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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlung optischer
Wellenlange und einen Optikwellenlängen-Wandlermodul zum Wandeln
einer durch eine Lichtquelle erzeugten Grundschwingung in eine
zweite Harmonische mit einer Wellenlänge, die die Halfte der
Grundschwingungs-Wellenlänge betragt, mit einem
Optikwellenlängen-Wandlergerät.
Beschreibung des Standes der Technik
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Verschiedenes wurde bisher in Angriff genommen, um die
Wellenlange eines Laserstrahls in eine kürzere Wellenlänge zu wandeln
aufgrund der Erzeugung einer zweiten Harmonischen durch ein
nichtlineares optisches Material. Ein Beispiel eines
Optikwellenlangen-Wandlergeräts zur Bewirkung einer derartigen
Laserwellenlängen-Wandlung ist ein Massivkristall-Wandlergerät, wie
es beispielsweise in "Introduction to Optical Electronics" von
A. Yariv beschrieben und durch Kunio Tada und Takeshi Kamiya
(veröffentlicht durch Maruzen K.K.), Seiten 200-204 übersetzt
wurde. Ein Phasenanpaß-Verfahren für KTP, das ein biaxialer
Kristall ist, ist im Einzelnen von Yao u.a. in J. Appl. Phys.,
Bd. 55, Seite 65 (1984) beschrieben.
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Herkömmliches Optikmaterial mit nichtlinearen Optikkonstanten
zur Verwendung als das genannte Massivkristalltyp-Wandlergerät
enthalten anorganische Materialien wie LiNbO&sub3; und KTP, und
organische Materialien wie MNA (2-Methyl-4-Nitroanilin),
beschrieben in der JP-Offenlegungsschrift 60-250334; NPP
(N-(4-nitrophenyl)-L-prolinol), NPAN
(N-(4-nitrophenyl)-N-methylaminoacetonitril)
und dergleichen, wie in J. Opt. Soc. Am.
B. Bd. 4, Seite 977 (1987) beschrieben. Diese organischen
nichtlinearen Optikmaterialien wie MNA, NPP und dergleichen
besitzen größere nichtlineare Optikkonstanten als die
anorganischen nichtlinearen Optikmaterialien wie LiNbO&sub3; und KTP, und
sind daher vorteilhafter insoweit, als ihr
Wellenlängenwandlungs-Wirkungsgrad hoch ist, sie einen hohen Schwellwert für
Spannungsdurchbruch besitzen und einer geringeren optischen
Beschädigung unterliegen.
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Das Optikwellenlängen-Wandlergerät vom Massivkristall-Typ
braucht die Kristall-Doppelbrechung zur Erfüllung der
Phasenanpaß-Bedingungen. Deswegen kann Material, das keine oder nur
eine geringe Doppelbrechung zeigt, auch dann nicht benutzt
wenn es eine hohe Nichtlinearität besitzt.
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Ein Faseroptik-Wellenlangen-Wandlergerät wurde vorgeschlagen,
um das genannte Problem zu lösen. Das
Optikwellenlangen-Wandlergerät dieses Typs besteht in Form einer optischen Faser mit
einem durch eine Umhüllung umgebenen Kern aus einem
nichtlinearen optischen Material. Ein Beispiel einer solchen optischen
Faser ist in dem Bulletin Bd. 3, Nr. 2 der
Mikrooptik-Forschungsgruppe einer Vereinigung der Applied Physics Society,
Seiten 28-32, enthalten. In jüngster Zeit sind viele
Anstrengungen auf die Untersuchung von
Faseroptik-Wellenlängen-Wandlergeräten gerichtet worden, da man dadurch leicht eine
Anpassung zwischen einer Grundfrequenz und einer zweiten
Harmonischen erreichen kann.
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Um den Wirkungsgrad der Wellenlängen-Wandlung bei dem
Faseroptik-Wellenlängen-Wandlergerät zu erhöhen, wird bevorzugt ein
Optikmaterial mit hoher nichtlinearer optischer Konstante als
Kern verwendet. Zu den bekannten Optikmaterialien mit hohen
nicht linearen Optikkonstanten gehören die bereits vorher
genannten.
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Wenn ein Faseroptik-Wellenlängen-Wandlergerät aus einem nicht-
linearen Optikmaterial des vorstehend beschriebenen Typs
aufgebaut
wird, wird jedoch der Wirkungsgrad der Wellenlängen-
Wandlung des Faseroptik-Wellenlängen-Wandlergeräts nicht sehr
erhöht, da der Kristall nicht in einer solchen Richtung
ausgerichtet ist, daß es möglich ist, die maximalen nichtlinearen
Optikkonstanten des Materials auszunützen. Der
Wellenlängenwandlungs-Wirkungsgrad des Optikwellenlängen-Wandlergerätes
wird mit zunehmender Lange des Gerätes größer. Die vorher
angesprochenen nichtlinearen Optikmaterialien sind jedoch nicht für
die Herstellung langer optischer Wellenlängen-Wandlergeräte
geeignet, da es schwierig ist, aus diesen nichtlinearen
Optikmaterialien einen gleichmäßigen Einkristall zu erhalten.
