DE3631909A1 - Vorrichtung zur frequenzverdoppelung eines laserstrahles - Google Patents
Vorrichtung zur frequenzverdoppelung eines laserstrahlesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeu
gung eines frequenzverdoppelten Laserstrahles und insbe
sondere unter Verwendung der Phasenanpassung vom Typ II
in einem Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen
innerhalb des Resonstors.
Die Erzeugung der zweiten Harmonischen (im folgenden SHG =
second harmonic generation genannt) bildet ein Mittel zur
Verdopplung der Frequenz einer Laserquelle. Bei diesem
Verfahren induziert eine elektromagnetische Grundwelle in
einem nichtlinearen Medium eine Polarisationswelle (Ober
welle) mit der doppelten Frequenz der Grundwelle. Aufgrund
der Dispersion im Brechungsindex des Mediums ist die Pha
sengeschwindigkeit einer derartigen Oberwelle eine Funktion
ihrer Frequenz, so daß die Phase der induzierten zweiten
harmonischen Polarisationswelle gegenüber derjenigen der
Grundwelle verzögert ist. Da die Vektorsumme aller Pola
risationen der erzeugten zweiten Harmonischen die Intensi
tät der SHG ergibt, ist diese durch die Phasenverzögerung
begrenzt. Eine Technik, bekannt als Phasenanpassung (phase
matching), wird verwendet, um diese Schwierigkeit zu über
winden, indem in uniaxialen und biaxialen Kristallen die
natürliche Doppelbrechung, d.h. die Differenz in der Pha
sengeschwindigkeit als Funktion der Polarisation, benutzt
wird um den Dispersionseffekt so zu versetzen, daß die
Grundwelle und die zweite harmonische Welle (Oberwelle)
in Phase fortschreiten können.
Man kennt zwei Arten von Phasenanpassung, die die Polari
sationsvektoren der einfallenden Grundwelle auf verschie
dene Weise anwenden.
Bei der Phasenanpassung vom Typ I wird die Grundwelle senk
recht zur optischen Achse des Kristalls polarisiert (ein
O- oder ordentlicher Strahl) und die induzierte Oberwelle
wird parallel zur optischen Achse polarisiert (ein A- oder
außerordentlicher Strahl). Ein Verfahren, welches diese
Phasenanpassung I anwendet, ist in der US-PS 44 13 342 be
schrieben. Da die Grundwelle entlang der optischen Achse
des Kristalls polarisiert ist, findet keine Änderung ihrer
linearen Polarisation statt, wenn sie aus dem Kristall aus
austritt. Eine derartige Typ I SHG-Anordnung kann inner
halb der Resonatorkammer angeordnet und in einfacher Weise
angewandt werden um die höhere Leistungsdichte, die in der
Resonatorkammer verfügbar ist, auszunutzen, da die Einfüh
rung des SHG-Kristalls keinen nennenswerten Polarisations
verlust erzeugt.
Bei der Phasenanpassung vom Typ II wird die linear polari
sierte Grundwelle gleichmäßig in O- und A-Strahlen aufge
teilt, indem gefordert wird, daß ihre Polarisation 45° in
Bezug auf die optische Achse des Kristalls beträgt, wobei
die sich ergebende zweite harmonische Oberwelle parallel
zur optischen Achse linear polarisiert ist, also ein A-
Strahl ist. Hier sind die Phasengeschwindigkeiten der O-
und A-Strahlen der einfallenden Grundwelle aufgrund der
natürlichen Doppelbrechung des Kristalls unterschiedlich.
Im allgemeinen wird die lineare Polarisation der Eingangs-
Grundwelle in eine elliptische Polarisation umgewandelt,
wenn sie den Kristall durchläuft. Die Größe der Phasen
verzögerung zwischen O- und A-Strahlen ist das Produkt
der Indexdifferenz in dem Material und dem effektiven op
tischen Weg.
Wenn ein derartiger Typ II-Kristall innerhalb eines Laser-
Resonators angeordnet wird, kann diese Phasenverzögerung
einen beträchtlichen Leistungsverlust verursachen, da die
ursprüngliche lineare Polarisation des Laserstrahles im
allgemeinen nicht richtig beibehalten wird.
Die vorstehend beschriebenen Nachteile treten auch dann
auf, wenn die Grundwelle beliebig polarisiert ist, wie dies
bei Multimode-Lasern der Fall ist. Wenn das aktive Laser
medium nicht natürlich doppeltbrechend ist und in der Reso
natorkammer keine Polarisationselemente angeordnet sind, be
wirkt der Typ II SHG-Kristall eine Phasenverzögerung zwischen
den Polarisationskomponenten, die entlang ihren O- und A-Ach
sen aufgelöst sind. Diese Verzögerung, welche durch den
Kristall verdoppelt wird, kann die Stabilität und Ausgangs
leistung des Laser negativ beeinflussen, indem seine Fähig
keit beeinträchtigt wird, seine Polarisation relativ zu
thermischen oder anderen induzierten doppeltbrechenden Effek
ten in dem aktiven Lasermedium zu optimieren.
