DE3886362T2

DE3886362T2 - Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung durch optische Mischung.

Info

Publication number: DE3886362T2
Application number: DE3886362T
Authority: DE
Inventors: Douglas William Anthon; John Hamilton Clark; George Jefferies Dixon
Original assignee: BP Corp North America Inc
Current assignee: Scientific Atlanta LLC
Priority date: 1987-11-25
Filing date: 1988-11-15
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2008-11-16
Also published as: US4879722A; CA1288851C; EP0318199A3; JP2707122B2; EP0318199B1; ATE98784T1; KR890009029A; EP0318199A2; DE3886362D1; JPH01222234A

Description

Grundlage der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung köhärenter optischer Strahlung in einem Optik-Hohlraum durch optische Mischung. Insbesondere bezieht sie sich auf Festkörperkomponenten, die in einem solchen Verfahren verwendet werden.

Hintergrund der Erfindung

Ein Laser ist ein Gerät, welches die Fähigkeit hat, monochromatisches kohärentes Licht durch die stimulierte Emission von Photonen aus Atomen, Molekülen oder Ionen eines aktiven Mediums zu erzeugen, welche durch Zufuhr von Energie aus einem Grundzustand in einen höheren Grad der Energie aligeregt worden sind. Eine solches Gerät enthält einen Optik-Hohlraum oder Resorianzhohlraum, welcher durch stark reflektierende Oberflächen gebildet wird, die einen geschlossenen Rundpf ad für Licht bilden, und das aktive Medium ist in diesem Optik-Hohlraum enthalten.
Wenn durch Anregurg des aktiven Mediums eine Populationsinversion erzeugt wird, kann die spontane Emission eines Photons aus einem angeregten Atom, Molekül oder Ion, das in einen niedrigeren Energiezustand übergeht, die Emission von Photonen identischer Energie aus anderen angeregten Atomen, Molekülen oder Ionen stimulieren. Als Konsequenz erzeugt das ursprüngliche Photon eine Kaskade von Photonen zwischen den reflektierenden Oberflächen des Optik-Hohlraums, die eine identische Energie haben und genau phasenangepaßt sind. Ein Teil dieser Kaskade von Photonen sind dann durch eine oder mehrere Oberflächen des Optik-Hohlraums abgegeben.
Die Anregung des aktiven Mediums eines Lasers kann durch verschiedene Methoden erreicht werden. Die üblichsten Methoden sind jedoch die optische Anregung, der Einsatz einer elektrischen Entladung und die Leitung eines elektrischen Stromes durch den PN-Anschluß eines Halbleiterlasers.
Halbleiterlaser enthalten einen PN-Anschluß, welcher eine Diode bildet, und dieser Anschluß wirkt als das aktive Medium des Lasers. Solche Vorrichtungen, die ebenfalls als Laserdioden bezeichnet werden, werden üblicherweise aus Materialien wie Legierungen von Galliumarsenid und Aluminium-Galliumarsenid hergestellt. Der Wirkungsgrad solcher Laser, um eine elektrische Energie in eine Ausgangsstrahlung zu verwandeln ist relativ hoch und kann zum Beispiel mehr als 40% betragen.
Die Verweniung von Blitzlichtern, lichtemittierenden Dioden (in der vorliegenden Beschreibung bedeutet dieser Terminus superluminiszente Dioden und superluminiszente Diodenreihen), Laserdioden und Laserdiodenreihen, um ein Festlasantmaterial optisch aufzupumpen oder anzuregen, ist bekannt. Die in solchen Festkörperlasern allgemein verwendeten lasanten Materialien beinhalten kristalline oder glasartige Wirtsmaterialien, in die ein aktives Material wie zum Beispiel trivalente Neodymiumionen eingefügt werden. Detaillierte Auflistungen von konventionellen kristallinen asanten Materialien sind aufgeführt in dem CRC Handbook of Laser Science and Technology, Vol. I. M. J. Weber, Ed., CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1982, Seiten 72 - 135, und in Laser Crystals, Vol. 14, der "Springer Series in Optical Sciences", D. L. MacAdam, Ed., Springer-Verlag, New York, N.Y., 1981. Konventionelle Wirtsmaterialien für Neodymium- Ionen sind unter anderem Glas, Yttriumaluminiumgranat (Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2;, nachstehend als YAG bezeichnet), YALO&sub3; (nachstehend als YALC bezeichnet) und LiYF&sub4; (nachstehend als YLF bezeichnet). Wenn zum Beispiel mit Neodymium dotiertes YAG als lasantes Material in einem optisch angeregten Festkörperlaser verwendet wird, wird es üblicherweise durch Absorption von Licht angeregt, das eine Wellenlänge von etwa 808 nm hat und Licht imittiert, welches eine Wellenlänge von 1.064 nm hat.
Das U.S.-Patent Nr. 3,624,545, welches am 30. November 1971 an Ross erteilt wurde, beschreibt einen optisch angeregten Festkörperslaser, welcher aus einer YAG-Stange besteht, welche durch mindestens eine Halbleiterlaserdiode seitlich angeregt wird. In ähnlicher Weise offenbart das U.S.-Patent Nr. 3,753,145, welches am 14. August 1973 an Chesler erteilt wurde, die Verwendung einer oder mehrerer lichtemitbierenden Halbleiterdioden, uin eine mit Neodymium dotierte YAG-Stange endseitig anzuregen. Die Verwendung einer Reihe von gepulsten Laserdioden für das endseitige Anregen eines Festlasantmaterials, wie zum Beispiel ein mit Neodymiun dotiertes YAG, wird in dem U.S.-Patent Nr. 3,982,201 beschrieben, welches am 21. September 1976 an Rosenkranlz et al. erteilt wurde. Schließlich hat D. L Sipes, in Appl. Phys. Lett., Vol. 47, Nr. 2, 1985, Seiten 74 - 75 berichtet, daß die Verwendung einer Reihe eng fokussierLer Halblei-erlaserdioden für das endseitige Anregen eines mit Neodymium dotierten YAG eine hohe Umsetzung des Wirkungsgrades der Anregungsstrahlung mit einer Wellenlänge von 810 nm bewirkt, um eine Strahlung abzugeben, welche eine Wellenlänge von 1.064 nm hat.
Materialien, die nicht lineare optische Eigenschaften haben, sind bekannt. Zum Beispiel beschreibt das U.S. Patent Nr, 3,949,323, welches am 6. April 1976 an Bierlen et al. erteilt wurde, daß nicht lineare optische Eigenschaften Materialien mit der Formel MTiO(XO&sub4;) haben, in der M wenigstens eines von K, Rb, Ti und NH&sub4; ist, und X wenigstens eines von P oder As ist, es sei denn NH&sub4; wäre enthalten in diesem Fall ist X nur P. Diese allgemeine Formel beinhaltet Kalium Titanylphosphat, KTiOPO&sub4;, ein besonders nützliches nicht lineares Material. Andere bekannte nicht lineare optische Materialien beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein, KH&sub2;PO&sub4;, LiNbO&sub3;, KnbO&sub3;, β- BaB&sub2;O&sub4;, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5;, LiIO&sub3;, HIO&sub3;, KB&sub5;O&sub8; 4H&sub2;O, Kaliumlithiumniobat und Harnstoff. Eine Übersicht der nicht linearen optischen Eigenschaften einer Anzahl verschiedener uniaxialer Kristalle wrude in Sov. J. Quantum Electron, Vol. 7, ND. 1, Januar 1977, Seiten 1 - 13 , veröffentlicht. Nicht lineare optische Materialien wurden ebenfalls von S. Singh in dem CRC Handbook of Laser Science and Technologv, Vol. III, M. J. Weber, Ed., CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1986, Seiten 3 - 228 abgehandelt.