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Die Absorbtionskanten der vorstehend genannten nichtlinearen
optischen Materialien, z.B. MNA und NPP, liegen in der Gegend
von 250 nm bzw. 480 nm. Es ist deswegen schwierig, eine zweite
Harmonische in einem Blaubereich mit einer Wellenlänge in der
Nähe von 400 nm zu schaffen, wenn man als Quelle für Licht mit
der Grundfrequenz einen Halbleiterlaser mit einer
Anregungs-Wellenlänge in der Nähe von 800 nm benutzt, wie er zur Zeit
weithin eingesetzt wird,. Das trifft auch zu bei dem
Optikwellenlangen-Wandlergerät des vorher beschriebenen
Massivkristall-Typs. Darüberhinaus sind KTP, LiNbO&sub3; und dergleichen
anorganische Materialien mit einer Absorbtionskante von 400 nm
oder darunter. Zwar können diese Materialien eine zweite
Harmonische in einem Blaubereich erzeugen, doch sind sie insofern
nachteilig, als der Leistungsindex der Wellenlängenwandlung
kleiner als der von organischen Materialien ist, und zwar um
eine Größenordnung oder mehr. In gleicher Weise ist die
Wirksamkeit der Wellenlängen-Wandler gering bei der Herstellung
zweiter Harmonischer in Bereichen größerer Wellenlängen wie
grün, rot oder dergleichen, da auch hier der Leistungsindex
niedrig ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Hinblick auf die genannten Nachteile der herkömmlichen
Optikwellenlängen-Wandlergeräte ist es ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, ein Optikwellenlängen-Wandlungsverfahren und einen
Optikwellenlängen-Wandlermodul zu schaffen mit einem hohen
Wellenlängenwandlungs-Wirkungsgrad, der fähig ist, leicht eine
zweite Harmonische in einem blauen Bereich zu erzielen.
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Entsprechend einem Optikwellenlängen-Wandlungsverfahren nach
der vorliegenden Erfindung wird ein
MasSivkristall-Optikwellenlängen-Wandlergerät hergestellt aus einem monokristallinen
nichtlinearen Optikmaterial (3,5-Dimethyl-1-(4-nitrophenyl)-
pyrazol: später hier als "PRA" bezeichnet), das dargestellt
wird durch die folgende Molekülstrukturformel:
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und es wird eine linear polarisierte Fundamentale
(Grundschwingung) mit einer Wellenlänge im Bereich von 900 bis 4000 nm an
diesen Massiv-Einkristall angelegt, um davon eine zweite
Harmonische abzuleiten durch Erzielen einer
Winkelphasen-Anpassung des Typs I.
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Das Material PRA ist in der JP-Offenlegungsschrift 62-210432
beschrieben. In der Beschreibung dieser älteren Anmeldung wird
auch festgestellt, daß PRA einen nichtlinearen Optikeffekt
besitzt. Jedoch ist es bei dem tatsächlichen Aufbau eines
Massivkristall-Optikwellenlängen-Wandlergeräts aus PRA nicht bekannt
gewesen, wie eine gute Phasenanpassung zwischen der
Fundamentalen und der zweiten Harmonischen zu erzeugen ist.
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Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann eine
Winkelphasen-Anpassung des Typs I erreicht werden. Die
Prinzipien des Verfahrens zum Erreichen einer derartigen
Winkelphasen-Anpassung werden später beschrieben. Kristallstrukturen
der PRA sind in Fig. 2A, 2B und 2C gezeigt. Fig. 3 zeigt die
Massivkristall-Struktur des PRA. Der PRA-Kristall gehört zu
einem orthorhombischen System und seine Kristallklasse ist mm2.
Deswegen ist der Tensor der nicht linearen optischen Konstanten
wie folgt:
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Unter der Annahme, daß die optischen Achsen X, Y und Z mit
Bezug auf die Kristallachsen a, b, c so bestimmt sind, wie Fig.
3 zeigt, ist d&sub3;&sub1; eine nichtlineare Optikkonstante zum
Extrahieren einer Z-polarisierten zweiten Harmonischen durch Anlegen
von in X-Richtung linear polarisiertem Licht (X-polarisiertem
Licht) als Grundwelle. In gleicher Weise ist d&sub3;&sub2; eine
nichtlineare Optikkonstante zum Extrahieren einer Z-polarisierten
zweiten Harmonischen durch Anlegen von in der Y-Richtung linear
polarisiertem Licht (Y-polarisiertem Licht) als Grundwelle.
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Ebenso ist d&sub3;&sub3; eine nichtlineare optische Konstante zum
Extrahieren einer Z-polarisierten zweiten Harmonischen durch Anlegen
von in Z-Richtung linear polarisiertem Licht (Z-polarisiertem
Licht) als Grundwelle. d&sub2;&sub4; ist eine nichtlineare Optikkonstante
zum Extrahieren einer Y-polarisierten zweiten Harmonischen
durch Anlegen von Y- und Z-polarisierten Grundwellen. d&sub1;&sub5; ist
eine nichtlineare Optikkonstante zum Ausziehen einer
X-polarisierten zweiten Harmonischen durch Anlegen von X- und
Z-polarisierten Grundwellen. Die Größen der jeweiligen nichtlinearen
Optikkonstanten werden in der folgenden Tabelle gegeben:
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Die Werte in Spalte (1) sind durch eine
Röntgenstrahl-Kristallstrukturanalyse erthalten, und die Werte in der Spalte (2) sind
durch das Marker-Fringe-Verfahren gemessen, wobei in beiden
Spalten die Einheit jeweils [x 10&supmin;&sup9; esu] ist.
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Ein Vergleich mit d&sub3;&sub1; von LiNbO&sub3; bei Leistungsindices aufgrund
der angegebenen Werte zeigt, daß d&sub3;&sub2; von PRA 260mal größer ist.