Man kann versuchen, diese Phasenverzögerung durch eine pas
sive Einrichtung, beispielsweise einen Babinet-Soleil-Konden
sator, zu kompensieren. Die Phasenverzögerung ist jedoch
normalerweise temperaturabhängig, und Temperaturänderungen
können entweder durch die Umgebung oder durch Selbstabsorp
tion der Laserstrahlung (Grundwelle und/oder zweite Harmo
nische) im Kristall selbst induziert werden. Eine derar
tige passive Kompensation ist daher schwierig aufrechtzu
erhalten. Aufgrund dieser Probleme erfolgte die Erzeugung
der zweiten Harmonischen gemäß Typ II außerhalb der Resona
torkammer, wobei die Polarisation der austretenden Grund
welle aus dem SHG-Kristall unwichtig ist. Natürlich geht
dabei der Vorteil verloren, der durch die Erzeugung der
zweiten Harmonischen durch die Grundwelle mit höherer Lei
stungsdichte innerhalb der Resonatorkammer gegeben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur
Frequenzverdopplung eines Laserstrahls zu schaffen, bei
dem die Phasenanpassung vom Typ II für die Erzeugung der
zweiten Harmonischen innerhalb der Resonatorkammer vorge
nommen werden kann, ohne die vorstehend beschriebenen
Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird für eine Grundwelle mit linearer Polari
sation durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1
und für eine Grundwelle mit beliebiger Polarisation durch
die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 3 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Bei vielen Lasern kann die momentane Form ihrer Ausgangs
leistung durch eine Q-Schaltung verändert werden. Hierbei
wird eine spezielle Einrichtung, welche die optische Quali
tät des Resonators ändert, in den Strahl innerhalb der Re
sonatorkammer eingesetzt. Diese Q-Schaltung kann so akti
viert werden, daß sie einen ausreichenden optischen Ver
lust erzeugt, um die optische Verstärkung zu überwinden,
die durch den Laser erzeugt wird, wodurch eine Oszillation
unterbunden wird. Wenn die den Laser erregende Quelle wäh
rend der niedrigen Q-Periode eingeschaltet bleibt, wird
die Energie in dem Laser in Form einer überschüssigen Be
setzungsumkehr gespeichert. Wenn die Q-Schaltung ausge
schaltet wird, (wodurch der Resonator schnell zu seinem
hohen Q-Status zurückkehrt) wird diese überschüssige Be
setzung dazu verwendet, einen Q-geschalteten Impuls mit
hoher Intensität zu erzeugen. Da die meisten Q-Schalter
elektronisch gesteuert sind, kann der Prozeß mit hoher Ge
schwindigkeit wiederholt werden, wodurch ein Q-geschalte
ter Laser eine nützliche Quelle für Impulse hoher Inten
sität wird. Es können Spitzenimpuls-Intensitäten erzeugt
werden, die mehrere tausend Male größer sind als die Aus
gangsleistung der kontinuierlichen Welle des Lasers. Auf
grund der überlegenen Fokussierbarkeit und der verbesser
ten Materialeinwirkung von kürzeren Wellenlängen ist es
oftmals von Interesse, daß der Ausgang von Q-geschalteten
Lasern frequenzverdoppelt wird. Die Erfindung ist auch
für derartige Q-geschaltete Laser mit Frequenzverdoppelung
anwendbar.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgen
den unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Lasergenerator für eine linear polari
sierte Grundwelle mit Mitteln zur Erzeugung der zwei
ten Harmonischen und zum Eliminieren der differentiel
len Phasenverzögerung,
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung von Fig. 1, bei
der anstelle einer Zweispiegel-Resonatorkammer eine
Dreispiegel-Resonatorkammer verwendet ist,
Fig. 3 und 4 zeigen Abwandlungen der Vorrichtungen von Fig.
1 und 2, bei denen zusätzlich ein Güteschalter zur
Güteschaltung der Grundwelle vorgesehen ist, und
Fig. 5 und 6 zeigen Lasergeneratoren ähnlich Fig. 1 und 2,
jedoch für eine beliebig polarisierte Grundwelle.
Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in welchem ein
System zur Frequenzverdoppelung eines Laserstrahles darge
stellt ist, welches die folgenden Elemente aufweist, die
entlang einer gemeinsamen optischen Achse 8 angeordnet
sind:
einen ersten Spiegel 10, eine λ/4-Platte, einen Kristall 14, der den Generator zur Erzeugung der zweiten Harmoni schen darstellt, einen Polarisator 16, einen Laser 18 und einen zweiten Spiegel 20. Der Laser 18 ist in der Lage, einen Laserstrahl mit einer vorbestimmten Grundfrequenz entlang der gemeinsamen Achse 8 zu erzeugen. Beispiels weise kann der Laser ein YAG-Laser sein, der eine Welle mit einer Wellenlänge von 1064 nm emittiert. Der Laser, ein Laserstab, kann innerhalb eines Pump-Reflektors mit einer Pumplichtquelle angeordnet sein. Diese letztge nannten Laserelemente sind allgemein bekannt und wurden daher aus Gründen der besseren Übersicht in Fig. 1 nicht dargestellt.
einen ersten Spiegel 10, eine λ/4-Platte, einen Kristall 14, der den Generator zur Erzeugung der zweiten Harmoni schen darstellt, einen Polarisator 16, einen Laser 18 und einen zweiten Spiegel 20. Der Laser 18 ist in der Lage, einen Laserstrahl mit einer vorbestimmten Grundfrequenz entlang der gemeinsamen Achse 8 zu erzeugen. Beispiels weise kann der Laser ein YAG-Laser sein, der eine Welle mit einer Wellenlänge von 1064 nm emittiert. Der Laser, ein Laserstab, kann innerhalb eines Pump-Reflektors mit einer Pumplichtquelle angeordnet sein. Diese letztge nannten Laserelemente sind allgemein bekannt und wurden daher aus Gründen der besseren Übersicht in Fig. 1 nicht dargestellt.
Der Kristall 14 ist ein bekannter Kristall zur Erzeugung
der zweiten Harmonischen, beispielsweise ein KTP (Kalium-
Titanyl-Phosphat-) Kristall. Wesentlich ist, daß der
Kristall 14 mit seiner optischen Achse Z in einem Winkel
von 45° in Bezug auf den Polarisationswinkel der aus dem
Laser 18 austretenden Welle orientiert ist. Wenn bei
spielsweise die Grundwelle F vom Laser 18 senkrecht pola
risiert ist, dann sind die O- und A-Achsen des Kristalls
14 in einem Winkel von 45° von der Senkrechten orientiert.
Die Platte 12 arbeitet als λ/4-Platte bei der Grundfre
quenz und gleichzeitig als λ/2-Platte bei der zweiten har
monischen Frequenz. Die optische Achse der Platte, (oder
ihre Senkrechte), angedeutet durch den Pfeil Q in Fig. 1,
ist parallel zur Polarisation des Laserstrahls orientiert.
Der Spiegel 10 ist hoch reflektierend für die Grundfre
quenz und hoch durchlassend für die zweite harmonische Fre
quenz. Der Spiegel 20 ist hoch reflektierend für die
Grundfrequenz. Die Spiegel 10 und 20 sind so angeordnet,
daß sie eine optische Resonatorkammer für die Grundwelle
bilden, die von dem Laser 18 erzeugt wird, wobei der Kri
stall 14 und die Platte 12 innerhalb der Kammer angeord
net sind.
Der Polarisator 16 dient dazu, den Laserstrahl in der senk
rechten Richtung V zu polarisieren. Wenn sich diese Grund
welle 22 durch den Kristall 14 fortpflanzt, erzeugt dieser
aufgrund der O- und A-Komponenten der Welle 22 eine Ober
welle 24, die die doppelte Frequenz der Grundwelle hat
und in einem Winkel von 45° zur Senkrechten (ein A-Strahl)
orientiert ist. Die Oberwelle 24 wird durch die Platte
12 hindurch und durch den Spiegel 10 aus der Kammer he
rausgeführt. Da die Platte 12 als λ/2-Platte wirkt,
wird die mit der doppelten Frequenz übertragene Welle um
90° gedreht und dann durch den Spiegel 10 geführt. Wie
durch den Pfeil angedeutet, ist diese Welle um 45° zur
Senkrechten linear polarisiert.
Wenn die Grundwelle 22, deren lineare Polarisation um 45°
zur Z-Achse orientiert ist, den Kristall 14 durchläuft,
verursacht die Doppelbrechung eine Phasenverzögerung zwi
schen den O- und A-Komponenten der Grundwelle.
In Fig. 1 ist angenommen, daß nach dem Durchgang durch den
Kristall 14 die O-Komponente der Grundwelle 22 der A-Kompo
nente nacheilt.
