DE3889029T2

DE3889029T2 - Intrakavität-Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung durch optische Mischung.

Info

Publication number: DE3889029T2
Application number: DE3889029T
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: 1987-07-27
Filing date: 1988-07-26
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2008-07-27
Also published as: CA1289231C; KR890003074A; JP2657525B2; US4879723A; DE3889029D1; EP0301803B1; ATE104479T1; EP0301803A3; EP0301803A2; JPS6482582A

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung einer kohärenten optischen Strahlung innerhalb des optischen Hohlraums eines Lasers durch optisches Mischen. Sie bezieht sich insbesondere auf die Verwendung von Festkörper-Komponenten in einem solchen Verfahren.

Hintergrund der Erfindung

Ein Laser ist eine Einrichtung, welche die Fähigkeit hat, monochromatisches, kohärentes Licht zu erzeugen durch stimulierte Emission von Photonen aus Atomen, Molekülen oder Ionen eines aktiven Mediums, die durch Zuführung von Energie von einem Grundzustand auf ein höheres Energieniveau angeregt worden sind. Eine solche Einrichtung enthält einen optischen Hohlraum oder Resonator, der begrenzt ist durch stark reflektierende Oberflächen, die einen geschlossenen runden Wanderungsweg für das Licht bilden, und das aktive Medium ist innerhalb des optischen Hohlraums enthalten.
Wenn durch Anregung des aktiven Mediums eine Besetzungsumkehr erzeugt wird, kann die spontante Emission eines Photons aus einem angeregten Atom, Molekül oder Ion, das in einen niedrigeren Energiezustand übergeht, die Emission von Photonen mit einer identischen Energie aus anderen angeregten Atomen, Molekülen oder Ionen stimulieren. Als Folge davon erzeugt das anfängliche Photon eine Kaskade von Photonen zwischen den reflektierenden Oberflächen des optischen Hohlraums, die alle eine identische Energie haben und genau in Phase sind. Ein Teil dieser Photonenkaskade wird dann durch eine oder mehr der refletierenden Oberflächen des optischen Hohlraums entladen.
Die Anregung des aktiven Mediums eines Lasers kann nach verschiedenen Verfahren erzielt werden. Die meisten üblichen Verfahren sind jedoch das optische Anregen (Pumpen), die Anwendung einer elektrischen Entladung und das Hindurchfließenlassen eines elektrischen Stromes durch den p-n-Zonenübergang eines Halbleiter-Lasers. Halbleiter- Laser enthalten einen p-n-Zonenübergang (Störstellenübergang), der eine Diode bildet, und dieser Übergang fungiert als das aktive Medium des Lasers. Solche Einrichtungen, die auch als Laser-Dioden bezeichnet werden, werden in der Regel hergestellt aus Materialien, wie Galliumarsenid und Aluminium-Galliumarsenid-Legierungen. Der Wirkungsgrad dieser Laser in bezug auf die Umwandlung von elektrischer Energie in Output-Strahlung ist verhältnismäßig hoch und er kann beispielsweise mehr als 40 % betragen.
Die Verwendung von Blitzlichtlampen, Licht emittierenden Dioden, Laser-Dioden und Laser-Dioden-Gruppen zum optischen Pumpen oder Anregen eines laseraktiven festen Materials ist an sich bekannt. Laseraktive Materialien, wie sie üblicherweise in solchen Festkörper-Lasern verwen det werden, umfassen kristalline oder glasartige Wirtsmaterialien, denen ein aktives Material, z.B. trivalente Neodym-Ionen, einverleibt worden ist. Detaillierte Zusammenfassungen von konventionellen kristallinen laseraktiven Materialien sind zu finden in "CRC Handbook of Laser Science and Technology", Band I, M.J. Weber, Ed., CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1982, S. 72-135, und in "Laser Crystals", Band 14 der Springer Series in Optical Sciences, D.L. MacAdam, Ed., Springer-Verlag, New York, N.Y., 1981. Zu Beispielen für konventionelle Wirtsmaterialien für das Neodvm-Ion gehören Glas, Yttriumaluminiumgranat (Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2;, auch als YAG bezeichnet), YAlO&sub3; (auch als YALO bezeichnet) und LiYF&sub4; (auch aus YLF bezeichnet). Wenn beispielsweise ein mit Neodym dotierter YAG als laseraktives Material in einem optisch angeregten (aufgepumpten) Feststoff-Laser verwendet wird, wird er in der Regel angeregt (aufgepumpt) durch Absorption von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 808 nm und er emittiert Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm.
In dem US-Patent Nr. 3 624 545 von Ross (publiziert am 30. November 1971) ist ein optisch angeregter (aufgepumpter) Feststoff-Laser beschrieben, der beseht aus einem YAG-Stab, der durch mindestens eine Halbleiter-Laser-Diode Seiten-angeregt worden ist. In dem US-Patent Nr. 3 753 145 von Chesler (publiziert am 14. August 1973) ist die Verwendung einer oder mehrerer Licht emittierender Halbleiter-Dioden zum End-Anregen eines mit Neodym dotierten YAG- Stabes beschrieben. Die Verwendung einer Gruppe von pulsierten Laser-Dioden zum Anregen (Aufpumpen) eines festen laseraktiven Materials, wie eines mit Neodym dotierten YAG, ist in dem US-Patent Nr. 3 982 201 von Rosenkrantz et al. (publiziert am 21. September 1976) beschrieben. Schließlich berichtet D.L. Sipes in "Appl.Phys.Lett", Band 47, Nr. 2, 1985, S. 74-75, daß die Verwendung einer stark fokussierten Halbleiter-Laser-Dioden-Gruppe zum End-Anregen eines mit Neodym dotierten YAG zu einer hochwirksamen Umwandlung der Anregungsstrahlung mit einer Wellenlänge von 810 nm in eine Output-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm führt.
Materialien mit nicht-linearen optischen Eigenschaften sind an sich bekannt. So ist beispielsweise in dem US- Patent Nr. 3 949 323 von Bierlen et al. (publiziert am 6. April 1976) angegeben, daß Materialien mit der Formel MTiO(XO&sub4;), worin M mindestens ein Vertreter aus der Gruppe K, Rb, Tl und NH&sub4; ist und X mindestens ein Vertreter aus der Gruppe P oder As ist, mit der Ausnahme, daß X nur P darstellt, wenn M für NH&sub4; steht, nicht-lineare optische EIgenschaften aufweisen. Diese allgemeine Formel umfaßt Kaliumtitanylphosphat KTiOPO&sub4;, ein besonders vorteilhaftes nicht-lineares Material. Zu Beispielen für andere bekannte nicht-lineare optische Materialien gehören, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist, KH&sub2;PO&sub4; LiNbO&sub3;, KNbO&sub3;, β- BaB&sub2;O&sub4;, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5;, LiJO&sub3;, HJO&sub3;, KB&sub5;O&sub8;.4H&sub2;O, Kaliumlithiumniobat und Harnstoff. Eine Übersicht über die nicht-linearen optischen Eigenschaften einer Reihe von unterschiedlichen uniaxialen Kristallen wurde in "Sov. J. Quantum Electron.", Band 7, Nr. 1, Januar 1977, S. 1-13, veröffentlicht. Über nicht-lineare optische Materialien wird auch berichtet von S. Singh in "CRC Handbook of Laser Science and Technology", Band ITT, M.J. Weber, Ed., CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1986, S. 3-228.
Die nicht-lineare Natur der optischen Susceptibilität von nicht-linearen optischen Materialien ergibt einen Kupplungsmechanismus zwischen elektromagnetischen Wellen, die gleichzeitig das Material passieren und kann zur Erzeugung von Strahlung durch die Wechselwirkung zwischen diesen Wellen ausgenutzt werden.
Der hier verwendete Ausdruck "optisches Mischen" bezieht sich auf die Wechselwirkung (Interaktion) innerhalb eines nicht-linearen optischen Materials, zwischen zwei Lichtstrahlen mit den Frequenzen w&sub1; und w&sub2; zur Erzeugung von optischer Strahlung mit einer davon verschiedenen Frequenz. Wenn beispielsweise w&sub1; größer ist als w&sub2;, kann diese Wechselwirkung (Interaktion) zu einer optischen Strahlung mit der Summenfrequenz w&sub3; = w&sub1; + w&sub2; und mit der Differenz-Frequenz w&sub4; = w&sub1; - w&sub2; führen. Diese beiden Verfahren werden als Summenfrequenz-Erzeugung bzw. als Differenzfrequenz-Erzeugung bezeichnet. Die Aufwärts-Umwandlung (up-conversion) bezieht sich auf den speziellen Fall der Summenfrequenz-Erzeugung, wenn die Strahlung einer Frequenz, wie z.B. w&sub1;, viel stärker ist als diejenige von w&sub2;, und daher unterliegt sie keiner merklichen Änderung der Amplitude, wenn das optische Mischen erfolgt, wobei man eine optische Strahlung mit der Wellenlänge w&sub3; erhält. Das optische Mischen umfaßt auch Verfahren einer höheren Ordnung, wie z.B. w&sub5; = w&sub1; + 2w&sub2; und w&sub6; = 2w&sub1; - 2w&sub2;. Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung wird die optische Strahlung, die durch optisches Mischen erzeugt wird, allgemein als "optische Mischungs-Strahlung" bezeichnet.