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Da PRA zum orthorhombischen System gehört und ein biaxialer
Kristall ist, besitzt es einen Brechungsindex nx, wenn die
Polarisationsebene des Lichtes in Richtung der optischen X-
Achse (der c-Achse des Kristalls) liegt, einen Brechungsindex
ny, wenn die Polarisationsebene des Lichts in Richtung der y-
Achse (der b-Achse des Kristalls) senkrecht zur X-Achse liegt,
und einen Brechungsindex nz, wenn die Polarisationsebene des
Lichtes in Richtung der Z-Achse (der a-Achse des Kristalls)
senkrecht zur X- und Y-Achse liegt. Die Wellenlängen-Dispersion
bei diesen Brechungsindices nx, ny und nz ist in Fig. 4 gezeigt.
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Die untere Grenzwellenlänge für Winkelphasen-Anpassung bei
Normaltemperatur beträgt 950 nm. Diese untere Grenzwellenlänge
kann durch Verändern der Kristalltemperatur um etwa 50 nm
verändert werden. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird
deswegen die untere Grenzwellenlänge der an das
Optikwellenlängen-Wandlergerät angelegten Fundamentalen (Grundschwingung)
mit 900 nm ausgewählt. Falls die Wellenlänge der Fundamentalen
mehr als 4000 nm beträgt, wird angenommen, daß die Wellenlänge
mit dem Vibrationsniveau der PRA-Moleküle interferiert und die
Grundwellenlänge deshalb durch die PRA-Moleküle absorbiert
wird. Nach der vorliegenden Erfindung wird deswegen die obere
Grenzwellenlänge der Grundwelle zu 4000 nm ausgewählt.
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Ein Phasenanpaß-Verfahren für einen biaxialen Kristall wird
im einzelnen in dem genannten Aufsatz von Yao u.a.
beschrieben. Insbesondere wird angenommen, daß, wie in Fig. 13
gezeigt, der Winkel zwischen den Wellen-Normalen und der
optischen Achse Z des Kristalls φ betragt und der Winkel von der
X-Achse in der X-Y-Ebene θ. Es wird auch angenommen, daß
die Brechungsindices für die Grundwelle und eine zweite
Harmonische, die bei den erforderlichen Winkeln angelegt wird,
dargestellt werden durch nω bzw. n2ω und die
Brechungsindices für die Grundwelle und die zweiten Harmonischen bei den
jeweiligen Achsen bezeichnet werden durch
nωx, nωy, nωz, n²ωx, n²ωy,
bzw n&sub2;ωz. Wenn
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kx = sin φ cos θ
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ky = sin φ cos θ
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kz = cos φ,
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Die Lösungen für die vorstehenden Gleichungen (1-1), (1-2)
sind die Phasenanpaß-Bedingungen
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Wenn
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dann werden die Lösungen für die Gleichungen (1-1), (1-2)
wie folgt gegeben:
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(wenn i = 1, ist das Doppelvorzeichen +, und wenn i = 2, ist
das Doppelvorzeichen -)
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Die Phasenanpaß-Bedingung für Typ I ist
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nω,&sub2; = n2ω,&sub1; (1-3)
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Die Phasenanpaß-Bedingung für Typ II ist
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1/2 (nω,&sub1; + nω,&sub2;) = n2ω,&sub1;,
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Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Phasenanpassung vom
Typ I erreicht, wenn die der Gleichung (3) genügenden Winkel
φ, θ existieren.
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Im Interesse der Kürze wird der Fall mit φ = 90º
nachstehend beschrieben. Bei der in Fig. 4 gezeigten PRA besteht
die Beziehung nx < nz < ny jederzeit im Wellenlängenbereich von
900 bis 4000 nm. Dementsprechend kann die
Winkelphasen-Anpassung erzielt werden durch Anlegen der Grundwelle, deren
Polarisationsebene in einer Zwischenrichtung zwischen den
Richtungen der X- und der Y-Achse geneigt ist und auch dadurch, daß
ein auf die Fundamentale bezogener Zwischen-Brechungsindex nxy
zwischen den Brechungsindices nx, ny mit einem auf die zweite
Harmonische bezogenen Brechungsindex nz in Übereinstimmung
gebracht wird. Das heißt
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n²ωz = nωxy ... (1)
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Unter der Annahme, daß der Winkel der X-Achse in der
X-YEbene θ ist, wird die tolgende Gleichung erhalten:
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Wenn die Grundwellenlänge 950 nm ist, werden die
Brechungsindices nx, ny aus Fig. 4 als 1,521 bzw. 1,775 erhalten. Der
Brechungsindex nz für die Wellenlänge 475 nm, der Hälfte der
Grund-Wellenlänge, wird als 1,775 erhalten. Der Winkel θ, der
die vorstehenden Formeln (1) und (2) mit diesen Brechungsindex-
Werten erfüllt, beträgt etwa 0º. Die Beziehungen zwischen den
Brechungsindices nωx, nωxy und n²ωz sind in diesem Falle in
Fig. 5 gezeigt.