Die nicht lineare Natur der optischen Empfindlichkeit von nicht linearen optischen Materialien verursacht einen Kopplungsmechanismus zwischen elektromagnetischen Wellen, die das Material gleichzeitig durchqueren und dafür verwendet werden können, durch Wechselwirkung dieser Wellen eine Strahlung zu erzeugen. Der in dieser Beschreibung verwendete Terminus "optische Mischung" bezieht sich auf die Wechselwirkung innerhalb eines nicht linearen optischen Materials. von zwei Lichtstrahlen mit den Frequenzen W1 und W2, um eine optische Strahlung unterschiedlicher Frequenz zu erzeugen. Wenn zum Beispiel W1 größer ist als W2, so kann diese Wechselwirkung eine optische Strahlung mit der Summenfrequenz W3 = W1 + W2 und mit der Unterschiedsfrequenz W4 = W1 - W2 erzeugen. Diese beiden Verfahren werden als. Erzgeugung von Summenfrequenzen und Erzeugung von Unterschiedsfrequenzen bezeichnet. Als Aufwertung bezeichnet man den speziellen Fall der Erzeugung von Summenfrequenzen, bei dem die Strahlung einer Frequenz, zum Beisptel W1, sehr viel intensiver ist, als bei W2 und daher keine wesentliche Veränderung der Amplitüde erfährt, wenn die optische Mischung eintritt, um eine optische Strahlung mit einer Wellenlänge von W3 zu ergeben. Die optische Mischung beinhaltet ebenfalls Prozesse höherer Rangordnung, wie zum Eeispiel WS = W1 + 2W2 und W6 = 2W1 - 2W2. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird die durch optische Mischung erzeugte optische Strahlung als "Strahlung der optischen Mischung" bezeichnet.
Eine wirksame optische Mischung innerhalb eines nicht linearen Materials ist gewöhnlich nicht möglich, es sei denn, die Wellenvektoren k&sub1;, k&sub2; und k&sub3; der wechselwirkenden Wellen genügen der Gleichung der Impulskonservierung oder der Bedingung der Phasenabgleichung, die folgendes erfordert;
k&sub3; = k&sub1; + k&sub2;
Die Einhaltung dieser Phasenabgleichung ist nicht möglich bei isotropischen Kristallen mit normaler Streuung, weil die lichtbrechenden Indices der drei verschiedenen Wellen als Folge der Streuung zwangsläufig unterschiedlich sein werden. Zahlreiche nicht lineare optische Materialien besitzen edoch eine Anisotropie des lichtbrechenden Index, die dafür verwendet werden kann, die Bedingungen der hasenabgleichung für eine bestimmte Art der optischen Mischung zu erfüllen.
Die optische Mischung kann entweder innerhalb oder außerhalb eines Optik-Hohlraumes durchgeführt werden. Wenn der Prozeß innerhalb eines Optik-Hohlraumes durchgeführt wird, kann dieser Hohlraum folgendes sein: (a) eine Komponente einer der Strahlungsqellen für den Prozeß, oder (b) ein Hohlraum, der getrennt von jeglichem Hohlraum ist, welcher als Komponente für irgendeine Strahlungsquelle für den Prozeß verwendet wird. Aus zweckdienlichen Gründen wird die Verwendung eines solchen all Quelle dienenden Hohlraums nachsteheiid als interner Hohlraumprozeß bezeichnet und die Verwendung eines getrennten Hohlraumes wird nachstehend als externer Hohlraumprozeß bezeichnet. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezieht sich ein Optik-Hohlraum oder Resonanz-Hohlraum auf ein Volumen, welches mindestens teilweise durch stark reflektierende Oberflächen eingegrenzt wird, bei denen ein Licht bestimmter diskreter Frequenzen stationäre Wellenmodi mit geringen Verlusten aufbauen kann.
Die Aufwärtswandlung von Infrarotstrahlungen in den sichtbareri und ultravioletten Bereich ist eingehend untersuchr worden. Solche Untersuchungen wurden hauptsächlich durch das Interesse motiviert, diese Technik dafür einzusetzen, um die Auffindung und Analyse von Infrarotstrahlungen mit Hilfe von konventionellen Methoden durchzuführen, welche für Licht mit höheren Frequenzen zur Verfügung stehen. Da die konvertierte Strahlung im wesentlichen alle Informationen über die eingeleitete Infrarotstrahlung enthält, beinhaltet die Beaufschlagung eines Potentials die Feststellung von Infrarotsignalen, die spektrale Infrarotanalyse und die Infrarotholographie.
Die Aufwärtswandlung von Infrarotstrahlungen wurde von E. S. Voronin et al., in Sov. Phys. Usp., Vol. 22, Nr. 1, Seiten 26 bis 45 (Januar 1979) und von J. Warner, in "Difference Frequency Generation and Up-Conversion" in Ouantum Electronics, Vol. I, Nonlinear Optics, Teil B, H. Rabin und C. L. Tang, Ed., Academic Press, New York, Seiten 703 bis 737 (1975) untersucht. Eine theoretische Diskussion der Erfassung von Infrartostrahlen durch die Erzeugung von Summenfrequenzen wurde ebenfalls von D. A. Kleinman et al., in J. Appl. Phys., Vgl. 40, Nr. 2, Seiten 546 bis 566 (Februar L969) veröffentlicht.
Auf Seite 34 ihres oben zitierten Artikels beschreiben E. S. Veronin et al. die Aufwärtswandlung einer Infrarotstrahlung aus einem CO&sub2;-Laser innerhalb des Hohlraumes eines YAG:Nd³&spplus; Lasers, in dem Proustit als das nicht lineare optische Material eingesetzt wird. Außerdem beschreiben E. Liu et al., in Applied Optics, Vol. 21, Nr. 19, Seiten 3415 bis 3416 (1. Oktober 1982) die Erzeugung von Strahlungen mit Wellenlängen im Bereich von 252 nm bis 268 nm durch Erzeugung von Summenfrequenzen innerhalb eines Hohlraumes in einem temperierten Kristall aus Ammoniumdihydrogenphosphat mit einer Phasenabgleichung von 90 von ausgewählten Ausgangslinien aus einem Argonionen-Laser und der wandernden Welle in einem ringförmigen Farblaser aus Rhodamin 110. Außerdem offenbart das U.S. Patent Nr. 3,646,358, welches am 29 Februar 1972 an Firester erteilt wurde, die Aufwärtswandlung der Signalstrchlung aus einer externen Quelle innerhalb des Hohlraums eines Lasers, bei dem die Polarisation des Signalstrahles orthogonal zu dem Anregungsstrahl verläuft, welcher innerhalb des Hohlraums des Lasers erzeugt wird.
Auf den Seiten 559 bis 564 ihres oben zitierten Artikels haben D. A. Kleinman et al. die theoretischen Aspekte der Erzeugung von Summenfrequenzen in einem externen Hohlraum diskutiert. Außerdem haben V. L. Aleinikov et al., in Sov. J. Quantum Electron, Vol. 13, Nr. 8, Seiten 1059 bis 1061 (August 1983) die theoretischen Aspekte der parametrischen Aufwärtswandlung in einem externen Hohlraum analysiert. Weiterhin haben H. Heminati et al., in Optics Letters, Vol. 8, Nr. 2, Seiten 73 bis 75 (Februar 1983) über die Erzeugung von Strahlungen mit einer Wellenlänge von 194 nm durch die Erzeugung von Summenfrequenzen in einem externen Hohlraum berichtet, bei der folgende Eingangsstrahlung eingesetzt wurde: (a) die 257 nn lange zweite Oberwelle des Ausgangs einer kontinuierlichen Welle (cw) eines Argonioner-Lasers von 515 nm, und (b) der Ausgang eines abstimmbaien cw-Farblasers im Bereich von 792 mn.