Ohne jede Phasenverzögerungskompensation würde die Grund
welle, die vom Spiegel 10 durch den Kristall 14 hindurch
zurückreflektiert wird, zweimal die Phasenverzögerung ha
ben, die sie nach einem Durchgang hatte, und die Polarisa
tion der wieder in den Polarisator 16 eintretenden Welle
würde nicht hauptsächlich linear und vertikal sein, wo
durch sich ein beträchtlicher und unerwünschter Polarisa
tionsverlust ergeben würde.
Um dies zu vermeiden, wird die von dem Kristall 14 herkom
mende Welle 22 durch die Platte 12 geschickt, die eine
λ/4-Platte der Grundfrequenz ist. Wie erwähnt und in
Fig. 1 gezeigt, ist die optische Achse der Platte 12 pa
rallel (oder senkrecht) zur Polarisation der auf den
Kristall 14 auftreffenden Grundwelle. Nach der Reflek
tion durch den Spiegel 10 passiert die Welle 22′ noch
mals die λ/4-Platte 12. Als Ergebnis der beiden Durch
gänge durch die Platte 12 sind die Polarisationskompo
nenten der Welle 22 um 90° gedreht, so daß, wie in Fig. 1
gezeigt, die Orientierung der A′- und O′-Komponenten der
Welle 22′ in Bezug auf die Orientierung der Komponenten
der Welle 22 umgekehrt wird. Die Komponente O eilt je
doch der Komponente A immer noch nach. Die reflektierte
Welle 22′ passiert dann den Kristall 14, aber dieses zwei
te Mal ist die vertikale Komponente A differentiell
phasenverschoben um einen Betrag, der identisch ist mit
der ersten differentiellen Phasenverschiebung in Bezug
auf die O-Komponente, so daß die A- und O-Komponenten der
Welle 22′, wenn diese aus dem Kristall 14 austritt, nun
in Phase sind und die lineare Polarisation F′ ergeben.
Durch das Einfügen der Platte 12 zwischen den Kristall
14 und den Spiegel 10 werden somit die doppelbrechenden
Wirkungen des Kristalls erfolgreich selbstkompensiert
und dadurch eliminiert.
Die auf den Kristall 14 auftreffende Grundwelle 22 und
die Grundwelle 22′, die aus dem Kristall 14 austritt, haben
identische lineare Polarisationen, so daß kein Verlust in
dem Laserresonator entsteht.
Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen weist die
in dem Kristall 14 erzeugte Oberwelle, wie gezeigt, eine
Komponente A D in einem Winkel von 45° zur Senkrechten auf.
Da es in vielen Anwendungsfällen wünschenswert ist, einen
frequenzverdoppelten Laserstrahl mit bekannter linearer
Polarisation zu erhalten, ist die Platte 12 so ausgebildet,
daß sie gleichzeitig als λ/2-Platte für die zweite harmoni
sche Frequenz wirkt, wodurch die Polarisation der Welle 24
um 90° gedreht wird. Wenn die Platte 12 für die zweite
harmonische Frequenz nicht spezifiziert wäre, hätte die
frequenzverdoppelte Welle eine willkürliche elliptische
Polarisation. So hat die Welle 24, wenn sie aus der Re
sonatorkammer austritt, eine lineare Polarisation entlang
der ordentlichen Achse, wie dies dargestellt ist.
Die Platte 12 und der Kristall 14 erfüllen ihre beabsich
tigten Zwecke dynamisch. Die Phasenverzögerung wird auto
matisch und exakt korrigiert unabhängig von der Temperatur
des Kristalls.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.
2 dargestellt. Hierbei weist der Frequenzverdoppler eine
Drei-Spiegel-Kammer auf mit einem ersten Spiegel 112,
einem SHG-Kristall 114, einer λ/4-Platte 116, einem zwei
ten Spiegel 118, einem dritten Spiegel 120, einem Laser
110 und einem Polarisator 128. Der Laser 110, der Kri
stall 114, die λ/4-Platte 116 und der Polarisator 128 wir
ken in identischer Weise wie die entsprechenden Teile in
der Ausführung von Fig. 1. Der Spiegel 120 ist bei der
Grundfrequenz hoch reflektierend, während der Spiegel
112 bei der Grundfrequenz hoch reflektierend und bei der
zweiten harmonischen Frequenz hoch durchlässig ist. Zu
sätzlich ist der Spiegel 112 so angeordnet, daß er die
Grundwelle vom Laser 110 zwecks wirksamer Erzeugung der
zweiten Harmonischen auf den Kristall 114 fokussiert.
Der Spiegel 118 ist hochreflektierend für die Grundfre
quenz und für die zweite harmonische Frequenz.