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Wenn die Grundwellenlänge 1200 nm beträgt, werden die
Brechungsindices nx, ny aus Fig. 4 zu 1,519 bzw. 1,767
erhalten. Der Brechungsindex nz für die Wellenlänge 600 nm wird
zu 1,775 erhalten. Der Winkel θ, der die vorangehenden
Formeln (1) und (2) mit diesen Brechungsindex-Werten erfüllt,
beträgt etwa 22º. Da in gleicher Weise die Brechungsindices
für die Grund-Wellenlängen von 1200 nm und 4000 nm im
wesentlichen gleich bleiben, existiert notwendigerweise der Winkel
θ, der die Gleichungen (1), (2) erfüllt. Die Beziehung
zwischen nωx, nωxy und n²ωz ist für diesen Fall in Fig. 6
gezeigt. Der Winkel θ kann in Abhängigkeit von der Temperatur
des PRA-Kristalls mit dem Wert von etwa 3º angegeben werden.
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Deswegen existiert mit der Annahme, daß die untere
Grenz-Wellenlänge für die Winkelphasen-Anpassung sich in Abhängigkeit
von der Temperatur des PRA-Kristalls um 50 nm ändert, der
Winkel θ, der eine Phasenanpassung vom Typ I erreichen kann,
notwendigerweise in einem Grund-Wellenlängenbereich von etwa
900 bis 4000 nm. In gleicher Weise existiert eine Kombination
der Winkel θ, φ, die eine Phasenanpassung des Typs I erreichen
kann, im Grund-Wellenlängenbereich von etwa 900 bis 4000 nm mit
Bezug auf einen bestimmten Winkel von φ nicht nur im Fall von φ
= 90º, wodurch es möglich wird, eine zweite Harmonische aus
Grund-Wellenlängen in einem solchen Wellenlängenbereich zu
erzeugen.
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Das Spektrum des durch eine dünne PRA-Schicht mit einer Dicke
von 200 um durchgelassenen Lichts wird in Fig. 8 dargestellt.
Wie in Fig. 8 gezeigt, absorbiert PRA nicht viel Licht in der
Umgebung der Wellenlänge von 400 nm. Deswegen kann das
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät aus einem massiven PRA-Kristall mit
hohem Wirksamkeit eine zweite Harmonische in einem blauen
Bereich erzeugen.
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Nach der vorliegenden Erfindung umfaßt weiterhin ein
Optikwellenlängen-Wandlermodul ein Optikwellenlängen-Wandlungsgerät vom
Fasertyp und ein Lichtquellengerät. Das
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät enthält einen Kern, der aus einem Einkri-stall des
vorstehend beschriebenen PRA hergestellt ist. Das PRA des Kerns
besitzt eine solche Kristallausrichtung, daß die c-Achse sich
im wesentlichen längs der Kernachse erstreckt. Das
Lichtquellengerät legt an das Optikwellenlängen-Wandlungsgerät eine
Grundwelle an, die in Richtung der a-Achse oder der b-Achse des
Kristalls, die beide senkrecht zur c-Achse stehen, linear
polarisiert ist.
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Wie vorstehend beschrieben, ist PRA in der
JP-Offenlegungsschrift 62-210432 geoffenbart. Bei dem tatsächlichen Aufbau
eines Faser-Optikwellenlängen-Wandlungsgerät mit PRA war es
nicht bekannt, wie eine Kristallorientierung und die
Polarisationsrichtung der an das Optikwellenlängen-Wandlungsgerät
anzulegenden Grundwelle auszuwählen ist, um einen höheren
Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrad zu erhalten.
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Die Prinzipien nach der vorliegenden Erfindung zum Erzielen
eines höheren Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrades durch
Auswählen der Kristallausrichtung eines nichtlinearen optischen
Materials und der Richtung, in der eine Grundwelle linear zu
polarisieren ist, wird nachstehend beschrieben.
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Wie aus der vorher gegebenen Tabelle der nichtlinearen
Optikkonstanten ersehen werden kann, haben die Optikkonstanten d&sub3;&sub2;,
d&sub3;&sub3; Und d24 große Werte. Insbesondere sind die Werte von d&sub3;&sub2;, d&sub2;&sub4;
so groß, daß sie in die Nähe einer nicht linearen Optikkonstante
von 600 x 10&supmin;&sup9; esu von MNA und einer nichtlinearen
Optikkonstante von 200 x 10&supmin;&sup9; esu von NPP kommen (wie vorstehend
beschrieben, ist es schwierig, MNA- oder NPP-Kristalle in Faser-
Optikwellenlängen-Wandlungsgerätes so zu orientieren, daß die
großen nichtlinearen Optikkonstanten von MNA und NPP
tatsächlich ausgenutzt werden können). Wie in Fig. 4 gezeigt, wird
beim Einfüllen eines Kerns 111 aus PRA in eine Umhüllung 112
zur Bildung eines Faser-Optikwellenlängen-Wandlungsgerätes 110
der PRA-Kristall so ausgerichtet, daß seine c-Achse (die
optische X-Achse) sich in Richtung der Kernachse erstreckt (das
kann durch das später zu beschreibende Verfahren erzielt
werden). Die genannten großen nichtlinearen Optikkonstanten
d&sub3;&sub2;, d&sub3;&sub3; können dann benutzt werden durch Anlegen einer
Grundwelle, die in Richtung der a-Achse (der optischen Z-Achse) oder
der b-Achse (der optischen Y-Achse) des Kristalls linear
polarisiert ist, an das optische Wellenlängen-Wandlungsgerät 110.
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Um die nichtlinearen Optikkonstante d&sub2;&sub4; auszunützen ist es
notwendig, sowohl Y- wie Z-polarisierte Grundwellen an das
Faser-Optikwellenlängen-Wandlungsgerät anzulegen. Es ist
deswegen infolge der Brechungsindex-Anisotropie des PRA
schwierig, zur höheren Wirksamkeit einen Einzelmodus zu
erhalten. Wenn die Y- oder Z-polarisierte Grundwelle an das
Faser-Optikwellenlängen-Wandlungsgerät angelegt wird, kann
andererseits ein Einzelmodus zur höheren Wirksamkeit in
genügender Weise erreicht werden.