Die Erzeugung von Unterschiedsfrequenzen wurde in dem oben genannten Artikel untersucht, der in Quantum Electronics, Vol. I, Seiten 735 - 736 veröffnetlicht wurde, sowie von R. L. Aggarwal et al. in Nonlinear Infrared Generation, Y.- R. Shen, Ed. Springer-Verlag, Berlin, Seiten 19 - 38 (1977).
Es bestelit ein ständiger Bedarf für leistungsfähige, kompakte und zuverlässige Laser, welche im infraroten, sichtbarer- und ultravioletten Bereich des Spektrums betrieben werden können, und die Modulationsraten im Bereich von 0 Hz bis über 1 Ghz in einem weiten Intensitätsbereich ergeben. Solche Geräte wären nützlich für Anwendungen im Bereich der optischen Speicherung von Daten, Reprographien, Spektroskopien und Kommunikationen. Zum Beispiel erfordert die Speicherung von Daten auf optischen Disketten eine Quelle köhärenter Strahlungen, welche mit einer Rate von etwa 5 und etwa 30 MHz moduliert werden können, und solche Strahlungen liegen zweckmäßigerweise im sichtbaren oder ultravioletten Bereich des Spektrums, um die Speicherung von Daten in einem bestimmten Bereich zu maximieren. Außerdem wären kompakte kohärente Quellen von rotem, grünem und blauem Licht sehr attraktiv für Anwendungen im Bereich des Fernsehens, welche eine sehr hell strahlende Lichtquelle erfordern. Die Verwendung von drei solchen Lasern statt der roten. grünen und blauen Elektronenstrahlerzeuger einer konventionellen Bildröhre eines Fernsehgerätes würden einen sehr hell strahlenden Fernsehprojektor ergeben, der in Simulatiossystemen und Fernsehgeräten mit großflächigen Bildschirmen eingesetzt werden könnte Laserdioden besitzen alle oben beschriebenen Eigenschaften, mit der Ausnahme von einer - ihre Ausgangsleistung befindet sich in einem begrenzter- Teil des Infrarotbereiches des elektromagnetischen Spektrums bei Wellenlängen im Bereich von etwa 750 nm bis etwa 1.600 nm.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen leistungsfähigen, kompakten und zuverlässigen Laser, welcher im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums betrieben werden kann und Modulatiorsraten ergibt, die im Bereich von 0 Hz bis über 1 GHz liegen.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß eine kohärente optische Strahlung (Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums) durch optische Mischung in einem externen Honlraum unter Verwendung von Festkörper-Komponenten erzeugt werden kann. Insbesondere wurde festgestellt, daß die optische Mischung in einem externen Hohlraum durchgeführt werden kann, in dem mindestens einer der wechselwirkenden Lichtstrahlen durch eine Festkörper-Komponente geliefert wird, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, die Laserdioden, Laserdiodenreihen und durch diodengespeiste Festkörperlaser umfaßt. Da die Frequenz der optischen Mischungsstrahlung von den ursprünglichen Frequenzen abhängt, kann die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung über einen großen Teil des optischen Spektrums und den gesanten Umfang ihres sichtbaren Teils in einfacher Weise variiert werden, indem man nur verschiedene Laserdioden oder Laserdiodenreihen in Verbindung mit einem wirksamen Übergang aus einem seltenen Erdmetall eines diodengespeisten Festkörperlasers verwendet. Außerdem behält die erzielte Vorrichtung weitgehend den Wirkungsgrad, die Zuverlässigkeit und die kompakten Abmessungen ihrer Festkörper-Komponenten.
Eine erf ndungsgemäße Ausführungsart besteht in einer Methode für die Erzeugung einer kohärenten optischen Strahlung, welche folgende Schritte umfaßt (a) Erzeugung einer kohärenten optischen Strahlung einer ersten Frequenz W1 aus einer aus der Gruppe der Laserdioden, lichtemittierenden Dioden und Laserdiodenreihen ausgewählten Quelle; (b) Erzeugung einer kohärenten optischen Strahlung einer zweiten Frequenz, W2, aus einer aus der Gruppe der Laserdioden, Laserdiodenreihen und diodengespeister Festkörperlaser ausgewählten zweiten Quelle; (c) Einführung dieser Strahlung der ersten und zweiten Frequenz in einen linearen Interferenzwellen-Optik Hohlraum, welcher getrennt von denjenigen ist, welcher getrennt von jeglichen für die erste und zweite Quelle verwendeten Komponenten ist; und (d) Verbindung der Strahlung der ersten Frequenz und der Strahlung der zweiten Frequenz mit einem nicht linearen optischen Material, das in dem Optik-Hohlraum enthalten ist, um eine kohärente optische Srahlung einer dritten Frequenz, W3, zu erzeugen; (e) Einstellen und Kontrollieren der Polarisation der Strahlung der ersten Frequenz und Polarisation der Strahlung der zweiten Frequenz, um die Erzeugung der Strahlung der dritten Frequenz zu optimieren; und (f) Veränderung dieser dritten Frequenz durch Kontrollieren von mindestens der Temperatur der ersten Quelle und des durch die Laserdioden, die Laserdiodenreihen und die Dioden der diodengespeisten Festkörperlaser fließenden Stromes.
Eine andere Ausführungsart der Erfindung besteht in einem Gerät für die Erzeugung einer köhärenten optischen Strahlung nach Anspruch 10.
Es ist eines der Ziele der vorliegenden Erfindung, ein Festkörper-Gerät für die Erzeugung einer kohärenten Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Teil des Spektrums bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine kompakte Quelle für kohärentes Licht im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Teil des Spektrums bereitzustellen, welche leistungsfähig und zuverlässig ist.
Noch ein weiteres Ziel der Ertindung besteht darin, eine einfach modulierbare Quelle für eine kohärente Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Teil des Spektrums bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, ein Festkörper-Gerät für die Erzeugung einer kohärenten optischen Strahlung dursh optische Mischung bereitzustellen.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, ein verbessertes Verfahren für die Herstellung von kohärenten optischen Strahlungen durch optische Mischung bereitzustellen.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, eine Methode für den Einsatz von Laserdioden und Laserdiodenreihen für die Herstellung einer kohärenten optischen Strahlug durch optische Mischung bereitzustellen.
Schließlich liegt noch ein weiteres Ziel der Erfindung darin, eine Methode für den Einsatz eines diodengespeisten Festkörperlasers für die Herstellung von kohärenten optischen Strahlungen durch optische Mischung bereitzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsart der Erfindung.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsart der Erfindung.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsart der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsarten

Obwohl die vorliegende Erfindung in zahlreichen Ausführungsarten möglich sind, werden in den Fig. 1 - 3 drei spezifische Ausführungsarten schematisch dargestellt, wobei zu beachten ist, daß die beschriebene Offenbarung die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsarten begrenzen soll.
In der Fig. 1 wird die kohärente Eingangsstrahlung (1) aus der Strahungsquelle (2) durch das Fokussierungsmittel (3) fokussiert, durch den optischen Isolator (4) und den 90º- Brechungsspiegel (5) geleitet und in den Optik-Hohlraum eingeführt, welcher durch die Spiegel (6, 7) gebildet wird und ein nicht lineares optisches Material (8) enthält. Die kohärente Eingangsstrahlung (9) aus der Strahlungsquelle (10, 11) wird durch das Fokussierungsmittel (12) fokussiert, durch der optischen Isolator (13) geleitet, durch den 90º-Brechungsspiegel (5) reflektiert und in den durch die Spiegel (6, 7) gebildeten Optik-Hohlraum eingeführt. Die Eingangsstrahlung (1) und die Eingangsstrahlung (9) werden einer optischen Mischung in einem nicht linearen optischen Material (8) unterzogen, welches fir den gewünschten optischen Mischprozeß, wie zum Beispiel die Erzeugung von Summenfrequenzen, phasenabgeglichen wird. Mindestens ein Teil der resultierenden optischen Mischungsstrahlung wird als Ausgangsstrahlung (14) durch den Spiegel (7) geleitet.
Die Strahlungsquellen (10, 11) werden aus der Gruppe ausgewählt, welche Laserdioden, Laserdiodenreihen und diodengespeiste Festkörperlaser umfaßt. Bevorzugte Strahlung-quellen umfassen jedoch Laserdioden und Laserdiodenreihen zusammen mit beliebigen Packungen oder Strukturen. Zum Beispiel werden solche Vorrichtungen üblicherweise mit einem wärmebeständigen und wärmeleitenden Kühlkörper verbunden und in einem Metallgehäuse untergebracht. Eine geeignete Strahlungsquelle besteht aus einer Laserdiode (10) aus Gallium-Aluminiumarsenid, welche an dem Kühlkörper (11) befestict ist. Der Kühlkörper (11) kann passiv sein. Der Kühlkörper (11) kann jedoch auch einen thermoelektrischen Kühler oder ein anderes Mittel für die Kontrolle der Teniperatur enthalten, um dadurch dazu beizutragen, daß die Laserdiode (10) auf einer konstanten Temperatur gehalten wird und dadurch einen optimalen Betrieb der Laserdiode (10) mit einer einzigen Wellenlänge zu gewährleisten. Es ist. zu beachten, daß während des Betriebes das optische Speisemittel an eine geeignete Energiequelle angeschlossen sein muß. Elektrische Leitungen welche die Laserdiode (10) an eine Energiequelle anschließen, sind in der Fig. 1 nicht dargestellt.
Es gibt kornventionelle Laserdioden und Laserdiodenreihen, welche eine Ausgangsstrahlung erzeugen, die eine Wellenlänge hat, welche über dem Bereich von etwa 750 nm bis etwa 1.600 nm liegen, und in der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung kann jede dieser Vorrichtungen als Quelle für die Eingangsstrahlung (9) verwendet werden. Zum Beispiel können GaAlAs-Geräte verwendet werden, um eine Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 750 nm bis etwa 900 nm zu erzeugen und es können InGaAsP-Geräte verwendet werden, um einen Wellenlängenbereich von etwa 1.000 nm bis 1.600 nm zu erzeugen. Mit einem solchen Wellenlängenbereich (750 - 51.600 nm), welcher in Verbindung mit der Eingangsstrahlung (1) verwendet wird, die aus Laserübergängen aus einem seltenen Erdmetall abgegeben wird (zum Beispiel 1.319 nm und 1.064 nm aus Neodyimium-Übergängen), kann die durch die Erzeugung von Summenfrequenzen erzeugte Ausgangsstrahlung (14) über einen Bereich von etwa 440 nm bis über 650 nm variiert werden.
Eine Laserdiode oder Laserdiodenreihe kann über einen Wellenbereich von etwa 10 nm dadurch abgeglichen werden, däß man ihre Betriebstemperatur einstellt und kontrolliert. Wenn alsc ein solches Gerät für die Erzeugung der Eingangsstrahlung (9) verwendet wird, kann die Ausgangsstrahlung (14) der optischen Mischung über einen geringen Wellenlängenbereich abgeglichen werden, indem man die Temperatur der Laserdiode oder Laserdiodenreihe abgleicht. In Anbetracht dieser Tatsache beinhaltet eine bevorzugte Ausführungsart der Erfindung die Abgleichung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung (14) durch Einstellen und Kontrollieren der Temperatur der Laserdiode oder Laserdiodenreihe (10, die dazu verwendet wird, die Eingangsstrahlung (9) zu erzeugen. Alternativ können die Laserdiode oder Laserdiodenreihe über einen kleinen Bereich von Wellenlängen abgeglichen werden, indem man die Stromstärke verändert, die auf das Gerät beaufschlagt wird. Eine solche Abgleichung wird jedoch selbstverständlich eine Justierung erfordern, um die Bedingungen der Phasenabgleichung in dem nicht linearen optischen Material (8) zu optimieren. In nicht kritischen nicht linearen optischen Materialien, in welchen die Phasen und die Temperatur abgeglichen sind, kann dies leicht dadurch erreicht werden, daß man ganz einfach die Temperatur des nicht linearen optischen Materials einstellt.
Falls gewünscht, können die Strahlenquellen (10, 11) diodengespeiste Festkörperlaser sein. Geeignete Mittel für die Diodenspeisung eines solchen Lasers beinhalten Laserdiodden, lichtemitteerende Dioden (einschließlich superluminiszenten Dioden und superluminiszente Diodenreihenn) und Laserdiodenreihen. Außerdem kann der diodengespeiste Laserfestkörper jedes konventionelle feste lasante Material enthalten, welches durch das ausgewählte Mittel der Diodenanregung optisch angeregt werden kann. Obwohl die Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt werden soll, besteht ein sehr zufriedenstellender diodengespeister Festkörperlaser aus einem mit Neodymium dotierten YAG-Laser, welcher durch eine Laserdiodenreihe optisch angeregt wird und dessen Frequenz mit Hilfe eines nicht linearen optischen Materials aus Kalium Titanylphosphat verdoppelt wird, um eine Ausgangsstrahlung zu erzeugen, welche eine Wellenlänge von 532 nm hat. Eine solche Vorrichtung ist in dem U.S.-Patent Nr. 4,653,056 beschrieben, welches am 24. März 1987 an Baer et al. erteilt wurde. Die Kombination einer solchen 532 nm Strahlung als Eingangsstrahlung (9) mit der Eingangsstrahlung (1), weiche etne Wellenlänge von 1.319 nm hat und aus einem mit Neodymium dotierten YAG-Laser (2) kommt, kann dafür verwendet werden, um eine Ausgangsstrahlung (14) mit summierter Frequenz zu erzeugen, welche sich in dem fast ultravioletten Teil des Spektrums bei einer Wellenlänge von 379 nm befindet.
Die Strahlungsquelle (2) kann jede beliebige Quelle für kohärente Strahlungen sein. Geeignete Quellen beinhalten, ohne darauf begrenzt zu sein, Farblaser und Festkörperlaser. Die bevorzugten Strahlungsquellen bestehen jedoch aus den gleichen Laserdioden, Laserdiodenreihen und diodengespeisten Festkörperlasern, welche weiter oben als geeignete Strahlungsquellen (10, 11) beschrieben wurden.