Das wirksame optische Mischen innerhalb eines nicht- linearen optischen Materials ist in der Regel nicht möglich, es sei denn, daß die Wellen-Vektoren k&sub1;, k&sub2; und k&sub3; der miteinander in Wechselwirkung tretenden Wellen die Moment-Beibehaltungs-Gleichung oder die Phasen-Anpassungs- Bedingung erfüllen, die erfordert, daß
k&sub3; = k&sub1; + k&sub2;
Die Erfüllung dieser Phasenanpassungs-Bedingung ist nicht möglich in isotropen Kristallen mit einer normalen Dispersion, weil die Brechungsindices der drei unterschiedlichen Wellen notwendigerweise verschieden sind als Folge der Dispersion. Viele nicht-lineare optische Materialien weisen jedoch eine Anisotropie des Brechungsindex auf, die ausgenutzt werden kann, um die Phasenanpassungs- Bedingung für einen gewünschten Typ des optischen Mischens zu erfüllen.
Die Aufwärts-Umwandlung von infraroter Strahlung in Strahlung im sichtbaren und ultravioletten Bereich wurde bereits intensiv untersucht. Diese Untersuchungen beruhen in erster Linie darauf, daß man interessiert ist, diese Technik auszunutzen für den Nachweis und die Analyse von Infrarotstrahlung unter Anwendung der konventionellen und wirksamen Verfahren, die für Licht mit einer höheren Frequenz verfügbar sind. Da die aufwärts-umgewandelte Strahlung praktisch alle Informationen der Input-Infrarotstrahlung trägt, umfassen die potentiellen Anwendungen beispielsweise den Nachweis eines Infrarot-Signals, die Infrarot-Spektralanalyse und die Infrarot-Holographie.
Die Aufwärts-Umwandlung von Infrarotstrahlung wurde von E.S. Voronin et al. in "Sov. Phys. Usp.", Band 22, Nr. 1, S. 26-45 (Januar 1979), und J. Warner in "Difference Frequency Generation and Up-Conversion" in "Quantum Electronics", Band I, Nonlinear Optics, Teil B, H. Rabin und C.L. Tang, Ed., Academic Press, New York, S. 703-737 (1975), beschrieben. Eine theoretische Diskussion über den Infrarot-Nachweis durch Summenfrequenz-Bildung wurde auch veröffentlicht von D.A. Kleinman et al in "J. Appl. Phys.", Band 40, Nr. 2, S. 546-566 (Februar 1969).
Auf Seite 34 ihres obengenannten zusammenfassenden Artikels beschreiben E.S. Voronin et al. die Aufwärts-Umwandlung von Infrarot-Strahlung aus einem CO&sub2;-Laser innerhalb des Hohlraums eines YAG:Nd³&spplus;-Lasers unter Verwendung von Proustit als nicht-linearem optischem Material. Außerdem berichten E. Liu et al. in "Applied Optics", Band 21, Nr. 19, S. 3415-3416 (1. Oktober 1982) über die Erzeugung von Strahlung mit Wellenlängen in dem Bereich von 252 bis 268 nm durch Intraholraum-Summenfrequenz-Erzeugung in einem 90º Phasen-agepaßten-Temperatur-abgestimmten Ammoniumdihydrogenphosphat-Kristall von ausgewählten Output-Linien aus einem Argonionen-Laser und der Wanderungswelle in einem Rhodamin 110-Ring-Farbstoff-Laser. Außerdem ist in dem US-Patent Nr. 3 646 358 von Firester (publiziert am 29. Febr. 1972) die Aufwärts-Umwandlung einer Signal-Strahlung aus einer äußeren Quelle innerhalb des Hohlraums eines Lasers beschrieben, bei dem die Polarisation des Signal-Strahls orthogonal zu derjenigen des Anregungs-Strahls (Aufpumpstrahls) ist, der innerhalb des Laser-Hohlraums erzeugt wird. In dem Stand der Technik wurde bisher jedoch nicht auf die Möglichkeit hingewiesen, den Hohlraum eines Dioden-angeregten Feststoff-Lasers zu verwenden für die Summenfrequenz-Erzeugung oder die Strahlung aus einer Laser-Diode, einer Laser-Dioden-Gruppe oder aus einem Dioden-angeregten Feststoff-Laser zu verwenden für die Summenfrequenz-Erzeugung.
Die Differenzfrequenz-Erzeugung wurde in dem obengenannten Artikel in "Quantum Electronics", Band I, S. 735- 736, und von R.L. Aggarwal et al. in "Nonlinear Infrared Generation", Y.-R. Shen, Ed., Springer-Verlag, Berlin, S. 19-38 (1977), beschrieben.
Es gibt eine ständige Nachfrage nach wirksamen, kompakten und zuverlässigen Lasern, die in dem infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums arbeiten und in der Lage sind, Modulationsraten zu erzielen über den Bereich von 0 Hz bis zu mehr als 1 GHz über einen breiten Intensitätsbereich. Solche Einrichtungen wären nützlich für Anwendungszwecke, wie z.B. die optische Speicherung von Daten, Reprographien, die Spektroskopie und Kommunikationen. So erfordert beispielsweise die Speicherung von Daten auf optischen Scheiben (Platten) die Verwendung einer Quelle für kohärente Strahlung, die in einer Rate zwischen etwa 5 und etwa 20 MHz moduliert werden kann, und eine solche Strahlung ist erwünscht im sichtbaren oder ultravioletten Bereich des Spektrums, um die Datenspeicherung innerhalb eines gegebenen Bereiches zu maximieren. Außerdem wären kompakte kohärente Quellen für rotes, grünes und blaues Licht höchst attraktiv für Fernseh-Anwendungen, bei denen eine Quelle mit einer hohen Helligkeit erforderlich ist. Die Verwendung von drei derartigen Lasern anstelle der roten, grünen und blauen Elektronenstrahlerzeuger einer konventionellen Fernsehbildröhre würde zu einem Fernseh-Projektor mit einer hohen Helligkeit führenr der vorteilhaft wäre in Simulationssystemen und Fernsehsystemen mit großem Bildschirm. Laser- Dioden haben alle die obengenannten Fähigkeiten, mit Ausnahme einer - ihr Output liegt in einem beschränkten Teil des Infrarot-Bereichs des elektromagnetischen Spektrums bei Wellenlängen innerhalb des Bereiches von etwa 750 bis etwa 1600 nm.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen wirksamen, kompakten und zuverlässigen Laser, der im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums betrieben werden kann und in der Lage ist Modulationsraten über den Bereich von 0 Hz bis zu mehr als 1 GHz zu ergeben.
Es wurde nun gefunden, daß eine kohärente optische Strahlung (Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums) erzeugt werden kann durch optisches Mischen innerhalb eines Hohlraums unter Verwendung von Festkörper-Komponenten. Insbesondere wurde gefunden, daß das optische Mischen innerhalb des optischen Hohlraums eines Lasers durchgeführt werden kann durch Einführung von Input-Strahlung in den optischen Hohlraum, wobei (a) der Hohlraum derjenige eines Dioden-angeregten Festkörper-Lasers ist und/oder (b) die Input-Strahlung erzeugt wird durch eine Festkörper-Einrichtung, die ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Laser-Dioden, Laser-Dioden-Gruppen und Dioden-angeregten Festkörper-Lasern. Da die Frequenz der optischen Mischungs-Strahlung eine Funktion der Ausgangsfrequenzen ist, kann die Wellenlänge der Output-Strahlung bequem variiert werden über einen großen Teil des optischen Spektrums und über seinen gesamten sichtbaren Bereich, in dem lediglich verwendet werden unterschiedliche Laser-Dioden oder Laser-Dioden- Gruppen in Kombination mit einem wirksamen Seltenen Erdmetall-Übergang eines Dioden-angeregten Festkörper-Lasers. Außerdem behält die resultierende Vorrichtung im wesentlichen den Wirkungsgrad, die Zuverlässigkeit und die kompakte Größe ihrer Festkörper-Komponenten bei.
Eine Vorrichtung und Verfahren zur Ausführung der Erfindung sind in den Ansprüchen 1, 10, 16 und 25 beschrieben.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine leicht modulierte Quelle fuhr kohärente Strahlung zu schaffen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Festkörper-Einrichtung zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung durch optisches Mischen zur Verfügung zu stellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von kohärenter optischer Strahlung durch optisches Mischen bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verwendung von Laser-Dioden und Laser-Dioden-Gruppen bei der Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung durch optisches Mischen zu schaffen.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verwendung eines Dioden-angeregten Festkörper-Lasers bei der Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung durch optisches Mischen bereitzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 der Zeichnungen zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 der Zeichnungen zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 der Zeichnungen zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Während erfindungsgemäß viele Ausführungsformen möglich sind, sind in den Figuren 1 bis 4 vier spezifische Ausführungsforinen in schematischer Form dargestellt, wobei gilt, daß die Erfindung keineswegs auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt sein soll.