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Fig. 5 zeigt ein Durchlaßspektrum von PRA in einem
Lösungsmittel (Konzentration 4 x 10-4 mol/l, Lösungsmittel:
Ethanol). Wie in Fig. 5 dargestellt, absorbiert PRA nicht viel
Licht in der Umgebung der Wellenlänge von 400 nm. Deswegen
ist das Optikwellenlängen-Wandlungsgerät mit PRA als
Kernmaterial fähig, höchst wirksam eine zweite Harmonische in einem
blauen Bereich zu erzeugen.
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Die vorstehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus der
nachfolgenden Beschreibung, in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen genommen, in welchen bevorzugte Ausführungen der
vorliegenden Erfindung als illustrative Beispiele gezeigt
sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Gerätes
zum Ausfuhren des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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Fig. 2A , 2B und 2C sind Schaubilder, welche
Kristallstrukturen von PRA längs der b-, c- bzw. a-Achse zeigen;
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Fig. 3 ist eine Ansicht der Massivkristallstruktur des
PRA;
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Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der
Wellenlängendispersion der Brechungsindices der PRA;
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Fig. 5, 6 und 7 sind graphische Darstellungen zur
Erklärung der Winkelphasen-Anpassung zwischen einer Grundwelle
und einer zweiten Harmonischen bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren;
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Fig. 8 ist eine graphische Darstellung eines
Durchlaßspektrums einer dünnen PRA-Schicht;
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Fig. 9 ist eine schematische Ansicht eines
Optikwellenlängen-Wandlermoduls nach einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 10 ist eine Ansicht, welche die
Kristallorientierung des Kerns eines Optikwellenlängen-Wandlungsgerätes
zeigt, welches den erfindungsgemäßen
Optikwellenlängen-Wandlermodul bildet;
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Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, die ein
Durchlaßspektrum von PRA in einem Lösungsmittel zeigt;
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Fig. 12 ist eine Ansicht, die einen Herstellvorgang
für das Optikwellenlängen-Wandlungsgerätes zeigt, welches den
erfindungsgemäßen Optikwellenlängen-Wandlermodul bildet;
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Fig. 13 ist ein Schaubild, das einen zwischen einer
Laufrichtung der Grundwelle und einer optischen Achse Z
gebildeten Winkel φ und einem zwischen der Polarisationsebene
der Grundwelle und einer optischen Achse gebildeten Winkel
θ zeigt; und
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Fig. 14 ist eine graphische Darstellung von
Kombinationen der Winkel φ, θ.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
< Erste Ausführung>
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Fig. 1 zeigt ein Gerät zum Wandeln einer Fundamentalen in eine
zweite Harmonische mit einer Wellenlänge, die ½ der
Grund-Wellenlänge bildet, nach einem Verfahren der vorliegenden
Erfindung. Zunächst wird nachfolgend ein Vorgang zur Herstellung
eines Optikwellenlängen-Wandlungsgeräts 10 beschrieben. Das
Gerät 10 kann durch das übliche Bridgman-Verfahren hergestellt
werden. Zuerst wird PRA im geschmolzenen Zustand in eine
entsprechende Form gegossen und dann rasch abgekühlt, so daß
das PRA polykristallin wird. Danach wird das PRA allmählich aus
einem Ofen, der bei einer höheren Temperatur (z.B. 105ºC) als
der PRA-Schmelzpunkt von 102ºC gehalten wird, in einen
Außenraum gezogen, der bei einer tieferen als der Schmelztemperatur
gehalten wird, um dadurch das im geschmolzenen Zustand
befindliche PRA kontinuierlich an dem Ort in einen Einkristall zu
verwandeln, an dem es aus dem Ofen herausgezogen wird. Das PRA
bildet bei dem Herausziehen aus dem Ofen über einen Bereich von
50 mm oder mehr einen Einkristall und ergibt so PRA mit
gleichförmiger Kristallausrichtung. Damit wird das so ausgebildete
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 10 ausreichend lang. Da die
Wellenlängen-Wandlungswirksamkeit des
Optikwellenlängen-Wandlungsgerätes dieses Typs proportional zum Quadrat der Länge des
Gerätes ist, wie dem Fachmann bekannt, nimmt der praktische
Wert des Geräts zu mit der Länge mit der das Optikwellenlängen-
Wandlungsgerät hergestellt werden kann.
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Der so erzeugte PRA-Einkristall wird in der die optische Y-
und Z-Achse (b- bzw. a-Achse des Kristalls) enthaltenden Y/Z-
Ebene in einer Dicke von 2mm in Richtung der X-Achse (der
c-Achse des Kristalls) aufgeschnitten, um so das
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 10 vom Massiv-Einkristall-Typ zu
schaffen.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine Grundwelle 15 an das
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 10 angelegt. Bei der in Fig. 1
gezeigten Ausführung wird ein YAG-Laser 11 als Lichtquelle
zum Aussenden einer Grundwelle benutzt. Ein von dem YAG-Laser
11 ausgesendeter (Grund-)Laserstrahl 15 mit einer Wellenlänge
von 1064 nm wird an das Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 10
angelegt. Dabei wird die Grundwelle 15 so angelegt, daß die
Wellen-Senkrechten 15º von der X-Achse gegen die Y-Achse
geneigt sind. Der Winkel von 15º wird bestimmt nach den Formeln
(1) und (2) aufgrund der Wellenlängen-Dispersion bei den
Brechungsindices nx, ny und nz. Die Beziehung zwischen nωx,
nωy, nωxy und n²ωx für diesen Fall ist in Fig. 7 dargestellt.