Die Arbeitsweise ist folgende:
Eine Grundwelle 122, die von dem aktiven Lasermedium 110 erzeugt wurde, wird von dem Spiegel 112 reflektiert und auf den Kristall 114 fokussiert. Der Kristall erzeugt eine linear polarisierte Welle 124 mit der zweiten harmonischen Frequenz. Nach Durchgang durch den Kristall 114 werden die O- und A-Komponenten der Grundwelle 122 relativ zuei nander phasenverschoben, wie dies im ersten Ausführungs beispiel beschrieben wurde. Ebenso werden die λ/4-Platte 116 für die Grundfrequenz und der Spiegel 118 dazu benutzt, die O- und A-Komponenten nach der Reflektion um 90° zu drehen, so daß nach dem zweiten Durchgang der Welle 122′ durch den Kristall 114 alle Komponenten in Phase sind und die Polarisation wieder der linearen Polarisation entspricht, mit der die Grundwelle den Laser 110 verlas sen hatte. Bei dem Rückgang durch den Kristall 114 er zeugt die Welle 122′ die Oberwelle 126 mit der zweiten harmonischen Frequenz, die colinear mit der reflektierten Welle 124′ der zweiten Harmonischen ist.
Eine Grundwelle 122, die von dem aktiven Lasermedium 110 erzeugt wurde, wird von dem Spiegel 112 reflektiert und auf den Kristall 114 fokussiert. Der Kristall erzeugt eine linear polarisierte Welle 124 mit der zweiten harmonischen Frequenz. Nach Durchgang durch den Kristall 114 werden die O- und A-Komponenten der Grundwelle 122 relativ zuei nander phasenverschoben, wie dies im ersten Ausführungs beispiel beschrieben wurde. Ebenso werden die λ/4-Platte 116 für die Grundfrequenz und der Spiegel 118 dazu benutzt, die O- und A-Komponenten nach der Reflektion um 90° zu drehen, so daß nach dem zweiten Durchgang der Welle 122′ durch den Kristall 114 alle Komponenten in Phase sind und die Polarisation wieder der linearen Polarisation entspricht, mit der die Grundwelle den Laser 110 verlas sen hatte. Bei dem Rückgang durch den Kristall 114 er zeugt die Welle 122′ die Oberwelle 126 mit der zweiten harmonischen Frequenz, die colinear mit der reflektierten Welle 124′ der zweiten Harmonischen ist.
Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 geht die zweite Harmoni
sche, die beim zweiten Durchgang der Grundwelle erzeugt
wurde, nicht verloren, so daß das Potential besteht für
eine Leistungsverstärkung der zweiten Harmonischen um den
Faktor 2. Zwischen diesen Strahlen könnte Interferenz auf
treten, welche die Stabilität der Intensität des Ausgangs
des SHG-Generators beeinträchtigen könnte. Um diesen un
erwünschten Effekt zu beseitigen, werden die Polarisatio
nen der Wellen 124′ und 126 orthogonal gemacht unter Ver
wendung einer Technik, die beispielsweise in der US-PS
44 13 342 beschrieben ist. Die Platte 116 ist gleichzei
tig eine λ/4-Platte bei der zweiten harmonischen Frequenz.
Nach dem Passieren der Platte 116, Reflektion vom Spiegel
118 und dem zweiten Durchgang durch die Platte 116 ist die
Polarisation der Welle 124′ um 90° gedreht und daher ortho
gonal zur Welle 126, so daß keine Interferenz mit der Welle
126 eintritt. Die Wellen 124′ und 126 werden dann durch
den hochdurchlässigen Spiegel 112 ausgekoppelt.
Die Welle 122′ wird nach dem Durchgang durch den Kristall
114 von dem Spiegel 112 zum Laser 110 hin reflektiert. Der
Spiegel 120 vervollständigt die optische Resonatorkammer.
Die Platte 116 kompensiert die Phasenverschiebung zwischen
den O- und A-Komponenten der Grundwelle, wie früher be
schrieben, wodurch gewährleistet ist, daß die Wellen 122
und 122′ die gleiche lineare Polarisation haben.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 unterscheidet sich
von demjenigen gemäß Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch,
daß zwischen dem Laser 18 und dem zweiten Spiegel 20
ein Q-Schalter 19 angeordnet ist, mit dem die Grundwelle
in üblicher Weise gütegeschaltet wird. Im übrigen ist
die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 3 die gleiche
wie diejenige von Fig. 1.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von
demjenigen gemäß Fig. 2 ebenfalls lediglich durch die Anord
nung eines Q-Schalters 119 zwischen dem Laser 110 und dem
Spiegel 120 zwecks Güteschaltung der von dem Laser 110 emit
tierten Welle. Die Wirkungsweise ist im übrigen die gleiche
wie diejenige des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2, so daß
auf die dort gemachten Ausführungen verwiesen werden kann.