In der Fig. 1 wird eine optische Anregungsstrahlung (Pumpstrahlung) 1 aus einer optischen Anregungseinrichtung (Pumpeinrichtung) 2 und 3 mittels der Linse 4 auf dem laseraktiven Material 5 fokussiert, das einen geeigneten reflektierenden Überzug auf der Oberfläche 6 aufweist und in der Lage ist, durch das Licht aus den Anregungseinrichtun gen (Pumpeinrichtungen) (2 und 3) angeregt zu werden. Das durch Lasern aus dem laseraktiven Material 5 emittierte Licht wird von einem geeigneten Überzug auf einem 90º-Umlenkwinkel(Biegewinkel 7) wegreflektiert und durch das nicht-lineare optische Material 8 hindurch, das einen geeigneten reflektierenden Überzug auf der Oberfläche 9 aufweist. Die Laserwirkung durch das laseraktive Material 5 tritt in dem Resonator oder optischen Hohlraum auf, der durch die reflektierenden Überzüge auf dem Spiegel 7 und auf den Oberflächen 6 und 9 gebildet wird. Eine kohärente Input-Strahlung 10 aus der Strahlungsquelle 11, 12 wird mittels der Linse 13 auf der Oberfläche 9 des nicht-linearen optischen Materials 8 in der Weise fokussiert, daß die Überlappung zwischen der Input-Strahlung 10 und der durch Lasern des laseraktiven Materials 5 erzeugten Strahlung (Hohlraumstrahlung) maximiert wird. Das nicht-lineare optische Material 8 ist Phasen-angepaßt für das gewünschte optische Mischverfahren zwischen der Input-Strahlung 10 und der Hohlraumstrahlung, beispielsweise zur Summenfrequenz-Erzeugung. Die resultierende optische Mischungsstrahlung wird als Output-Strahlung 14 durch einen 90º-Umlenkspiegel 7 passieren gelassen.
Zu Beispielen für geeignete optische Anregungseinrichtungen (Pumpeinrichtungen) (2 und 3) gehören, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist, Laser-Dioden, Licht emittierende Dioden (einschließlich Superlumineszenz-Dioden und Superlumineszenz-Dioden-Gruppen) und Laser-Dioden-Gruppen, zusammen mit einer beliebigen Zusatz-Verpackung oder Zusatz-Strukturen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist unter dem Ausdruck "optische Anregungseinrichtung (optische Pumpeinrichtung)" irgendeine Wärmeabsorptionsquelle, ein thermoelektrischer Kühler oder eine Verpackung zu verstehen, die kombiniert ist mit den genannten Laser-Dioden, Licht emittierenden Dioden und Laserdioden-Gruppen. Diese Einrichtungen werden beispielsweise gemeinsam befesLigt an einem wärmebeständigen und elektrisch leitenden Kühlkörper (Wärmeverbraucher) und in ein Metallgehäuse verpackt. Zur Erzielung eines wirksamen Betriebs wird die Anregungsstrahlung 1, die von der optischen Anregungseinrichtung emittiert wird, zweckmäßig in Phase gebracht mit einer geeigneten Absorptionsbande des laseraktiven Materials 5. Obgleich die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, besteht eine sehr gut geeignete optische Anregungsquelle aus einer Gallium-Aluminiumarsenid-Laserdiode 3, die Licht mit einer Wellenlänge von etwa 810 nm emittiert, die an dem Kühlkörper 2 befestigt ist. Der Kühlkörper 2 kann einen passiven Charakter haben. Der Kühlkörper 2 kann jedoch auch einen thermoelektrischen Kühler oder eine andere Temperaturregeleinrichtung aufweisen, die dazu beiträgt, die Laserdiode 3 bei einer konstanten Temperatur zu halten und dadurch einen optimalen Betrieb der Laser-Diode 3 bei einer konstanten Wellenlänge zu gewährleisten. Es sei darauf hingewiesen, daß natürlich während des Betriebs die optische Anregungseinrichtung mit einer geeigneten Energiequelle verbunden ist. Elektrische Leitungen, die von der Laserdiode 3 ausgehen, die zu einer geeigneten Energiequelle führen, sind in Fig. 1 nicht dargestellt.
Die Linse 4 dient dazu, das Licht aus der Laser-Diode 3 auf dem laseraktiven Material 5 zu fokussieren. Diese Fokussierung resultiert in einer hohen Anregungsintensität und einem damit verbundenen hohen Photon-Photon-Umwandlungswirkungsgrad in dem laseraktiven Material 5. Es kann jede beliebige konventionelle optische Einrichtung zum Fokussieren von Licht anstelle der einfachen Linse 4 verwendet werden. So kann beispielsweise eine Gradientenindex- Linse, eine Kugellinse, eine asphärische Linse oder eine Kombination von Linsen verwendet werden Es sei jedoch bemerkt, daß die Linse 4 für die praktische Durchführung der Erfindung nicht wesentlich ist und daß die Verwendung einer solchen Fokussier-Einrichtung lediglich eine bevorzugte Ausführungsform darstellt.
Es kann jedes konventionelle laseraktive Material 5 verwendet werden, vorausgesetzt, daß es in der Lage ist, durch die ausgewählte optische Anregungseinrichtung optisch angeregt zu werden. Zu Beispielen für geeignete laseraktive Materialien gehören, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist, Feststoffe, die ausgewählt werden aus der Gruppe, die besteht aus glasartigen und kristallinen Wirtsmaterialien, die mit einem aktiven Material dotiert sind. Zu Beispielen für sehr gut geeignete aktive Materialien gehören, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist, Ionen von Chrom, Titan und Metallen der Seltenen Erden. Zu Beispielen für sehr gut geeignete laseraktive Materialien gehören ein mit Neodym dotierter YAG, ein mit Neodym dotiert YALO und ein mit Neodym dotierter YLF. Als spezifisches Beispiel ist ein mit Neodym dotierter YAG ein sehr gut geeignetes laseraktives Material für die Verwendung in Kombination mit einer optischen Anregungseinrichtung, die Licht mit einer Wellenlänge von etwa 810 nm liefert. Wenn er mit Licht dieser Wellenlänge angeregt wird, kann der mit Neodym dotierte YAG Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm emittieren.
In der Fig. 1 ist ein laseraktives Material 5 mit einer konvexen Input-Oberfläche 6 dargestellt. Diese konvexe Oberfläche dient dazu, die Resonatorstabilität zu verbessern und auch einen Output-Strahl aus dem laseraktiven Material 5 zu erzeugen, das ein optimiertes Mittelteil für das wirksame optische Mischen innerhalb des nicht-linearen optischen Materials 8 aufweist. Die konvexe Input-Oberfläche 6 ist jedoch nicht erforderlich. Die genaue geometrische Gestalt des laseraktiven Materials 5 kann stark variieren. So kann beispeilsweise das laseraktive Material 5 gewünschtenfalls stabförmig oder rhomboedrisch sein und gewünschtenfalls können linsenförmige Oberflächen verwendet werden. Eine Ausführungsform der Erfindung umfaßt nämlich die Verwendung einer Faser aus einem laseraktiven Material, die mittels der optischen Anregungseinrichtung am Ende angeregt wird. Zu Beispielen für für diesen Zweck sehr gut geeignete Fasern gehören, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist, optische Glasfasern, die mit Ionen eines Metalls der Seltenen Erden, wie Neodym, dotiert sind. Die Länge einer solchen Faser läßt sich leicht einstellen, so daß sie resultiert in der Absorption praktisch des gesamten Lichtes aus der optischen Anregungseinrichtung. Wenn eine sehr lange Faser erforderlich ist, kann sie beispielsweise auf eine Spule aufgewickelt sein, um die Gesamtlänge des erfindungsgemäßen Lasers minimal zu halten.