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Die an das Optik-Wellenlängen-Wandlungsgerät 10 aus PRA
angelegte Grundwelle 15 wird in eine zweite Harmonische 15' mit
einer Wellenlänge gewandelt, die ½ (= 532 nm) der
Wellenlänge der Grundwelle 15 beträgt. Deshalb wird ein Strahl, der
ein Gemisch aus der zweiten Harmonischen 15' und der
Grundwelle 15 ist, aus dem Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 10
emittiert. Der emittierte Strahl wird durch ein
Bandpaßfilter 13 hindurchgeleitet, das den Durchtritt der zweiten
Harmonischen 15' von 532 nm zuläßt und die Grundwelle 15 mit
1064 nm absorbiert. Aus diesem Grund wird nur die zweite
Harmonische 15' zur Verwendung extrahiert. Es wurde bestätigt,
daß die zweite Harmonische 15' ein Z-polarisiertes Licht
ist. Bei dieser Ausführung wird deswegen die vorige Formel
(1) erfüllt, um eine Phasenanpassung zwischen der Grundwelle
15 und der zweiten Harmonischen 15' zu erreichen. Die
nichtlineare optische Konstante d&sub3;&sub2; mit hohem Wert wird
ausgenutzt.
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Während der Fall mit φ = 90º beschrieben wurde, existiert nicht
nur φ = 90º, sondern auch andere Winkel θ, φ, die eine
Phasenanpassung erreichen können, wie in Fig. 14 gezeigt.
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Als ein Vergleichsbeispiel wurde ein massiver Einkristall
aus LiNbO&sub3; mit einer Dicke von 2 mm hergestellt und ein YAG-
Laserstrahl als Grundwelle mit dem gleichen Gerät, wie es in
Fig. 1 gezeigt ist, angelegt, um eine zweite Harmonische zu
emittieren. Die zweite Harmonische 15' (nach Durchlauf durch
das Bandpaßfilter 13), die bei diesem Vergleichsbeispiel und
der vorigen Ausführung erzeugt wurde, wurden auf
Lichtintensität untersucht. Es hat sich gezeigt, daß die Lichtintensität
der in der Ausführung erzeugten zweiten Harmonischen höher war
als die des Vergleichsbeispiels, und zwar um eine Größenordnung
oder mehr.
< Zweite Ausführung>
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Ein PRA-Massiv-Einkristall wurde in der gleichen Weise wie
bei der ersten Ausführung hergestellt. Ein von einem optischen
Verbindungs-Halbleiterlaser mit einer Ausgangsleistung von
etwea 100 mW emittierter Laserstrahl mit einer Wellenlänge von
1300 nm wurde als Grundwelle an den Massiv-Einkristall
angelegt, wobei die für eine Phasenanpassung erforderliche Winkel
θ, φ ausgewählt wurden. Als Ergebnis wurde eine zweite
Harmonische mit einer Ausgangsleistung von etwa 0,1 uW und einer
Wellenlänge von 650 nm erhalten. Insoweit, als eine zweite
Harmonische aus einer Grundwelle mit sehr geringer Leistung
erzeugt werden konnte, wurde bewiesen, daß der Wellenlängen-
Wandlungswirkungsgrad des Kristalls ausreichend hoch ist.
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Da mit dem Optikwellenlängen-Wandlungsverfahren nach der
vorliegenden Erfindung Winkelphasen-Anpassung zwischen der
Grundwelle und der zweiten Harmonischen durch angemessene Auswahl
der Polarisationsrichtung der an dem PRA-Kristall anzulegenden
Grundwelle erreicht werden kann, können die hohen nichtlinearen
Optikkonstanten des PRA tatsächlich in dem nichtlinearen
Massivkristall-Optikmaterial für einen hohe
Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrad ausgenützt werden. Insoweit PRA eine
Absorptionskante in der Nähe von 400 nm besitzt, kann eine zweite
Harmonische in einem blauen Bereich wirksam durch das
erfindungsgemäße Verfahren extrahiert werden, das den massiven
PRA-Einkristall benutzt.
< Dritte Ausführung>
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Fig. 9 zeigt einen Optikwellenlängen-Wandlermodul nach einer
dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der
Optikwellenlängen-Wandlermodul umfaßt ein
Faser-Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 110 und ein Lichtquellengerät 120 zum Anlegen einer
Grundwelle an das Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 110.
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Ein Verfahren zum Herstellen des
Optikwellenlängen-Wandlungsgerätes 110 wird nachfolgend beschrieben. Eine hohle
Glasfaser 112', die als Umhüllung 112 dient, wird vorgesehen,
wobei die hohle Glasfaser 112' beispielsweise aus SFS3-Glas
hergestellt wird mit einem Außendurchmesser von etwa 100 um
und einem Durchmesser des hohlen Innenraums von 6 um. Wie in
Fig. 12 gezeigt, wird PRA in einem Ofen oder dergleichen als
eine Schmelzlösung 111' gehalten, und ein Ende der
Glasfaser 112' wird in die Schmelzlösung 111' eingetaucht. Dann
tritt die PRA-Schmelzlösung 111' infolge der Kapillarwirkung in
den Hohlraum in der Glasfaser 112' ein. Die Schmelzlösung 111
wird auf einer Temperatur etwas über dem Schmelzpunkt 102ºC von
PRA gehalten, um eine Zersetzung dieses Materials zu
verhindern. Danach wird die Glasfaser 112' rasch abgekühlt, um das
PRA in dem Hohlraum polykristallin erstarren zu lassen.