Die Ausführung gemäß Fig. 5, in der gleiche Teile mit dem
gleichen Bezugszeichen, jedoch mit dem Index a bezeichnet
sind, unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 im we
sentlichen dadurch, daß der Polarisator von Fig. 1 weggelas
sen ist. Die von dem Laser 18 a emittierte Welle hat eine
beliebige Polarisation und ist in zwei orthogonale Komponen
ten V und H aufgelöst, von denen beispielsweise die Kompo
nente V senkrecht entlang der Y-Achse und die Komponente H
waagrecht entlang der X-Achse orientiert ist. Der Kristall
14 a ist mit seiner optischen Achse Z parallel zu einem der
Komponenten der aus dem Laser 18 a austretenden Welle, bei
spielsweise parallel zur Komponente V, orientiert. Dann
sind die A- und O-Achsen des Kristalls 14 parallel bzw.
senkrecht zur Vertikalen orientiert.
Die Platte 12 a wirkt als λ/4-Platte bei der Grundfrequenz.
Die optische Achse der Platte 12 a, die durch den Pfeil Q an
gedeutet ist, ist in einem Winkel von 45° zu der V-Komponen
te der Grundwelle orientiert.
Wenn die Grundwelle 22 durch den Kristall 14 a hindurchtritt,
erzeugt der Kristall aufgrund der beiden V- und H-Komponen
ten der Grundwelle 22 eine Welle 24, die die doppelte Fre
quenz der Grundwelle hat und entlang der Senkrechten orien
tiert ist, also ein A-Strahl ist. Die Welle 24 wird durch
die Platte 12 a hindurchgeführt und durch den Spiegel 12 a
ausgekuppelt.
Wenn die Grundwelle 22, deren vertikale und horizontale Po
larisationen parallel bzw. senkrecht zur Z-Achse orientiert
sind, durch den Kristall 14 a fortschreitet, verursacht die
Doppelbrechung eine Phasenverzögerung zwischen den Komponen
ten V und H (A- bzw. O-Strahlen) der Grundwelle 22.
In Fig. 5 hat angenommen, daß nach dem Durchgang durch den
Kriatall die O-Komponente der Grundwelle 22 der A-Komponen
te nacheilt.
Auch hier würde ohne eine Phasenverzögerungs-Kompensation
die Grundwelle, die von dem Spiegel 10′ durch den Kristall
14′ hindurch zurückreflektiert wird, zweimal die Phasenver
zögerung haben, die sie nach einem Durchgang hatte, und die
Polarisation der wieder in den Laser 18 eintretenden Welle
wird daher nicht die gleiche sein wie diejenige der Welle,
die den Laser 18 a anfänglich verlassen hatte, wodurch merk
liche und unerwünschte Verluste oder eine Instabilität im
Laser 18 a auftreten könnten.
Daher wird wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1 die von dem
Kristall 14 a herkommende Welle 22 durch die Platte 12 a ge
führt, die eine λ/4-Platte bei der Grundfrequenz ist. Die
optimale Achse dieser Platte 12 a liegt in einem Winkel von
45° zu der Komponente V der auf den Kristall 14 a auftref
fenden Grundwelle. Nach der Reflexion durch den Spiegel
10 a passiert die Welle 22 nochmals die λ/4-Platte 12 a.
Aufgrund der beiden Durchgänge durch die Platte 12 a wurden
die V und H-Komponenten der Welle 22 um 90° gedreht, so
daß die Orientierung der A- und O-Komponenten der Welle
22′ in Bezug auf die Orientierung der Komponenten der
Welle 22 umgekehrt sind. Der O-Strahl eilt jedoch immer
noch dem A-Strahl nach. Die reflektierte Welle 22′ pas
siert dann den Kristall 14 a, aber dieses zweite Mal ist
der A-Strahl differentiell phasenverschoben um einen Be
trag, der identisch ist mit der ersten differentiellen
Phasenverschiebung im Bezug auf den O-Strahl, so daß die
A- und O-Strahlen der Welle 22′ beim Verlassen des Kristalls
14 a nun miteinander und mit den Komponenten V und H der
Grundwelle in der gleichen Phase sind. Durch das Einschal
ten der Platte 12 a zwischen den Kristall 14 a und den Spie
gel 10 a werden somit die doppelbrechenden Wirkungen des
SGG-Kristalls erfolgreich selbstkompensiert und dadurch
eliminiert.
Somit haben die Komponenten V und H der Grundwelle beim Auf
treffen auf den Kristall 14 a und die Komponenten V′ und H′
der Grundwelle, wenn sie aus dem Kristall 14 a austritt, iden
tische Phasenbeziehungen, so daß keine Verluste und keine
Instabilität im Laserresonator entstehen.