Das durch die Laserwirkung des laseraktiven Materials 5 emittierte Licht wird in das nicht-lineare optische Material 8 eingeführt, in dem es mit der kohärenten Strahlung 10 aus den Strahlungsquellen 11 und 12 in Wechselwirkung tritt. Durch eine geeignete Orientierung der Kristallstruktur des nicht-linearen optischen Materials 8 im Hinblick auf den optischen Weg der in Wechselwirkung tretenden optischen Strahlung (als "Phasenanpassung" bezeichnet) erfolgt ein wirksames optisches Mischen des gewünschten Typs. Außerdem kann die Phasenanpassung optimiert und kontrolliert (gesteuert) werden durch Einstellung und Kontrolle der Temperatur des nicht-linearen optischen Materials. So kann beispielsweise Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm aus einem mit Neodym dotierten YAG-laseraktiven Material 5 kombiniert werden in einem nicht-linearen optischen Material 8 mit Licht mit einer Wellenlänge von 808 nm aus den Strahlungsquellen 11 und 12 unter Bildung einer Summenfrequenz-Erzeugung von sichtbarem blauem Licht mit einer Wellenlänge von 459 nm. In diesem spezifischen Beispiel kann das nicht-lineare optische Material 8 Kaliumtitanylphosphat mit einer nichtkritischen Phasenanpassung vom Typ II sein (in dem θ und φ 90º betragen).
Die geometrische Gestalt des nicht-linearen optischen Materials 8 kann stark variieren. Es kann beispielsweise stabförmig oder rhomboedrisch sein und es kann gewünschtenfalls linsenförmige Oberflächen haben. Es sei auch darauf hingewiesen, daß jede beliebige nicht-lineare optische Komponente eine Erhitzungs- oder Kühleinrichtung umfassen kann, um die Temperatur des nicht-linearen optischen Materials zu kontrollieren (zu steuern) und dadurch die Phasenanpassung zu optimieren. Eine nicht-kritische Phasenanpassung ist in der Regel bevorzugt, wenn möglich, als Folge der Eliminierung einer Abwanderung.
Kaliumtitanylphosphat KTiOPO&sub4; ist ein sehr bevorzugtes nicht-lineares optisches Material. Es sei jedoch bemerkt, daß für die praktische Druchführung der Erfindung jedes beliebige nicht-lineare optische Material verwendet werden kann. Zu Beispielen für geeignete nicht-lineare optische Materialien genören, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist, KH&sub2;PO&sub4;, LiNbO&sub3;, KNbO&sub3;, β-BaB&sub2;O&sub4;, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5;, LiJO&sub3;, HJO&sub3;, KB&sub5;O&sub8;.4H&sub2;O, Kaliumlithiumniobat, Harnstoff und Verbindungen der Formel MTiO(XO&sub4;), worin M ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus K, Rb und Tl, und X ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus P und As.
Es ist natürlich klar, daß für die Strahlung mit zwei unterschiedlichen Frequenzen w&sub1; und w&sub2; die Phasenanpassungsbedingungen in der Regel verschieden sind für jeden Typ des optischen Mischverfahrens in einem gegebenen nicht-linearen optischen Material. Wenn beispielsweise w&sub1; größer ist als w&sub2;, sind die Phasenanpassungsbedingungen für die Summenfrequenz-Erzeugung (w&sub3; = w&sub1; + w&sub2;) in der Regel verschieden von denjenigen für die Differenz-Frequenz Erzeugung (w&sub4; = w&sub1; - w&sub2;), da w&sub3; und w&sub4; verschieden sind. Tatsächlich können zufriedenstellende Phasenanpassungsbedingungen und eine zufriedenstellende optische Transparenz für bestimmte optische Mischverfahren in einem gegebenen nicht-linearen optischen Material vorliegen, für andere jedoch nicht. Daher kann das gewünschte optische Mischverfahren erhalten werden durch Kontrolle (Steuerung) der Phasenanpassungsbedingungen. Die Verfahren und Kriterien zur Auswahl und Phasenanpassung der nicht-linearen optischen Materialien für ein gegebenes optisches Mischverfahren sind konventionell.
Die Linse 13 dient dazu, die Input-Strahlung 10 auf dem nicht-linearen optischen Material in der Weise zu fokussieren, daß die Erzeugung von Strahlung durch optischen Mischen optimiert wird. Es kann jede beliebige konventionelle optische Einrichtung für die Fokussierung von Licht anstelle einer einfachen Linse 13 verwendet werden. So kann beispielsweise eine Gradientenindex-Linse, eine Kugellinse, eine asphärische Linse oder eine Kombination von Linsen verwendet werden. Es sei jedoch bemerkt, daß die Linse 13 für die praktische Durchführung der Erfindung nicht wesentlich ist und daß die Verwendung einer solchen Fokussierungseinrichtung lediglich eine bevorzugte Ausführungsform darstellt.
Die Strahlungsquelle 11, 12 kann irgendeine beliebige Quelle für kohärente Strahlung sein. Zu bevorzugten Strahlungsquellen gehören jedoch beispielsweise Laser-Dioden und Laser-Dioden-Gruppen zusammen mit beliebigen Zusatz-Verpackungen oder -Strukturen. So werden beispielsweise diese Einrichtungen üblicherweise an einem wärmebeständigen und elektrisch leitenden Kühlkörper befestigt und in ein Metallgehäuse verpackt. Eine sehr geeignete Strahlungsquelle besteht aus einer Gallium-Aluminiumarsenid-Laer-Diode 12, die an dem Kühlkörper 11 befestigt ist. Der Kühlkörper 11 kann von passivem Charakter sein. Der Kühlkörper 11 kann aber auch einen thermoplastischen Kühler oder eine andere Temperaturregeleinrichtung umfassen, die dazu dient, die Laser-Diode 12 bei einer konstanten Temperatur zu halten und dadurch den optimalen Betrieb der Laser-Diode 12 bei einer einzelnen Wellenlänge zu gewährleisten. Es sei bemerkt, daß während des Betriebs der optischen Anregungseinrichtung diese natürlich mit einer geeigneten Energiequelle verbunden ist. Die elektrischen Leitungen von der Laser-Diode 12, die zur einer Energiequelle führen, sind in der Fig. 1 nicht dargestellt.
Es stehen konventionelle Laser-Dioden und Laser-Dioden-Gruppen zur Verfügung, die eine Output-Strahlung mit einer Wellenlänge über dem Bereich von etwa 750 bis etwa 1600 nm liefern und es kann jede beliebige derartige Einrichtung für die praktische Durchführung der Erfindung als Quelle für die Input-Strahlung 10 verwendet werden. Es können beispielsweise GaAlAs-Einrichtungen verwendet werden, die eine Strahlung in dem Wellenlängenbereich von etwa 750 bis etwa 900 nm ergeben, und es können TnGaAsP- Einrichtungen verwendet werden, die eine Strahlung in dem Wellenlängenbereich von etwa 1000 bis etwa 1600 nm ergeben. Mit einem solchen Bereich von Wellenlängen (750-1600 nm), der in Kombination mit Strahlung aus Seltenen Erdemtall-Laser-Übergängen in einem laseraktiven Material 5 (beispielsweise 1319 nm und 1064 nm aus Neodym-Übergängen) verwendet wird, kann die Output-Strahlung 14, die durch Summenfrequenz-Erzeugung gebildet worden ist, über den Bereich von etwa 440 bis über 650 nm hinaus variiert werden.
Eine Laser-Diode oder eine Laser-Dioden-Gruppe kann in der Regel auf einen Wellenlängenbereich von etwa 10 nm abgestimmt werden durch Einstellung und Kontrolle ihrer Betriebstemperatur. Wenn eine solche Einrichtung verwendet wird zur Erzeugung der Input-Strahlung 10, kann daher die optische Mischungs-Output-Strahlung 14 auf einen bescheidenen Wellenlängenbereich abgestimmt werden durch Einstellung der Temperatur der Laser-Diode oder der Laser-Dioden- Gruppe. Im Hinblick darauf umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung das Abstimmen der Wellenlänge der Output-Strahlung 14 durch Einstellung und Kontrolle der Temperatur der Laser-Diode oder der Laser-Dioden-Gruppe 12, die für die Erzeugung der Input-Strahlung 10 verwendet wird. Alternativ kann die Laser-Diode oder die Laser-Dioden-Gruppe auf einen kleinen Wellenlängenbereich abgestimmt werden durch Variieren des Stromes, welcher an die Einrichtung angelegt wird. Eine solche Abstimmung erfordert natürlich in der Regel eine Einstellung, um die Pha-Senanpassungsbedingungen in dem nicht-linearen optischen Material 8 zu optimieren. Bei auf eine nicht-kritische Phasen-angepaßte Temperatur abgestimmten linearen optischen Materialien kann dies leicht dadurch erzielt werden, daß man lediglich die Temperatur des nicht-linearen optischen Materials einstellt.
