den Fig.1 bis 3 dargestellt sind. Es zeigen:

Fig.1 den Phasenanpassungswinkel Q₀ für kollineare Frequenzverdopplung über der unabhängigen Wellenlängenvariablen λ λ (/L ist die Wellenlänge des eingestrahlten Primärlichtes;

Fig.2 das Produkt aus Kristall-Länge 1 und dem Akzeptanzwinkel Δθ₀ über der WellenlängenvariablenÄ ₁ und

Fig.3 das Produkt aus Kristall-Länge 1 und dem Achromasie-Bereich A/)-j über der Wellenlängenvariablen /\ -j aufgetragen.

In der Fig.1 geben die Kurven den Verlauf des Phasenanpassungswinkels G₀ in Abhängigkeit von der unabhängigen Wellenlängenvariablen λ* in einem Wellenlängenbereich

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von 1 bis 4/um für Kalziumvanadat (durchgezogene Kurve) und lathiumniobat (gestrichelte Kurve) an. Jede Kurve besitzt ein Minimum mit -waagrechter Tangente, ■welches für Kalziumvanadat bei einem Wert von /\_u von

etwa 2,24/um und für Lithiumniobat bei einem ¥ert ^_u von etwa 1,9/um liegt. Die Phasenanpassungswinkel Q_Q bei y^_u betragen für Kalziumvanadat etwa 70° und für Lithiumniobat etwa 41,77°. Die dargestellten Kurven gelten für vollständige Phasenanpassung, d.h. der Phasenunterschied 2\0 zwischen der erzeugenden und der erzeugten Lichtwelle ist Null über die gesamte durchstrahlte Kristall-Länge.

Im gewählten Beispiel ist insbesondere bei den Wellenlängen 1,7 und 2,9/um sogenannte "winkelunkritische" Phasenanpassung gegeben (senkrechte Tangente), wobei d0/d© in erster Näherung verschwindet.

In der Fig.2 ist die Größe 1·Δ0 (das Produkt aus Kristall-Länge und der zulässigen Winkeldivergenz des Primärstrahles; zulässig heißt hier, für den Phasenunterschied A0 gilt - J*&0<^, oder auch -^40T, wie es im Hauptpatent angegeben ist, im letzten Fall wären die entsprechenden Werte für AQ und ΔΛdoppelt so groß) für kollineare Erzeugung der zweiten Harmonischen in Kalziumvanadat (durchgezogene Kurve) und Lithiumniobat (gestrichelte Kurve) über die unabhängige Wellenlängenvariable λ., aufgetragen. Diese Kurve zeigt, daß für eine Kristall-Länge von 1 cm der Akzeptanzwinkel AQ für Kalziumvanadat im gesamten zur Phasenanpassung geeigneten Spektralbereich größer als 0,5° (Linie I in Fig.2) ist. Das bedeutet z.B., daß bdL efcer StrsKLdivergenz des Primärstrahles von 0,5° der Leistungsverlust gegenüber einem divergenzfreien Strahl nicht größer als 3O?6 sein wird. Im Vergleich dazu liegt unter den gegebenen Be-

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dingungen für Lithiumniobat der zulässige Akzeptanzwinkel ΛΘ bei 0,1° (Linie II in Fig.2).

In der Fig.3 ist das Produkt aus Kristall-Länge und der zulässigen Wellenlängenänderung des PrimärStrahles bei festgehaltener Kristallorientierung die Größe 1»άλ^ für kollineare Erzeugung der zweiten Harmonischen in Kalziumvanadat (durchgezogene Kurve) und Lithiumniobat (gestrichelte Kurve) über die unabhängige Wellenlängenvariable/^ aufgetragen. Die Funktionen besitzen Polstellen für die.Wellenlängen A_n, bei der d(d/)₁)/d^₁ = 0 ist. Aus dieser Figur ist zu entnehmen, daß für die Kristall-Länge 1 cm der typische Abstimmbereich für Kalziumvanadat etwa bei 20 mn (waagrechte Linie III in Fig.3) liegt, denn für Kalziumvanadat ist Δλ^ über fast dem gesamten zur Phasenanpassung geeigneten Spektralbereich größer als 20 mn. Im Vergleich dazu liegt der Abstimmbereich für Lithiumniobat nur bei etwa 7 mn (waagrechte Linie 17 in Fig.3). Bei Lithiumniobat überschreitet 4^₁ die 20 nm-Marke nur über einen schmalen Spektralbereich b um λ_η = 2 /am herum. Überträgt man den Spektralbereich b in die Umgebung von/^_u = 2,3/um von Kalziumvanadat, so erhält man dagegen einen Abstimmbereich von mindestens 70 nm.

Damit ist gezeigt, daß Kalziumvanadat gegenüber dem Standardmaterial Lithiumniobat erhebliche Torteile be- . sitzt. Aufgrund dieser vorstehend angegebenen Vorteile, insbesondere wegen der vergleichsweise großen zulässigen Wellenlängen- und Winkelvariation, innerhalb der die Phasenanpassung der Primär- und Sekundärstrahlen aufrechterhalten werden kann, ist die Verwendung einer vorgeschlagenen Vorrichtung zur Frequenzverdopplung im Spektralbereich von 1,7 bis 3/um und zur Frequenzumwandlung von Halbleiter- und Farbzentren-Laser im 2 bis 3/um-

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Spektralbereich möglich.

Die in den Fig.1 bis 3 dargestellten Diagramme beruhen auf Messungen bei Zimmertemperatur (22°C).

Im Vergleich zu einem anderen Standardmaterial, nämlich EDP (EH₂POa), ist das Verhältnis der Tensorkomponente d,^ Ton Kalziumvanadat zur Tensorkomponente d-zc von EDP gleich 1,51» was zeigt, daß Kalziumvanadat diesem Standardmaterial gegenüber hinsichtlich der größeren quadratischen nichtlinearen Suszeptibilität überlegen ist.

Die Strahlungsbelastbarkeit von Ealziumvanadat bei der Licht-wellenlänge 1,06/um ist größer als 10 W/cm .

3 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

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Patentansprüche;

Vorrichtung zur Frequenzumsetzung τοη kohärentem Licht aus einem vorgebbaren Wellenlängenbereich, welche wenigstens einen Kristall aus einem optisch nichtlinearem Material aufweist, wobei der Kristall die Eigenschaften besitzt, daß zumindest für eine bestimmte Wellenlänge aus dem transmittierbaren Lichtwellenlängenbereich der Phasenanpassungswinkel Q_Q und/oder die Phasenanpassungstemperatur T wenigstens in erster Näherung nicht von der Wellenlänge abhängen, nach Hauptpatent (P 27 58 876), dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall ein Kalziumvanadat-Kristall (Ca₃(YO₄)₂) ist.
2. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Frequenzverdopplung, insbesondere zur Frequenzverdopplung im Spektralbereich von 1,7/um bis 3/unu
3. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Frequenzumwandlung von Halbleiter- und Farbzentren-Lasern im Spektralbereich von 2/um bis 3/um.

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ORIGINAL INSPECTED