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Dann wird die optische Faser 112' allmählich aus dem Ofen
herausgezogen, der auf der etwas höher als der Schmelzpunkt
von PRA liegenden Temperatur (z.B. 112,5ºC) gehalten bleibt,
in einen Außenraum, der auf einer tieferen Temperatur als
dem Schmelzpunkt gehalten wird, um dadurch das PRA in dem
geschmolzenen Zustand kontinuierlich einkristallin an der Stelle,
an der es aus dem Ofen gezogen wird, erstarren zu lassen. Das
aus dem Ofen herausgezogene PRA ist in einem Bereich von 50 mm
oder mehr einkristallin erstarrt und bildet so den Kern 111 mit
einer gleichmäßigen Kristallorientierung. So ist das auf diese
Weise gebildete Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 112
ausreichend lang. Da der Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrad des
Optikwellenlängen-Wandlungsgerätes dieses Typs, wie dem Fachmann
bekannt, proportional zur Länge des Gerätes ist, wird der
praktische Wert des Gerätes umso höher, je länger das
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät
ist.
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Bei dem in einem monokristallinen Zustand in der Glasfaser
112 eingehüllten PRA ist die Kristallorientierung so, daß die
c-Achse (die optische X-Achse) sich längs der Kernachse
erstreckt, wie in Fig. 10 dargestellt.
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Um das PRA auf die vorher beschriebene Weise monokristallin
erstarren zu lassen, kann ein Verfahren ausgeführt werden,
das einen Bridgman-Ofen benutzt, wie in der
JP-Offenlegungsschrift 62-231945 z.B. beschrieben. Die Glasfaser 112'
sollte beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/h
abgezogen werden.
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Nachdem der Kern 111 in die Glasfaser 112' gefüllt wurde,
werden die einander gegenüberliegenden Enden der Glasfaser 112'
entsprechend abgeschnitten, um das
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 110 mit einer Länge von 10 mm fertigzustellen. Das
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 110 wird mit dem
Lichtquellengerät 112 kombiniert und dadurch der in Fig. 9 gezeigte
Optikwellenlängen-Wandlermodul aufgebaut. In der dargestellten
Ausführung wird ein Halbleiterlaser 121 als Lichtquelle zum
Emittieren einer Grundwelle benutzt. Ein von dem
Halbleiterlaser 121 ausgesendeter Laserstrahl (Grundwelle) 115 mit einer
Wellenlänge von 820 nm wird durch eine Kollimatorlinse 122 in
einen Parallelstrahl gewandelt, der dann durch ein
anamorphotisches Prismenpaar 123 und eine λ/2-Platte 125 hindurchtritt.
Der Laserstrahl wird danach durch eine Kondensorlinse 126 zu
einem Strahlfleck konvergiert, der auf die Eintritts-Endfläche
110a des Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 110 aufgebracht
wird, woraufhin die Grundwelle 115 in das Optik-Wellenlängen-
Wandlungsgerät 10 eintritt. Wie vorstehend beschrieben, besitzt
das PRA, aus dem der Kern 111 besteht, eine solche
Kristallausrichtung, daß die X-Achse sich längs der Kernachse erstreckt.
In der Ausführung wird die Grundwelle 115, die in einem
Y-polarisierten Zustand ist, auf das Optikwellenlängen-Wandlungsgerät
110 aufgebracht unter Drehen der λ/2-Platte 125 des
Lichtquellengerätes 120.
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Die in das Optikwellenlängen-Wandlungsgerät 110 eingetretene
Grundwelle 115 wird dann durch das PRA-Material, aus dem der
Kern 111 besteht, zu einer zweiten Harmonischen 115'mit einer
Wellenlänge (410 nm) gewandelt, die halb so groß wie die der
der Grundwelle 115 ist. Die zweite Harmonische 115' schreitet
durch das Gerät 110 fort unter wiederholter Totalreflektion
zwischen den Außenflächen der Umhüllung 112, um eine
Phasenanpassung zwischen einem geführten Modus, in welchem die
Grundwelle 115 durch den Kern geführt wird, und einem
Strahlungsmodus, in dem die zweite Harmonische 115' in die Umhüllung 112
ausgestrahlt wird, zu erreichen (sog. "Tscherenkow-Strahlung").
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Ein Strahl 115", der ein Gemisch aus der zweiten Harmonischen
115' und der Grundwelle 115 ist, wird aus einer
Austritts-Endfläche 110b des Optikwellenlängen-Wandlungsgerätes 110
emittiert. Der emittierte Strahl 115' wird durch eine
Kondensorlinse 127 konvergiert und dann durch ein Bandpaßfilter 128
geleitet, welches ein Durchleiten der zweiten Harmonischen 115'
mit 410 nm gestattet, während es die Grundwelle 115 mit 820 nm
absorbiert. Deshalb wird nur die zweite Harmonische 115' zur
Verwendung extrahiert. Es wurde unter Benutzung einer
Polarisationsplatte bestätigt, daß die zweite Harmonische 115'
Z-polarisiertes Licht war. Bei dieser Ausführung wird deshalb eine
nichtlineare optische Konstante d&sub3;&sub2; der PRA benutzt. Die
Lichtintensität der zweiten Harmonischen 115' wurde mit einem
Lichtleistungsmeter gemessen, um den
Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrad herauszufinden. Dieser
Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrad betrug etwa 1% bei einer Eingangsenergie von 1 W.