Gewünschtenfalls kann die Strahlungsquelle 11, 12 ein Dioden-angeregter Festkörper-Laser sein. Zu Beispielen für geeignete Dioden-angeregte Einrichtungen für einen solchen Laser gehören Laser-Dioden, Licht emittierende Dioden und Laser-Dioden-Gruppen. Außerdem kann der Dioden-angeregte Festkörper-Laser irgendein konventionelles festes laseraktives Material umfassen, das durch die ausgewählte Dioden-Anregungseinrichtung optisch angeregt werden kann. Obgleich die Erfindung darauf nicht beschränkt ist, ist ein sehr zufriedenstellender Dioden-angeregter Festkörper-Laser ein mit Neodym dotierter YAG-Laser, der gegebenenfalls durch eine Laser-Dioden-Gruppe optisch angeregt wird und Frequenz-verdoppelt wird unter Verwendung einer nicht-linearen optischen Kaliumtitanylphosphat-Komponente zur Erzeugung einer Output-Strahlung mit einer Wellenlänge von 532 nm. Eine solche Einrichtung ist in dem US-Patent Nr. 4 653 056 von Baer et al (publiziert am 24. März 1987) beschrieben. Die Kombination einer solchen 532 nm-Strahlung als Input-Strahlung 10 mit einer Stahlung mit einer Wellenlänge von 1319 nm aus einem mit Neodym dotierten YAG- laseraktiven Material 5 kann verwendet werden zur Erzeugung einer Summenfrequenz-Output-Strahlung 14, die in dem nahen Ultraviolett-Bereich des Spektrums bei einer Wellenlänge von 379 nm liegt.
Der reflektierende Überzug auf der Oberfläche 6 des laseraktiven Materials 5 wird in der Weise ausgewählt, daß er im wesentlichen transparent ist für die optische Anregungsstrahlung 1, jedoch stark reflektierend ist für das durch das Lasern des laseraktiven Materials 5 emittierte Licht. Der reflektierende Überzug auf der Oberfläche 9 des nicht-linearen optischen Materials 8 wird in der Weise ausgewählt, daß er im wesentlichen transparent ist für die Input-Strahlung 10, jedoch stark reflektierend ist für das durch das Lasern des laseraktiven Materials 5 emittierte Licht. Schließlich wird der reflektierende Überzug auf einem 90º-Umlenkspiegel 7 in der Weise ausgewählt, daß er stark reflektierend ist für das durch das Lasern des laseraktiven Materials 5 emittierte Licht, jedoch im wesentlichen transparent ist für die Output-Strahlung 14, die durch optisches Mischen erzeugt wird. Die vorstehend beschriebenen Überzüge sind konventioneller Art und können beispielsweise dielektrische Überzüge sein.
Die Input-Strahlung 10 und die durch das Lasern des laseraktiven Materials 5 erzeugte Strahlung werden beide polarisiert und die Polarisationen werden in der Weise eingestellt, daß der Wirkungsgrad des optischen Mischens in dem nicht-linearen optischen Material 8 optimiert wird. So sollten beispielsweise bei einer Summenfrequenz-Erzeugung diese Polarisationen orthogonal sein für die Phasenanpassung vom Typ II und identisch sein für die Phasenanpassung vom Typ I. Wenn sie unpolarisiert ist, kann die durch das Lasern des laseraktiven Materials 5 erzeugte Strahlung durch irgendeine konventionelle Einrichtung im Innern des Hohlraums polarisiert werden. So kann beispielsweise ein Polarisations-abhängiger Überzug auf den 90º-Umlenkspiegel 7 aufgebracht werden oder für diesen Zweck kann eine Brewster-Platte verwendet werden. Alternativ kann ein laseraktives Material 5 in der Weise ausgewählt werden, daß es inhärent beim Lasern polarisiertes Licht erzeugt. So liefern beispielsweise in geeigneter Weise ausgerichtete, mit Neodym dotierte YALO und YLF polarisiertes Licht, während ein mit Neodym dotierter YAG dies nicht ergibt.
Die Input-Strahlung 10 kann auf irgendeine konventionelle Weise polarisiert werden. So ist beispielsweise eine kohärente Strahlung aus konventionellen Laser-Dioden und konventionellen Mehrstreifen-Laser-Dioden-Gruppen inhärent polarisiert. Wenn eine solche Einrichtung zur Erzeugung der Input-Strahlung 10 verwendet wird, und die Strahlung aus dem laseraktiven Material 5 durch eine Polarisationseinrichtung innerhalb des Hohlraums polarisiert wird, dann kann die Einstellung der Polarisationen aufeinander erzielt werden entweder durch Drehen der Dioden-Einrichtung oder durch Drehen der Polarisationseinrichtung in dem Hohlraum.
Die Modulation der optischen Mischungs-Output-Strahlung 14 kann leicht erfolgen durch Modulieren der Input- Strahlung 10. Wenn eine Laser-Diode oder eine Laser-Dioden-Gruppe zur Erzeugung der Input-Strahlung verwendet wird, kann eine solche Modulation bewirkt werden durch Modulieren der Energiequelle für die Laser-Diode oder die Laser-Dioden-Gruppe. Es sind konventionelle Einrichtungen verfügbar zum Modulieren des Outputs aus Laser-Dioden und Laser-Dioden-Gruppen über den Bereich von 0 Hz bis zu mehr als 1 GHz, und die Verwendung aller dieser Modulationseinrichtungen stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Alternativ kann die optische Mischungs-Output-Strahlung 14 moduliert werden durch Modulieren des durch das Lasern des laseraktiven Materials 5 emittierten Lichtes durch konventionelle Methoden, beispielsweise durch eine Q-Schaltung, durch eine Verstärker-Schaltung (durch Modulieren der optischen Anregungsstrahlung 1) oder durch Phasenblockierung.
Es sei bemerkt, daß der 90º-Umlenkspiegel 7 kein wesentliches Element der Erfindung ist. In Abwesenheit eines 90º-Umlenkspiegels 7 kann jedes geeignete Verfahren angewendet werden um (a) die Input-Strahlung 10 und die Strahlung aus dem laseraktiven Material 5 in dem nicht-linearen Material 8 miteinander zu kombinieren, und (b) die Strahlung, die durch das optische Mischen erzeugt worden ist, aus dem optischen Hohlraum, der durch die reflektierenden Überzüge auf den Oberflächen 6 und 9 begrenzt wird, abzuziehen. Einige der vielen Alternativen sind beispielsweise in den Fig. 2 bis 4 erläutert, die nachstehend diskutiert werden.
Bei einer spezifischen Ausführungsform, wie sie in Fig. 1 erläutert ist, wird mit Neodym dotierter YLF als laseraktives Material 5 verwendet und KNbO&sub3; wird als nicht-lineares optisches Material verwendet. Der mit Neodym dotierte YLF wird optisch angeregt durch eine Multistreifen-Laser-Dioden-Gruppe vom Modell SDL 2420 (hergstellt von der Firma Spectra Diode Labs, San Jose, Kalifornien) 3, die Anregungsstrahlung 1 mit einer Wellenlänge von 792 nm liefert. Diese Anregungsstrahlung 1 wird mittels einer geformten Kunststofflinse oder einer asphärischen Glaslinse oder einer Gradientenindex-Linse 4 in dem laseraktiven Material 5 fokussiert. Das laseraktive Material 5 liegt in Form eines Stabes vor, der eine Länge von etwa 3 bis etwa 5 mm hat und ausgerichtet ist auf einen niedrigen Schwellenwert-Betrieb bei einer Wellenlänge von 1047 nm. Die Input-Oberfläche 6 wird konvex-poliert mit einem Krümmungsradius von einigen cm und es wird ein dielektrischer Überzug auf die Input-Oberfläche 6 aufgebracht, dier stark reflektierend ist (mehr als 99,9 %) bei einer Wellenlänge von 1047 nm und hochtransparent ist (mehr als 85 %) bei einer Wellenlänge von 792 nm. Das Output-Ende 15 des laseraktiven Materials 5 wird flach-poliert und mit einem Antireflexions-Überzug für Strahlung mit einer Wellenlänge von 1047 nm versehen. Der Umlenk-Spiegel 7 ist entweder flach oder gekrümmt und er trägt einen Überzug, der stark reflektierend ist (mehr als 99,9 %) bei einer Wellenlänge von 1047 nm und hochtransparent ist (mehr als 90 %) bei einer Wellenlänge von 447 nm. Das nicht-lineare optische Material 8 ist ein rhomboedrisches Prisma aus KNbO&sub3; mit einer Länge von etwa 3 bis etwa 5 mm, das so zugeschnitten ist, daß das Summenfrequenz-Verfahren unterhalb der ersten Phasenumwandlungstemperatur für KNbO&sub3; von 220ºC phasenangepaßt werden kann. Die innere Oberfläche 16 des nicht-linearen optischen Materials 8 ist flachpoliert und mit einem Antireflexions-Überzug für Licht einer Wellenlänge von 1047 nm versehen, wobei der Überzug die höchstmögliche Transparenz bei einer Wellenlänge von 447 nm hat. Die äußere Oberfläche 9 des nicht-linearen optischen Materials 8 ist flach-poliert und mit einem dielektrischen Überzug versehen, der stark reflektierend ist (mehr als 99,9 %) bei einer Wellenlänge von 1047 nm und hochtransparent ist (mehr als 85 %) bei einer Wellenlänge von 780 nm. Die Input-Strahlung 10, die eine Wellenlänge von 780 nm hat, wird erzeugt mittels einer SHARP LT-024- Einzelstreifen-Index-geführten Laser-Diode 12 mit einer Output-Leistung von mehr als etwa 20 mW. Durch ein Linsensystem 13 wird die astigmatische Output-Strahlung 10 aus der Laser-Diode 12 umgewandelt in einen TEMoo-Gauß-Modus. Schließlich wird eine Summenfrequenz-Strahlung 14 mit einer Wellenlänge von 447 nm durch den Umlenkspiegel 7 transmittiert.