Eine sehr bevorzugte Strahlungsquelle (2) enthält ein optisch angeregtes festes Lasantmaterial. Geeignete optische Mittel für die Anregung für des festen Lasantmaterials umfassen Laserdioden, lichtemittierende Dioden (einschließlich superluminiszenten Dioden und superluminiszente Diodenreihen) und Laserdiodenreihen. Geeignete Lasantmaterialien umfassen, ohne darauf begrenzt zu sein, Feststoffe, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus glasartigen und kristallinen Wirtsmaterialien besteht, welche mit einem aktiven Material dotiert sind. Im höchsten Maße geeignete aktive Materialien umfassen, ohne darauf begrenzt zu sein, Ionen von Chrom, Titan und den seltenen Erdmetallen. Höchst geeignete lasante Materialien umfassen mit Neodymium dotiertes YAG, mit Neodymium dotiertes YALO und mit Neodymium dotiertes YLF. Als spezifisches Beispiel ist ein mit Neodymium dotiertes YAG ein höchst geeignetes Lasantmaterial, das mit einem optischen Anregungsmittel verwendet wird, welches ein Licht erzeugt, das eine Wellenlänge von etwa 810 nm hat. Wenn es mit einem Licht dieser Wellenlänge angeregt wird, kann das mit Neodymium dotierte YAG ein Licht emittieren, das eine Wellenlänge von 1.064 nm hat.
Eine der Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Verwenctung einer Strahlungsquelle (2) mit einer Faser aus einem lasanten Material. welches mit Hilfe eines optischen Anregungsmaterials endseitig angeregt wird, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Laserdioden, lichtemittierenden Dioden und Laserdiodenreihen besteht. Für diesen Zweck im höchsten Maße geeignete Fasern umfassen, ohne darauf begrenzt zu sein, optische Glasfasern, welche mit Ionen von seltenen Erdmetallen, wie zum Beispiel Neodymium dotiert sind. Die Länge einer solchen Faser kann in einfacher Weise so eingestellt werden, daß sich eine weitgehende Absorption des gesamten Lichtes aus dem optischen Anregungsmittel ergibt. Soweit eine sehr lange Faser erforderlich ist, kann sie zum Beispiel auf einer Spule aufgewickelt werden, um so die Gesamtlänge des erfindungsgemäßen Lasers zu minimieren.
Die Fokussiermittel (3) und die Fokussiermittel (12) dienen dazu, jeweils die Eingangsstrahlungen (1, 9) in dem Optik- Hohlraum zu fokussieren, welcher durch die Spiegel (6, 7) gebildet wird. Diese Fokussierung wird vorzugsweise so gestaltet, daß die Erzeugung der Strahlung der optischen Mischung in dem nicht linearen optischen Material (8) optimiert wird. Als Mittel (3, 12) für die Fokussierung von Licht kann jedes konventionelle optische Mittel eingesetzt werden. Zum Beispiel eine geneigte Indexlinse, eine Kugellinse, eine torische Linse oder eine Kombination von Linsen. Es ist zu beachten, daß die Fokussiermittel (3, 12) für die Durchführung der Erfindung nicht unbedingt erforderlich sind und der Einsatz solcher Fokussiermittel bedeutet nur eine bevorzugte Ausführungsart.
Die optischen Isolatoren (4, 13) dienen dazu, die Reflexion der Eingangsstrahlung (1, 9) aus dem externen Hohlraum, der durch die Spiegel (6, 7) gebildet wird, zurück zu ihren jeweiligen Quellen zu verhindern. Solche Rückstrahlungen haben die unerwünschte Tendenz, Fluktuationen der Amplitüde und der Frequenz in den von den Quellen (2, 10, 11) emittierten Strahlungen zu verursachen. Für die optische Abschirmung der Quellen (2, 10, 11) kann jedes konventionelle Mittel eingesetzt werden. Zum Beispiel können die Isolatoren (4, 13) Faraday'sche Isolatoren oder eine Lambda-Viertel-Platte sein. Alternativ können die Isolatoren (4, 13) entrallen und Rückstrahlungen mit Hilfe eines ringförmigen Hohlraums mit wandernden Wellen (siehe Fig. 2) statt eines Hohlraumes mit Interferenzwellen vermieden werden. Es ist jedoch zu beachten, daß für die Durchführung der Erfindung die optische Abschirmung der Eingangsquellen nicht wesentlich ist und nur eine bevorzugte Ausführungsart darstellt.
Die Eingangsstrahlung (1) aus der Quelle (2) wird in das nicht lineare optische Material (8) geleitet, in dem sie mit der Eingangsstrahlung (9) aus der Strahlungsquelle (10, 11) eine Wechselwirkung eingeht. Durch geeignete Ausrichtung des nicht linearen optischen Materials gegenüber dem optischen Pfad der optischen Resonanzstrahlung (Phasenabgleichung) wird eine wirksame optische Mischung der gewünschten Art erzielt. Außerdem kann die Phasenabgleichung durch Einstellen und Kontrollieren der Temperatur des nicht linearen optischen Materials optimiert werden. Als besonderes Beispiel kann eine Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 1.064 nm, die aus einem diodengespeisten mit Neodymium dotierten YAG- Laser (2) abgegeben wird, in einem nicht linearen optischen Material (8) mit einem Licht mit einer Wellenlänge von 808 nm kombiniert werden, das aus der Strahlungsquelle (10) abgegeben wird, um durch die Erzeugung von Summenfrequenzen ein sichtbares blaues Licht mit einer Wellenlänge von 459 nm zu erzeugen. In diesem spezifischen Beispiel kann das nicht lineare optische Material (8) Kalium Titanylphosphat mit einer nicht kritischen Phasenabgleichung vom Typ II sein (bei dem theta und phi gleich 90 Grad sind).
Die geometrische Form des nicht linearen optischen Materials (8) kann sehr unterschiedlich sein. Es kann zum Beispiel stangenförmig oder rhomboedrisch sein und kann, soweit gewünscht, linsenförmige Oberflächen haben. Außerdem können alle diese nicht linearen optischen Komponenten Heiz- oder Kühlmittel aufweisen, um die Temperatur dieses nicht linearen optischen Materials zu kontrollieren und dadurch die Phasenabgleichung zu optimieren. Soweit möglich, wird im allgemeinen eine unkritische Phasenabgleichung bevorzugt, da dadurch ein Auswandern vermieden wird.
Kalium Titanylphosphat, KTiOPO&sub4;, ist ein höchst bevorzugtes nicht lineares optisches Material. Für die praktische Durchführung der vorliegenden Erfindung kann jedoch jedes beliebige nicht lineare optische Material verwendet werden. Geeignete nicht lineare optische Materialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, KH&sub2;PO&sub4;, LiNbO&sub3;, KnbO&sub3;, β-BaB&sub2;O&sub4;, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5;, LiIO&sub3;, HIO&sub3;, KB&sub5;O&sub8; 4H&sub2;O, Kalium Lithiumniobat, Harnstoff und Verbindungen der Formel (MTiO(XO&sub4;), in der M aus der Gruppe ausgewählt wird, welche K, Rb und Tl umfaßt und X aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus P und As besteht.
Es ist natürlich zu beachten, daß für Strahlungen mit zwei verschiederen Frequenzen, W1 und W2, die Bedingungen für die Phasenabgleichung im allgemeinen für jede Art der optischen Mischung in einem gegebenen nicht linearen optischen Material unterschiedlich sind. Wenn zum Beispiel W1 größer als W2 ist, sind die Bedingungen für die Phasenabgleichung für die Erzeugung von Summenfrequenzen (W3 = W1 + W2) im allgemeinen andere, als bei der Erzeugung von Unterschiedsfrequenzen (W4 = W1 - W2), weil W3 und W4 unterschiedlich sind. Tatsächlich ist es möglich, daß bei bestimmten Verfahren der optischen Mischung zufriedenstellende Bedingungen für die Phasenabgleichung und die opische Transparenz herrschen, während dies bei anderen Verfahren in einem bestimmten nicht linearen optischen Material nicht der Fall ist. Dementsprechend kann das gewünschte Verfahren für die optische Mischung durch Kontrolle der Bedingungen der Phasenabgleichung festgelegt werden. Die Verfahren und Kriterien für die Auswahl und die Phasenabgleichung von nicht linearen optischen Materialien für ein bestimmtes Verfahren der optischen Mischung sind konventionelle Verfahren und Kriterien.
In einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung sind beide Eingangsstrahlungen (1, 9) polarisiert und die Polarisierung wird so eingestellt, daß der Wirkungsgrad der optischen Mischung in einem nicht linearen optischen Material (8) optimiert wird. Zum Beispiel sollten bei der Erzeugung, von Summenfrequenzen diese Polarisationen für die Phasenabgleichung vom Typ II orthogonal und für die Phasenabgleichung vom Typ I identisch sein. Soweit sie nicht polarisiert ist, kann die Eingangsstrahlung (1, 9) mit jedem konventionellen Mittel polarisiert werden, wie zum Beispiel mit Hilfe einer Brewster-Platte innerhalb des Optik-Hohlraumes der Quelle für solche Strahlungen. Die von vielen geeigneten Quellen abgegebenen Eingangsstrahlungen (1, 9) sind jedoch inherent polarisiert. Zum Beispiel wird die kohärente Strahlung aus konventionellen Laserdioden und von in mehreren Strängen angeordneten Laserdiodenreihen inherent polarisiert, ebenso wie die Laserstrahlung aus einem geeignet ausgerichteten YALO- oder YLF- Lasantmaterial, welches mit Neodymium dotiert ist.
Der exterre Optik-Hohlraum, welcher durch die Spiegel (6, 7) definiert wird, funktionier als Resonanzhohlraum für folgendes: (a) entweder die Eingangsstrahlung (1) oder die Eingangsstrahlung (9); (b) beide Eingangsstrahlungen (1, 9); (c) entweder die Eingangsstrahlung (1) oder die Eingangsstrahlung (9) und die Ausgangsstrahlung (14); oder (d) die Eingangsstrahlungen (1, 9) und die Ausgangsstrahlung (14). Zum Zwecke der Vereinfachung bezieht sich die nachstehende Beschreibung der Fig. 1 auf einen externen Optik-Hohlraum, weicher nur für die Eingangsstrahlung (1) resonant ist.
Bei einem externen Optik-Hohlraum, welcher nur für die Eingangsstrahlung (1) resonant ist, sind die Spiegel (6, 7) hoch reflektierend für die Eingangsstrahlung (1) und hoch lichtdurchlässig für die Eingangsstrahlung (9) und die Ausgangsstrahlung (14). Üblicherweise hat der Eingangssplegel (6) bei der Wellenlänge der Eingangsstrahlung (1) einen geringen Grad der Lichtdurchlässigkeit und dieser Grad der Lichtdurchlässigkeit kann theoretisch so eingestellt werden, daß eine Nullreflexion der Fingangsstrahlung (1) erreicht wird. In der Praxis ist diese Bedingung jedoch nur schwer zu erfüllen. Dementsprechend kann die Strahlungsquelle (2), falls gewünscht, mit Hilfe des optischen Isolators (4) von dem externen Optik-Hohlraum abgeschiflnt werden. Der optische Isolator (13) ist in dieser Ausführungsart nur dann erforderlich, wenn eine wesentliche Reflexion der Eingangsstrahlung (9) aus dem externen Optik-Hohlraum vorliegt.
Bei einem externen Honlraum, welcher nur für die Eingangsstrahlung (1) resonant ist, muß dieser durch die Spiegel (6, 7) definierte externe Hohlraum die Resonanzbedingung nach Fabry-Perot für die Eingangsstrahlung (1) erfüllen. Eine Abgleichung der Frequenzen für die Erfüllung der Resonanzbedingungen kann dadurch erreicht werden, daß man die Länge des optischen Pfades entweder des externen Hohlraumes oder des Optik-Hohlraumes der Strahlungsquelle (2) mit Hilfe von konventionellen Mitteln einstellt, wie zum Beispiel einer Veränderurg der Temperatur oder mit Hilfe von elektromechanischen Mitteln, wie zum Beispiel der Montage eines piezoelektrischen Konverters für einen der Spiegel des Hohlraumes. Wenn zum Beispiel die Veränderung der Temperatur sowohl für die Abgleichung der Frequenz der Eingangsstrahlung (1) mit dem externen Hohlraum als auch für die phasenabgleichung des nicht linearen optischen Materials (8) verwendet wird, umfaßt eine bevorzugte Ausführungsart der vorliegenden Erfindung die Stabilisierung des externen Hohlraumes auf die erforderliche Temperatur der Phasenabgleichung und die Einstellung der Temperatur in dem Optik-Hohlraum der jeweiliger Länge der Strahlungsquelle (2), um die ResonanzbEdingungen nach Fabry-Perot zu erfüllen.
Ein Brechtrngsspiegel (5) von 90º ist so konstruiert, daß er die Eingangsstrahlung (9) stark reflektiert, aber weitgehend durchlässig fur die Eingangsstrahlung (1) ist. Zum Beispiel kann der Spiegel (5) eine geeignete dielektrische Beschichtung auf einem geeigneten Substrat aufweisen Es sollte jedoch beachtet werden, daß der 90º Brechungsspiegel (5) kein wesentliches Element der vorliegenden Erfindung ist. Falls der 90º Brechungsspiegei (5) nicht. vorgesehen ist, kann jede geeignete Methode eingesetzt werden, um die Eingangsstrahlung (1, 9) in den durch die Spiegel (6, 7) gebildeten externen Hohlraum einzuleiten.
Die Modulation der Ausgangsstrahlung (14) der optischen Mischung dann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß man die Eingangsstrahlung (1) oder (9) moduliert. Wenn für die Erzeugung der Eingangsstrahlung eine Laserdiode oder Laserdiodenreihe verwendet wird, kann diese Modulation dadurch erreicht werden, daß man die Energiezufuhr zu der Laserdiode oder Laserdiodenreihe moduliert. Es sind konventionelle Mittel verfügbar, um die Ausgangsstrahlung der Laserdiode oder Laserdiodenreihe über einen Bereich von 0 Hz bis über 1 GHz zu modulieren und die Verwendung all dieser Mittel für die Modulation bildet eine bevorzugte Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. Alternativ kann die Ausgangsstrahlung (14) für die optische Mischung durch die Modulation der Eingangsstrahlung (1) moduliert werden, welche durch Laserabtastung eines Lasantmaterials abgestrahlt wird, und zwar mit Hilfe von konventionellen Techniken, wie zum Beispiel Leerlaufschaltung, Verstärkungsschaltung oder durch modulare Verriegelung.
In einem spezifischen Beispiel der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsart ist die Strahlungsquelle (2) ein mit Neodymium dotierter YAG-Laser einfacher Frequenz, der einen Polarisierten Ausgang hat, welcher mit einer Wellenlänge von 1.064 nm betrieben wird, und an den konventionelle Mittel angeschlossen sind, um die Ausgangsfrequenz über einen freien Spektralbereich des durch die Spiegel (6, 7) definierter externen Hohlraumes einzustellen. Die von der Quelle (2) emittierte Ausgangsstahlung (1) wird mit Hilfe einer gegossenen torischen Linse aus Runststoff oder Glas in einer Weise fokussiert, daß ihr Ausgangsmodus mit dem TEM&sub0;&sub0;-Modus des externen Hohlraumes abgeglichen ist. Der Laser (2) wird von dem externen Hohlraum mit Hilfe eines permanten Faraday'schen Magnetisolators, einer Viertelwellenplatte oder einem anderen geeigneten optischen Isoliermittel abgeschirmt. Die Eingangsstrahlung (9), welche einE Wellenlänge von 810 nm hat, wird durch eine Laserdiode (10) vom Typ SHARP LT-015 erzeugt. Ein optisches System (12) verwandelt den astigmatischen Ausgang (9) aus der Laserdiode (10) in einen TEM&sub0;&sub0;-Modus, welcher so fokussiert wird, daß sein Modus denjenigen des externen Hohlraumes so eng wie möglich überlappt. Ein optischer Isolator (13) wird nicht verwendet. Der Brechungsspiegel (5) ist ein dichroitischer Strahlungsteiler, welcher bei der Frequerz und Polarisierung der Strahlung aus der Quelle (2) stark durchlässig ist, und stark reflektierend bei der Wellenlänge und Polarisierung der Strahlung aus der Laserdiode (10). Der Eingangsspiegel (6) des externen Hohlraumes bat einen Biegungsradius von etwa 1 cm, eine