Falls erforderlich, kann ein Q-Schalter 19 a zwischen dem
Laser 18 a und dem Spiegel 20 a angeordnet sein, um den La
serstrahl in bekannter Weise gütezuregeln.
Die Ausführung gemäß Fig. 6 weist wie die Ausführung gemäß
Fig. 2 eine Dreispiegel-Kammer mit einem ersten Spiegel 112 a,
einem SHG-Kristall 114 a, einer λ/4-Platte 116 a, einem zwei
ten Spiegel 118a, einem dritten Spiegel 120a und einem La
ser 110 a auf. Der Laser 110 a, der Kristall 114 a und die
λ/4-Platte 116 a wirken in identischer Weise wie die ent
sprechenden Bauteile in Fig. 5. Der Spiegel 120 a ist bei
der Grundfrequenz hochreflektierend, während der Spiegel
112 a bei der Grundfrequenz hochreflektierend und bei der
zweiten harmonischen Frequenz hochdurchlässig ist. Zusätz
lich kann der Spiegel 112 a so angeordnet sein, daß er den
Ausgang des Lasers 110 a auf den Kristall 114 a fokussiert
zwecks wirksamer Erzeugung der zweiten Harmonischen. Der
Spiegel 118 a ist sowohl für die Grundfrequenz als auch
für die zweite harmonische Frequenz hochreflektierend.
Im Betrieb wird eine von dem Laser 110 a erzeugte Grund
welle 122 a mit beliebiger Polarisation von dem Spiegel 112 a
reflektiert und auf den Kristall 114 a fokussiert. Der Kri
stall erzeugt eine Oberwelle 124 a mit der zweiten harmoni
schen Frequenz. Nach dem Durchgang durch den Kristall 114 a
werden die O- und A-Strahlen der Grundwelle 122 a relativ
zueinander phasenverschoben wie im vorhergehenden Beispiel
beschrieben. Wie vorher werden die λ/4-Platte 116 a für die
Grundfrequenz und der Spiegel 118 a dazu benutzt, die O- und
A-Strahlen nach der Reflektion um 90° zu drehen, so daß beim
Durchgang der Welle 122 a′ zurück durch den Kristall 114 a alle
Komponenten in Phase zurückversetzt werden und die Polarisa
tion auf diejenige gebracht wird, mit welcher die Welle ur
sprünglich das aktive Lasermedium 110 a verließ. Im zweiten
Durchgang durch den Kristall 114 a erzeugt die Welle 122 a′
die Welle 126 a mit der zweiten Harmonischen, die colinear mit
der reflektierten Welle 124 a′ ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel geht die zweite Harmonische,
die beim zweiten Durchgang des Grundstrahles erzeugt wurde,
nicht verloren, so daß das Potential besteht für eine Lei
stungsverstärkung der zweiten Harmonischen um den Faktor 2.
Zwischen diesen beiden Wellen könnte Interferenz auftreten,
welche die Stabilität der Intensität des Ausgangs des SHG-
Generators beeinträchtigen könnte. Um diesen unerwünschten
Effekt zu vermeiden, werden die Polarisationen der beiden
Wellen 124 a′ und 126 a′ orthogonal gemacht, wie in Zusammen
hang mit Fig. 2 beschrieben. Die Platte 116 a ist gleich
zeitig eine λ/4-Platte bei der zweiten harmonischen Fre
quenz. Nach dem Passieren der Platte 116 a, Reflektion vom
Spiegel 118 a und zweitem Durchgang durch die Platte 116 a
ist die Polarisation der Welle 124 a um 90° gedreht und da
her orthogonal zur Welle 126 a, so daß keine Interferenz
mit dieser besteht. Die Wellen 124 a′ und 126 a′ werden
dann durch den hochdurchlässigen Spiegel 112 a ausgekoppelt.
Die Welle 122 a′ wird nach dem Durchgang durch den Kristall
114 a von dem Spiegel 112 a auf den Laser 110 a reflektiert.
Der Spiegel 120 a vervollständigt die Resonatorkammer. Die
Platte 116 a kompensiert die Phasenverschiebung in den O- und
A-Strahlen der Grundwelle, wodurch gewährleistet wird, daß
die Wellen 122 a und 122 a′ die gleiche beliebige Polarisation
haben.