Die Fig. 2 erläutert in schematischer Form eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die optische Mischungs-Output-Strahlung auf einen Umlenkspiegel nahezu senkrecht auftrifft. In der Fig. 2 wird die Strahlung 20 aus der optischen Anregungseinrichtung 21 mittels der Linse 22 auf einem Stab aus einem laseraktiven Material 2: fokussiert, der einen geeigneten reflektierenden Überzug auf der konvexen Oberfläche 24 aufweist und durch das Licht 20 aus der Anregungseinrichtung 21 angeregt werden kann. Das von dem durch Lasern des laseraktiven Material 23 emittierte Licht wird wegreflektiert von einem geeigneten Überzug auf dem Umlenkspiegel 25 und durch ein rhomboedrisches Prisma aus einem nicht-linearen optischen Material 26 hindurch, das einen geeigneten reflektierenden Überzug auf der Oberfläche 27 aufweist. Es tritt eine Laserwirkung auf durch das laseraktive Material 23 innerhalb des optischen Hohlraums, der durch die reflektierenden Überzüge auf dem Spiegel 25 und auf den Oberflächen 24 und 27 gebildet wird. Eine kohärente Input-Strahlung 28 aus einer Strahlungsquelle 29 wird mittels der Linse 30 auf der Oberfläche 27 des nicht-linearen optischen Materials 26 in der Weise fokussiert, daß die Überlappung zwischen der Input-Strahlung 28 und der durch das Lasern des laseraktiven Materials 23 erzeugten Strahlung (Hohlraumstrahlung) maximiert wird. Das nicht-lineare optische Material 26 wird Phasen-angepaßt für das gewünschte optische Mischverfahren zwischen der Input-Strahlung 28 und der Hohlraumstrahlung und die resultierende optische Mischungs-Strahlung wird durch den Umlenkspiegel 25 bei nahezu senkrechtem Auftreffen als Output-Strahlung 23 passiert.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die äußere Oberfläche 24 des laseraktiven Materials 23 in der Weise beschichtet, daß es stark reflektierend ist für die Hohlraumstrahlung und im wesentlichen transparent ist für die Anregungsstrahlung 20. Die innere Oberfläche 32 des laseraktiven Materials 23 trägt einen Antireflexions- Überzug für die Hohlraumstrahlung. Der reflektierende Überzug auf dem Umlenkspiegel 25 wird so gewählt, daß er stark ref lektierend ist für die Hohlraumstrahlung und im wesentlichen transparent ist für die Output-Strahlung 31. Die äußere Oberfläche 27 des nicht-linearen optischen Materials 26 ist in der Weise beschichtet, daß sie stark reflektierend ist für die Hohlraumstrahlung und im wesentlichen transparent ist für die Input-Strahlung 28. Die innere Oberfläche 33 des nicht-linearen optischen Materials 26 trägt einen Antireflexions-Überzug für die Hohlraumstrahlung, wobei der Überzug die höchstmögliche Transmission für die Output-Strahlung 31 hat.
In der Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung schematisch erläutert, bei der eine Input-Strahlung durch einen Umlenkspiegel in den optischen Hohlraum des Lasers gelenkt wird und die optische Mischungs-Output- Strahlung an einem Ende des nicht-linearen optischen Materials austritt. In der Fig. 3 wird die Strahlung 40 aus der optischen Anregungseinrichtung 41 mittels der Linse 42 auf einem Stab aus einem laseraktiven Material 43, der einen geeigneten reflektierende Überzug auf der konvexen Oberfläche 44 aufweist, fokussiert und kann durch die Strahlung 40 aus der Anregungseinrichtung 41 angeregt werden. Das durch das Lasern des laseraktiven Materials 43 emittierte Licht wird von einem geeigneten Überzug auf einem 90º-Umlenkspiegel 45 weg reflektiert und durch einen Stab aus einem nicht-linearen optischen Material 46 hindurch, der einen geeigneten reflektierenden Überzug auf der konvexen Oberfläche 47 aufweist. Die Laserwirkung durch das laseraktive Material 43 tritt innerhalb des optischen Hohlraums ein, der durch die reflektierenden Über züge auf dem Spiegel 45 und den Oberflächen 44 und 47 gebildet wird. Eine kohärente Input-Strahlung 48 aus der Strahlungsquelle 49 wird mittels der Linse 50 durch einen 90º-Umlenkspiegel 45 hindurch auf der Oberfläche 51 eines nicht-linearen optischen Materials 46 in der Weise fokussiert, daß die Überlappung zwischen der Input-Strahlung 48 und der durch das Lasern des laseraktiven Materials 43 erzeugten Strahlung (Hohlraumstrahlung) maximiert wird. Das nicht-lineare optische Material 46 wird phasenangepaßt für das gewünschte optische Mischverfahren zwischen der Input- Strahlung 48 und der Hohlraumstrahlung und die resultierende optische Mischungs-Strahlung 52 wird durch den reflektierenden Überzug auf der Oberfläche 47 des nicht-linearen optischen Materials 46 hindurchgeschickt.
Bei der in Fig. 3 erläuterten Ausführungsform ist die äußere Oberfläche 44 des laseraktiven Materials 43 in der Weise beschichtet, daß sie stark reflektierend ist für die Hohlraumstrahlung und im wesentlichen transparent ist für die Anregungsstrahlung 40. Die innere Oberfläche 53 des laseraktiven Materials 43 trägt einen Antireflexions-Überzug für die Hohlraumstrahlung. Der refelktierende Überzug auf dem 90º-Umlenkspiegel 45 wird so ausgewählt, daß er stark reflektierend ist für die Hohlraumstrahlung und im wesentlichen transparent ist für die Input-Strahlung 48. Die äußere Oberfläche 47 des nicht-linearen optischen Materials 46 ist in der Weise beschichtet, daß sie stark reflektierend ist für die Hohlraumstrahlung und im wesentlichen transparent ist für die Output-Strahlung 52. Die innere Oberfläche 51 des nicht-linearen optischen Materials 46 trägt einen Antireflexions-Überzug für die Hohlraumstrahlung, wobei der Überzug die höchstmögliche Transmission für die Input-Strahlung 48 aufweist.
Die Fig. 4 zeigt in schematischer Form eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Input-Strahlung durch Reflexion weg von einer gewinkelten (schrägen) Oberfläche des laseraktlven Materials in den optischen Hohlraum eingeführt wird. In der Fig. 4 wird die Strahlung 60 aus der optischen Anregungseinrichtung 61 fokussiert durch die Linse 62 auf einem Stab aus einem laseraktiven Material 63, der einen geeigneten reflektierenden Überzug auf einer konvexen Oberfläche 64 aufweist und durch das Licht 60 aus der Anregungseinrichtung 61 angeregt werden kann. Das durch das Lasern des laseraktiven Materials 63 emittierte Licht wird in einen Stab aus einem nicht-linearen optischen Material 65, der einen geeigneten reflektierenden Überzug auf einer konvexen Oberfläche 66 aufweist, hineingeführt. Es tritt eine Laserwirkung durch das laseraktive Material 63 innerhalb des optischen Hohlraums auf, der durch die reflketierenden Überzüge auf den Oberflächen 64 und 66 gebildet wird. Die kohärente Input- Strahlung 67 aus der Strahlungsquelle 68 wird fokussiert durch die Linse 69 auf der gewinkelten (schrägen) Oberfläche 70 des laseraktiven Materials 63, van dem sie in das nicht-lineare optische Material 65 hinein in der Weise reflektiert wird, daß die Überlappung zwischen der Input-Strahlung 67 und der durch das Lasern eines laseraktiven Materials 63 erzeugten Strahlung (Hohlraumstrahlung) maximiert wird. Das nicht-lineare optische Material 65 wird phasenangepaßt für das gewünschte optische Mischverfahren zwischen der Input-Strahlung 67 und der Hohlraumstrahlung und die resultierende optische Mischungs-Strahlung 71 wird durch den reflektierenden Überzug auf der Oberfläche 66 des nicht-linearen optischen Materials 65 hindurchgeschickt. Bei dieser Ausführungsform ist die äußere Oberfläche 64 des laseraktiven Materials 63 in der Weise beschichtet, daß sie stark reflektierend ist für die Hohlraumstrahlung und im wesentlichen transparent ist für die Anregungsstrahlung 60. Die gewinkelte (schräge) Oberfläche 70 des laseraktiven Materials 63 weist einen Antireflexions-Überzug für die Hohlraumstrahlung auf, der auch das höchstmögliche Reflexionsvermögen für die Input-Strahlung 67 hat. Die äußere Oberfläche 66 und die innere Oberfläche 72 des nicht-linearen optischen Materials 65 tragen Überzüge, die identisch sind mit denjenigen auf den jeweiligen Oberflächen 47 und 51 der Fig. 3.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung, das umfaßt:

a) die Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer ersten Frequenz w&sub1; durch optisches Anregen (Pumpen) eines laseraktiven Materials, das innerhalb eines optischen Hohlraumes enthalten ist;

b) die Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz w&sub2; aus einer Quelle, die ausgewählt wird aus der Gruppe, die besteht aus Laser-Dioden, Laser- Dioden-Gruppen und mit einer Diode angeregten Festkörper- Lasern;

c) die Einführung dieser Strahlung einer zweiten Frequenz in den optischen Hohlraum;

d) das Inwechselwirkungbringen der Strahlung einer ersten Frequenz und der Strahlung einer zweiten Frequenz mit einem nicht-linearen optischen Material, das innerhalb des optischen Hohlraumes enthalten ist, zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer dritten Frequenz w&sub3;;

e) das Einstellen und Kontrollieren der Polarisation der Strahlung einer ersten Frequenz und der Polarisation der Strahlung einer zweiten Frequenz, um die Erzeugung der Strahlung einer dritten Frequenz zu optimieren; und

f) das Modulieren der Strahlung der dritten Frequenz durch Modulieren des durch eine der Laser-Dioden, der Laser-Dioden-Gruppen fließenden Stromes und das Dioden-Anregen(-Pumpen) der durch eine Diode angeregten Festkörper-Laser.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin w&sub3; = w&sub1; + w&sub2;.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin w&sub3; gleich der Differenz zwischen w&sub1; und w&sub2; ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin das laseraktive Material optisch angeregt (aufgepumpt) wird durch optische Anregungs(Pump)einrichtungen, die umfassen mindestens eine Vorrichtung, ausgewählt aus Laser-Dioden, Licht emittierenden Dioden und Laser-Dioden-Gruppen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das laseraktive Material ausgewählt wird aus mit Neodym dotiertem YAG, mit Neodym dotiertem YALO und mit Neodym dotiertem YLF.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Strahlung einer zweiten Frequenz aus einer Quelle erzeugt wird, die ausgewählt wird aus Laser-Dioden und Laser-Dioden-Gruppen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich umfaßt die Einstellung und Kontrolle der Frequenz w&sub2; durch Einstellen und Kontrollieren der Temperatur der Quelle für die Strahlung einer zweiten Frequenz.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Strahlung einer zweiten Frequenz erzeugt wird aus einem mit einer Diode angeregten Frequenz-verdoppelten Festkörper-Laser.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin das nicht-lineare optische Material Kaliumtitanylphosphat umfaßt.