Durchlässigkeit im Bereich von ewa 0,5 bis etwa 3 % für Strahlungen mit einer Wellenlänge von 1.064 nm, und eine hohe Durchlässigkeit für Strahlungen mit einer Wellenlänge von 810 nm. Der Ausgangsspiegel (7) des externen Hohlraumes hat einen Biegungsradius von etwa 1 cm, ist stark reflektierend für Strahlungen mit einer Wellenlänge von 1.064 nm und ist stark durchlässig für Strahlungen mit einer Wellenlänge von 460 nm, welche durch die Erzeugung von Summenfrequenzen gebildet werden. Der Abstand zwischen den Spiegeln (6, 7) wird so eingestellt, daß der Mittelteil des Strahls innerhalb des externen Hohlraumes der konfokalen Bedingung für die Länge des nicht linearen optischen Materials (8) entspricht. Das nicht lineare optische Material (8) ist ein rhomboedrisches Prisma aus Kalium Titanylphosphat, welches für die Erzeugung von Summenfreqlienzen durch die Kombination der Strahlungen mit den Wellenlängen von 810 nm und 1.964 nm ausgerichtet ist, für Strahlungen mit einer Wellenlänge von 1.054 nm sowohl auf der Eingangsfläche (15) als auch auf der Ausgangsfläche (16) reflexionshemmend beschichtet ist, und das physisch im Mittelpunkt des externen Hohlraumes angeordnet ist. Die Länge des optischen Pfades des externen Hohlraumes wird dadurch stabilisiert, daß die Spiegel (6, 7) in einer steifen mechanischen Struktur befestigt werden und ihre Temperatur mit Hilfe von konventionellen Mitteln genau kontrolliert wird. Die Strahlungsquelle (2) wird so eingestellt, daß sie mit dem externen Hohlraum resonant ist. Schließlich wird die Strahlung (14) der Summenfrequenz, die eine Wellenlänge von 460 nm hat, durch den Spiegel (7) weitergeleitet.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung, in der ein ringförmiger Hohlraum mit einer wandernden Welle statt des linearen Hohlraumes mit einer Interferenzwelle verwendet wird, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Mit Bezug auf Fig. 2 wird eine kohärente Eingangsstrahlung (20) aus der Strahlungsquelle (21) mit Hilfe des Fokussierungsmittels (22) fokussiert, durch den Brechungsspiegel (23) geleitet und in den externen Optik-Hohlraum eingeleitet, welcher durch die Spiegel (24, 25, 26) gebildet wird. Die kohärente Eingangsstrahlung (27) aus der Strahlungsquelle (28, 29) wird mit Hilfe der Fokussierungsmittel (30) fokussiert, durch den Brechungsspiegel (23) geleitet, von dem Brechungsspiegel (23) reflektiert und in den externen Hohlraum Eingeleitet. Die Quellen (28, 29) werden aus der Gruppe ausgewählt, welche aus Laserdioden, Laserdiodenreihen und diodengespeisten Festkörperlasern besteht. Zum Beispiel kann die Quelle (28) eine Laserdioden, sein und die Quelle (29) kann eine zugeordnete thermoelektrische Kühlvorrichtung sein. Die Eingangsstrahlung (20) und die Eingangsstrahlung (27) werden einer optischen Mischung in einem nicht linearen optischen Material (31) unterzogen welches für den gewünschten optischen Mischprozeß phasenabgestimmt ist, und die Strahlung für die optische Mischung wird als Ausgangsstrahlung (32) durch den Spiegel (25) geleitet.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsart wandert die Strahlung in dem externen Hohlraum, welcher durch die Spiegel (24, 25, 26) gebildet wird, nur in einer Richtung und der rückgestrahlte Srahl (33) verläuft nicht kolinear zu der Eingangsstrahlung aus der Quelle (21) und der Quelle (28, 29). Dementsprechend sind diese Quellen optisch von dem externen Resonanzhohlraum abgeschirmt. Der reflektierte Strahl (33) aus dem externen ringförmigen Hohlraum kann dafür verwendet werden, die Resonanzbedingungen in dem externen Hohlraum zu steuern, da bei der gewünschten Wellenlänge die Intensität und Phase des Strahles (33) jeweils von der Frequenzabgleichung zwischen dem externen Hohlraum und dem Eingangsstrahl abhängen.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung, in welcher die Ausgangsstrahlung von der Strahlung der optischen Mischung innerhalb des externen Hohlraums mit Hilfe von Strahlzerlegern abgetrennt wird. In der Darstellung der Fig. 3 wird die kohärente Eingangsstrahlung (40) aus der Quelle (41) durch das Fokussiermittel (42) fokussiert, durch den Brechungsspiegel (43) geleitet und in den externen Hohlraum eingelführt, welcher durch die Spiegel (44, 45, 46, 47) gebildet wird. Die kohärente Eingangsstrahlung (48) aus der Strahlungsquelle (49, 50) wird mit Hilfe des Fokussierungsmittels (51) fokussiert, von dem Brechungsspiegel (43) reflektiert und in den externen Hohlraum eingeführt. Die Quelle (49, 50) wird aus der Gruppe ausgewählt, welche aus Laserdioden, Laserdiodenreihen und diodengespeisten Festkörperlasern besteht. Zum Beispiel kann die Quelle (49) eine Laserdiode sein und die Quelle (59) kann eine zugeordnete thermoelektrische Kühlvorrichtung sein. Die Strahlzerleger (52, 53) sind für die Eingangsstrahlung (40, 48) im wesentlichen durchlässig, jedoch stark reflektierend für die Strahlung (56) der optischen Mischung. Die Eingangsstiahlung (40) und die Eingangsstrahlung (48) werden in dem nicht linearen optischen Material (54) einer optischen opischung unterzogen, wobei die Temperatur dieses nicht linearen optischen Materials mit Hilfe eines Heizwiderst.andes (55) für das gewünschte optische Mischverfahren abgeglichen wird, und die jeweilige Strahlung (56) der optischen Mischung wird durch den Spiegel (46) geleitet.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsart kann der externe Hohlraum resonant sein für: (a) entweder die Eingangsstrahlungen (40) oder (48); (b) beide Eingangsstrahlungen (40) und (48); (c) entweder für die Eingangsstrahlung (40) oder (48) und die Ausgangsstrahlung (56); oder (d) die Eingangsstrahlungen (40) und (48) und die Ausgangsstrahlung (56). Bei einem externen Hohlraum, welcher für die Eingangsstrahlung (40) und die Strahlung (56) der optischen Mischung resonant ist, können die Spiegel (44, 45, 46, 47) die folgenden Eigenschaften haben: Spiegel Eigenschaften Zu etwa 99% reflektierend für die Strahlung (40) und im wesentlichen durchlässig für die Strahlung (48). Stark reflekierend für die Strahlung (40). Zu etwa 99% eflektierend für die Strahlung (56). Stark reflektierend für die Strahlung 56.
Mit einem solchen doppelt resonanten externen Hohlraum tritt die Eingangsstrahlung (40 zwischen den Spiegeln (44, 45) in Resonanz, während die Strahlung (56) der optischen Mischung zwischen den Spiegeln (46, 47) in Resonanz tritt. Bei einem externen Hohlraum, welcher für die Eingangsstrahlung (40, 48) und die Strahlung (56) der optischen Mischung resonant ist, können die Spiegel (44, 45, 46, 47) folgende Eigenschaften haben: Spiegel Eigenschaften Zu etwa 99% reflektierend für die Strahlung (40) und etwa zu 1 bis 20% durchlässig für die Strahlung (48). Stark reflektierend für die Strahlungen (40, 48). Zu etwa 1 bis 20% durchlässig für die Strahlung (56). 47 Stark reflektierend für die Strahlung (56).
Bei einem solchen dreifach resonanten externen Hohlraum tritt die Eingangsstrahlung (40 48) zwischen den Spiegeln (44, 45) in Resonanz, während die Strahlung der optischen Mischung zwischen den Spiegeln (46, 47) in Resonanz tritt.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung mit folgenden Schritten:

a) Erzeugung einer kohärenten optischen Strahlung einer ersten Frequenz W1 aus einer aus der Gruppe der Laserdioden, lichtimitierenden Dioden und Laserdiodenreihen ausgewählten ersten Quelle (2);

b) Erzeugung kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz aiis einer aus der Gruppe der Laserdioden, Laserdiodenreihen und diodengespeister Festkörperlaser ausgewählten zweiten Quelle (10, 11);

c) Einführung der Strahlung der ersten und der zweiten Frequenz in einen linearen Interferenzwellen-Optik-Hohlraum (8, 7), der getrennt von jeglichen für die erste und zweite Quelle verwendeten Komponenten ist; und

d) Verbindung der Strahlung der ersten Frequenz und der Strahlung der zweiten Frequenz mit einem nicht linearen optischen Material (8), das in dem Optik-Hohlraum enthalten ist, um eine kohärente optische Strahlung einer dritten Frequenz W3 zu erzeugen;

e) Einstellen und Kontrollieren der Polarisation der Strahlung der ersten Frequenz und der Polarisation der Strahlung der zweiten Frequenz um die Erzeugung der Strahlung der dritten Frequenz zu erzeugen; und

f) Verändern der dritten Frequenz durch Kontrollieren von mindestens der Temperatur der ersten Quelle und des durch die Lasardioden, Laserdiodenreihen und den Dioden der diodengespeisten Festkürperlaser fließenden elektrischen Stroms.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Optik-Hohlraum für Strahlung der Frequenz W1 resonant ist und für Strahlung der Frequenzen W2 und W3 nicht resonant ist.

3. Verfahrer nach Anspruch 1, bei dem der Optik-Hohlraum für Strahlung der Frequenzen W1 und W2 resonant ist und für Strahlung der Frequenz W3 nicht resonant ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Optik-Hohlraum für Strahlung der Frequenzen W1, W2 und W3 resonant ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem W 3 = W1 + W2.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem W3 die Differenz zwischen W1 und W2 ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strahlung der zweiten Frequenz von einer Quelle aus der Grupre der Laserdioden und Laserdiodenreihen erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strahlung der zweiten Frequenz von einem diodengespeisten frequenzverdoppelten Festkörperlaser erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das nicht lineare optische Material aus Kalium Titanylphosphat besteht.

10. Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, bestehend aus:

a) Mittel (2) zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung einer erstei Frequenz W1;

b) Mittel (10, 11) zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz W2;

c) einen Optik-Hohlraum (6, 7), der getrennt von jeglichen für die ersten und zweiten Mittel zur Erzeugurg kohärenter optischer Strchlung verwendeten Komponenten ist;

d) Mittel (3, 4, 5, 12, 13) zur Einführung der Strahlung der ersten Frequenz in den optischen Hohlraum

e) nicht lineare optisDhe Mittel (8) im Optik-Hohlraum, der so angeordnet ist, daß er mit der Strahlung der ersten Frequenz und der Strahlung der zweiten Frequenz zusammenkommt um kohärente optische Strahlung einer dritten Frequenz W3 zu erzeugen; und

f) Mittel zur Einstellung und der Kontrolle der Polarisation der Stralung der ersten Frequenz und der Polarisation der Strahlung der zweiten Frequenz, charakterisiert durch: Mittel zur Erzeugung der Strahffiung der ersten Frequenz, bestehend aus einen Festlasantmateriai, das optisch gespeist wird durch optische Speisungsmittel, die mindestens aus einem Gerät bestehen, das aus der Gruppe der Laserdioden, Lichtdioden und Laserdiodenreihen ausgewählt ist; und Mittel zur Erzeugung der zweiten Frequenz, die aus der Gruppe der Laserdioden, Laserdiodenreihen und diodengespeister Festkörperlaser ausgewählt sind; der Optik-Hohlraum, der ein Interferenzwellen-Optik- Hohlraum ist; und dadurch, daß die Mittel zur Einführung effektiv sind zur Einführung der Strahlung einer zweiten Frequenz in den Optik-Hohlraum, und daß die Vorrichtung Mittel zur Änderung der dritten Frequenz enthält, dadurch, daß mindestens die Temperatur der ersten Quelle und/oder der durch die Laserdioden, Laserdinderreihen und die Dioden der diodengespeisten Festkörperlaser fließende elektrische Strom kontrolliert wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Optik-Hohlraum resonant für Strahlung der Frequenz W1 und nicht resonant für Strahlung der Frequerzen W2 und W3 ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Optik-Hohlraum resonant für Strahlung der Frequenzen W1 und W2 und nicht resonant für Strahlung der Frequenz W3 ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Optik-Hohlraum resonant für Strahlung der Frequenzen W1, W2 und W3 ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der W3 = W1 + W2.

15. Vorrichtung nach Anspruh 10, bei der W3 die Differenz zwischen W1 und W2 ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der das Lasandmaterial aus der Gruppe von Neodymium-dotiertem YAG, Neodymium-dotiertem YALO und Neodymium-dotiertem YLF ausgewählt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Mittel zur Erzeugung der Strahlung einer zweiten Frequenz aus der Gruppe der Laserdioden und Laserdiodenreihen ausgewählt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Mittel zur Erzeugung der Strahlung einer zweiten Frequenz ein diodengespeister frequenzverdoppelnder Festkorperlaser ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die nicht linearen optischen Mittel als Kalium Titanylphosphat bestehen.