Auch bei dieser Ausführung kann wahlweise ein Q-Schalter 128
vorgesehen werden.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Frequenzverdoppelung eines Laserstrahles,
gekennzeichnet durch
- a) zwei Spiegel (10, 20), die eine Resonatorkammer begren zen,
- b) einen Laser (18) in der Kammer zur Erzeugung einer Grund welle mit einer vorgewählten Grundfrequenz und einer li nearen Polarisation, die in zwei orthogonale Komponenten (O, A) aufgelöst werden kann,
- c) einen Kristall (14), der durch Phasenanpassung von Typ II eine linear polarisierte Oberwelle mit der zweiten Harmonischen von der Grundwelle erzeugt und eine ordent liche und eine außerordentliche Achse hat, wobei die or thogonalen Komponenten der Grundwelle entlang dieser Ach sen orientiert sind, und wobei der Kristall (14) außer dem eine differentielle Phasenverzögerung zwischen den orthogonalen Komponenten erzeugt, und
- d) Mittel (12) zum Eliminieren dieser differentiellen Pha senverzögerung beim zweiten Durchgang durch den Kristall.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
optische Achse (2) des Kristalls (14) in einem Winkel von
45° in Bezug auf die vorgewählte lineare Polarisation ist
und daß die genannten Mittel (12) aufgrund des ersten Durch
ganges der Grundwelle, Reflektion von dem zweiten Spiegel
(10 a) und des zweiten Durchganges die betreffenden Orientie
rungen der orthogonalen Komponenten vertauschen, um beim
zweiten Durchgang durch den Kristall (14) die differentielle
Phasenverzögerung zu eliminieren, wobei die Mittel (12) in
nerhalb der Resonatorkammer vorgesehen sind.
3. Vorrichtung zur Frequenzverdoppelung eines Laserstrahles ge
kennzeichnet durch
- a) zwei Spiegel (10 a, 20 a), die eine Resonatorkammer begren zen,
- b) einen Laser (18 a) in der Kammer zur Erzeugung einer Grund welle mit einer ausgewählten Grundfrequenz und mit einer beliebigen Polarisation, die in zwei coplanare Komponen ten aufgelöst werden kann,
- c) einen Kristall (14 a), der durch Phasenanpassung vom Typ II eine linear polarisierte Oberwelle mit der zweiten Har monischen aufgrund der genannten Komponenten erzeugt und eine ordentliche und eine außerordentliche Achse hat, wo bei die orthogonalen Strahlen der genannten Komponenten der Grundwelle entlang dieser Achsen orientiert sind, und wobei der Kristall (14 a) außerdem eine differentielle Pha senverzögerung zwischen den orthogonalen Strahlen erzeugt, und
- d) Mittel (12 a) zum Eliminieren dieser differentiellen Pha senverzögerung beim zweiten Durchgang durch den Kristall (14 a).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die optische Achse (Z) des Kristalls (14 a) parallel zu einer
der genannten Komponenten verläuft und seine ordentliche und
seine außerordentliche Achse entlang der orthogonalen Strah
len orientiert sind, und daß die genannten Mittel (12 a) auf
grund des ersten Durchgangs der Grundwelle, der Reflektion
von dem zweiten Spiegel (10 a) und des zweiten Durchganges
die Orientierungen der orthogonalen Strahlen vertauschen,
um beim zweiten Durchgang durch den Kristall (14 a) die dif
ferentielle Phasenverzögerung zu eliminieren, wobei diese
Mittel (12 a) innerhalb der Resonatorkammer angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Mittel (12) so ausgebildet sind, daß
die lineare Polarisation der Oberwelle mit der zweiten har
monischen Frequenz erhalten bleibt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Mittel (12) von einer Platte gebil
det sind, die für einen einfachen Durchgang der Grundwelle
nach einem Durchgang durch den Kristall (14) angeordnet ist,
um die ordentliche und die außerordentliche Komponente der
Grundwelle zu vertauschen, bevor die Grundwelle wieder in
den Kristall (14) eintritt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Platte (12) eine λ/4-Platte für die Grundfrequenz ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Platte (12) eine λ/2-Platte bei der zweiten harmoni
schen Frequenz ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der zweite Spiegel (10) für die Grund
frequenz hochreflektierend ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite Spiegel (10) für die verdoppelte Frequenz hoch
durchlässig ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeich
net durch einen dritten Spiegel (112) zum Reflektieren und
Fokussieren der Grund-Welle von dem Laser (118) auf den
Kristall (114).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der dritte Spiegel (112) so angeordnet ist, daß er die
Oberwelle aus der Resonanzkammer auskoppelt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Mittel (12) zum Vertauschen der
Orientierung der orthogonalen Komponenten der Grundwelle
auch die Orientierung der Komponenten der Oberwelle ver
tauscht, um eine Interferenz auszuschließen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittel von einer λ/4-Platte für die Grundfrequenz und
einer λ/4-Platte für die zweite harmonische Frequenz ge
bildet sind.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge
kennzeichnet durch einen Q-Schalter zum Güteschalten des
Ausgangs des Laser (18, 18 a).
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