10. Verfahren zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung, das umfaßt:

a) die Erzeugung einer optischen Anregungsstrahlung (Pumpstrahlung) aus einer Quelle, die ausgewählt wird aus Laser-Dioden, Licht emittierenden Dioden und Laser-Dioden- Gruppen;

b) die Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer ersten Frequenz w&sub1; durch optisches Anregen (Pumpen) eines laseraktiven Materials mit der optischen Anregungs- Strahlung (Pumpstrahlung), wobei das laseraktive Material innerhalb eines optischen Hohlraums enthalten ist;

c) die Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz w&sub2;;

d) die Einführung der Strahlung einer zweiten Frequenz in den optischen Hohlraum;

e) das Inwechselwirkungbringen der Strahlung einer ersten Frequenz und der Strahlung einer zweiten Frequenz mit einem nicht-linearen optischen Material, das innerhalb des optischen Hohlraums enthalten ist, zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer dritten Frequenz w&sub3;;

f) das Einstellen und Kontrollieren der Polarisation der Strahlung einer ersten Frequenz und der Polarisation der Strahlung einer zweiten Frequenz, um die Erzeugung der Strahlung einer dritten Frequenz zu optimieren; und

g) das Ändern der dritten Frequenz durch Kontrolle (Einstellung) der Temperatur der Quelle und/oder des elektrischen Stromes, der durch eine der Laser-Dioden, der Licht emittierenden Dioden und der Laser-Dioden-Gruppen fließt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin w&sub3; = w&sub1; + w&sub2;.

12. Verfahren nach Anspruch 10, worin w&sub3; gleich der Differenz zwischen w&sub1; und w&sub2; ist.

13. Verfahren nach Anspruch 10, worin das laseraktive Material ein Feststoff ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin das laseraktive Material ausgewählt wird aus mit Neodym dotiertem YAG, mit Neodym dotiertem YALO und mit Neodym dotiertem YLF.

15. Verfahren nach Anspruch 10, worin das nicht-lineare optische Material Kaliumtitanylphosphat umfaßt.

16. Vorrichtung zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung, die umfaßt:

a) eine Einrichtung zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer ersten Frequenz w&sub1; innerhalb eines optischen Hohlraums;

b) eine Einrichtung zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz w&sub2;, die außerhalb des optischen Hohlraums angeordnet ist und ausgewählt wird aus Laser-Dioden, Laser-Dioden-Gruppen und mit einer Diode angeregten Festkörper-Lasern;

c) eine Einrichtung zur Einführung der Strahlung einer zweiten Frequenz in den optischen Hohlraum;

d) eine Einrichtung zur Durchführung der Modulation der Strahlung einer zweiten Frequenz durch Modulieren des elektrischen Stromes, der durch eine der Laser-Dioden, der Laser-Dioden-Gruppen und der mit einer Diode angeregten Festkörper-Laser fließt; und

e) eine nicht-lineare optische Einrichtung innerhalb des optischen Hohlraums, die so angeordnet ist, daß sie mit der Strahlung einer ersten Frequenz und der Strahlung einer zweiten Frequenz in Wechselwirkung tritt unter Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer dritten Frequenz w&sub3;.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, worin w&sub3; = w&sub1; + w&sub2;.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, worin w&sub3; gleich der Differenz zwischen w&sub1; und w&sub2; ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, worin die Einrichtung zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer ersten Frequenz umfaßt ein festes laseraktives Material, das optisch angeregt (aufgepumpt) wird durch eine optische Anregungseinrichtung (Pumpeinrichtung), die umfaßt mindestens eine Einrichtung, ausgewählt aus Laser-Dioden, Licht emittierenden Dioden und Laser-Dioden-Gruppen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, worin das laseraktive Material ausgewählt wird aus mit Neodym dotiertem YAG, mit Neodym dotiertem YALO und mit Neodym dotiertem YLF.

21. Vorrichtung nach Anspruch 16, die zusätzlich umfaßt eine Temperaturkontrolleinrichtung zur Einstellung und Kontrolle der Temperatur der Einrichtung zur Erzeugung der Strahlung einer zweiten Frequenz.

22. Vorrichtung nach Anspruch 16, worin die Einrichtung zur Erzeugung der Strahlung einer zweiten Frequenz ein mit einer Diode angeregter Frequenz-verdoppelter Festkörper-Laser ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 16, die zusätzlich umfaßt eine Einrichtung zur Einstellung und Kontrolle der Polarisation der Strahlung einer ersten Frequenz und der Polarisation der Strahlung einer zweiten Frequenz.

24. Vorrichtung nach Anspruch 16, worin die nicht-lineare optische Einrichtung Kaliuintitanylphosphat umfaßt.

25. Vorrichtung zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung, die umfaßt:

a) eine optische Anregungseinrichtung (Pumpeinrichtung) zur Erzeugung von optischer Anregungs- Strahlung (Pump-Strahlung), die ausgewählt wird aus Laser- Dioden, Licht emittierenden Dioden und Laser-Dioden-Gruppen;

b) ein laseraktives Material, das innerhalb eines optischen Hohlraums enthalten ist, das so angeordnet ist, daß es die Anregungsstrahlung (Pumpstrahlung) aus der optischen Anregungseinrichtung (Pumpeinrichtung) aufnimmt und in der Lage ist, beim Anregen (Aufpumpen) durch die Anregungsstrahlung (Pumpstrahlung) kohärente optische Strahlung einer ersten Frequenz w&sub1; zu erzeugen;

c) eine Einrichtung zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz w&sub2;, die außerhalb des optischen Hohlraums angeordnet ist;

d) eine Einrichtung zur Einführung der Strahlung einer zweiten Frequenz in den optischen Hohlraum;

e) eine Einrichtung zur Einstellung und Kontrolle der Polarisation der Strahlung einer ersten Frequenz und der Polarisation der Strahlung einer zweiten Frequenz;

f) eine nicht-lineare optische Einrichtung innerhalb des optischen Hohlraums, die so angeordnet ist, daß sie mit der Strahlung einer ersten Frequenz und der Strahlung einer zweiten Frequenz in Wechselwirkung tritt unter Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung einer dritten Frequenz w&sub3;; und

g) eine Einrichtung zur Änderung der dritten Frequenz durch Kontrolle (Einstellung) der Temperatur der Quelle und/oder des elektrischen Stromes, der durch eine der Laser-Dioden, der Licht emittierenden Dioden und der Laser- Dioden-Gruppen fließt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, worin w&sub3; = w&sub1; + w&sub2;.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, worin w&sub3; gleich der Differenz zwischen w&sub1; und w&sub2; ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 25, worin das laseraktive Material ein Feststoff ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, worin das laseraktive Material ausgewählt wird aus mit Neodym dotiertem YAG, mit Neodym dotiertem YALO und mit Neodym dotiertem YLF.

30. Vorrichtung nach Anspruch 25, worin die nicht-lineare optische Einrichtung Kaliumtitanylphosphat umfaßt.