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Die Brechungsindices des Kerns 111 aus PRA und der Umhüllung
112 aus SFS3-Glas, jeweils bezogen auf die Grundwelle (λ =
820 nm) und die zweite Harmonische (λ = 410 nm) sind in der
nachstehenden Tafel angegeben. Für den Kern 111 sind die
Brechungsindices nx, ny, nz in Richtung der X-, Y- bzw.Z-Achse
gezeigt.
Hülle
Kern
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Aus der vorstehenden Tabelle ist zu sehen, daß nHüll < ny für die
Grundwelle von 820 nm,und die Wellenleitungs-Bedingungen
erfüllt werden.
< Vierte Ausführung>
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Ein Optikwellenlängen-Wandlungsgerät umfaßt eine Hülle aus
Glasfaser aus SFS8-Glas und einen Kern aus PRA, und das
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät wird unter den gleichen
Bedingungen wie bei der zweiten Ausführung hergestellt. Auch
in dieser Ausführung ist der PRA-Kristall so orientiert, daß
seine c-Achse sich längs der Kernachse erstreckt.
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Ein Z-polarisierter YAG-Laserstrahl, der eine Wellenlänge von
1064 nm besaß, wurde als Grundwelle an das Optikwellenlängen-
Wandlungsgerät angelegt. Es wurde bestätigt, daß eine
Z-polarisierte zweite Harmonische erzeugt wurde. Bei dieser Ausführung
wird deshalb eine nichtlineare Optikkonstante d&sub3;&sub3; des PRA
benützt. Der Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrad betrug etwa 1%
für eine Eingangsenergie von 1W, wie bei der zweiten
Ausführung.
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Die Brechungsindices des Kerns und der Hülle bezüglich der
Grundwelle (λ = 1064 nm) und der zweiten Harmonischen (λ =
532 nm) sind folgende:
Hülle
Kern
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Für die Grundnwelle von 1064 nm gilt nHüll < nz und die
Wellenleitbedingungen sind erfüllt. Da nHüll < ny für die
Grundwelle von 1064 nm, wie vorstehend beschrieben, ist es auch
möglich, eine Y-polarisierte Grundwelle an das
Optik-Wellenlängen-Wandlungsgerät anzulegen, um eine nichtlineare optische
Konstante d&sub3;&sub2; des PRA auszunützen.
< Fünfte Ausführung>
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Ein Optikwellenlängen-Wandlungsgerät umfaßt eine Hülle aus
Glasfaser aus SFS10-Glas und einen Kern aus PRA, wobei das
Optikwellenlängen-Wandlungsgerät mit den gleichen Bedingungen
wie bei der zweiten Ausführung gefertigt wurde. Auch bei
dieser Ausführung ist der PRA-Kristall so orientiert, daß
sich die c-Achse längs der Kernachse erstreckt.
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Ein Z-polarisierter YAG-Laserstrahl mit einer Wellenlänge
von 1064 nm, wurde als Grundwelle an das Optikwellenlängen-
Wandlungsgerät angelegt. Es wurde bestätigt, daß eine
Z-polarisierte zweite Harmonische erzeugt wurde. In dieser
Ausführung wurde deshalb eine nichtlineare Optikkonstante d&sub3;&sub3;
des PRA benutzt. Der Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrad betrug
etwa 1% bei einer Eingangsleistung von 1W, wie bei der zweiten
Ausführung.
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Die Brechungsindices des Kerns und der Hülle mit Bezug auf
die Grund-Wellenlänge (λ = 1064 nm) und die zweite
Harmonische (λ = 532 nm) sind wie folgt:
Hülle
Kern
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Für die Grundwelle von 1064 nm gilt nHüll < ny und die
Wellenleitbedingungen sind erfüllt. Da nHüll < nz für die
Grundwelle von 1064 nm ist es nicht möglich, eine Z-polarisierte
Grundwelle an das Optikwellenlängen-Wandlungsgerät zur
Benutzung einer nichtlinearen Optikkonstante d&sub3;&sub3; des PRA anzulegen.
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Mit den Optik-Wellenlängen-Wandlungsmodulen nach der
vorliegenden Erfindung können, wie vorstehend beschrieben, sehr hohe
Wellenlängen-Wandlungswirkungsgrade erzielt werden, da die
hohen nichtlinearen Optikkonstanten, die PRA besitzt,
tatsächlich bei dem nichtlinearen Optikmaterial vom Fasertyp
ausgenützt werden, und das Optik-Wellenlängen-Wandlergerät eine
ausreichende Länge besitzen kann. Insoweit das PRA eine
Absorptionskante in der Nähe von 400 nm besitzt, wie
vorstehend beschrieben, kann der Optikwellenlängen-Wandlermodul
eine zweite Harmonische hochwirksam in einem blauen Bereich
extrahieren durch Benutzung eines Laserstrahls von 800 nm
als Grundwelle.
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Wenn auch bestimmte bevorzugte Ausführungen gezeigt und
beschrieben worden sind, ist doch zu verstehen, daß viele
Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne vom
Bereich der angefügten Ansprüche abzuweichen.