DE4006602C2 - Optisches Element zur Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das beispielsweise als kurzwellige Lichtquelle oder derglei­ chen z. B. im Bereich der optischen Aufzeichnung zum Einsatz kommt. Ein solches optisches Element ist aus der CH 5 68 789 bekannt.

Im Bereich der Informationsverarbeitungstechnik werden im­ mer höhere Geschwindigkeiten und größere Dichten bei der In­ formationsverarbeitung verlangt, beispielsweise bei der Informationsübertragung, der Informationsaufzeichnung, der Informationswiedergabe, usw. Um dieser Anforderung nachzukommen, wurden bereits optische Techniken verwendet, beispielsweise optische Aufzeichnungsverfahren und der­ gleichen. Es kann davon ausgegangen werden, daß sich die Tendenz zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit und der Dichte bei der Datenverarbeitung in Zukunft noch steigern wird. In diesem Zusammenhang wurde bereits an eine Lichtquelle mit kürzerer Wellenlänge gedacht (beispielsweise im Bereich von etwa 400 nm bis etwa 700 nm), die eine Ausgangsleistung aufweist, die im Bereich von etwa 1 mW bis mehreren 10 mW liegt, und die ein hohes Ansprechvermögen besitzt.

Eine derartige Lichtquelle läßt sich im Prinzip in zweierlei Weise aufbauen. Zum einen kann eine Laserdiode zum Einsatz kommen, die eine Gruppen III-Gruppen-V-Halbleiterverbin­ dung oder eine Gruppen II-Gruppen-IV-Halbleiterverbindung enthält. Zum anderen kann die Lichtquelle als harmonischer Konverter aufgebaut sein, zum Beispiel als Konverter für zweite Harmonische, als Konverter für dritte Harmonische, usw. Die zuerst genannte Lichtquelle wird gegenwärtig ge­ nauer untersucht, jedoch wurde bisher nur eine Laserdiode mit einer Wellenlänge von 700 nm entwickelt. Weitere For­ schungen werden daher erforderlich sein, um eine praktisch anwendbare Laserdiode zu erhalten, die die Anforderungen im Hinblick auf die Strahlausgangsleistung und die verkürzte Wellenlänge erfüllt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Wel­ lenlänge einer Lichtquelle, die einen Halbleiterlaser ver­ wendet, auf 400 nm begrenzt sein kann.

Im Hinblick auf die zweite genannte Technik sind bereits so­ genannte SHG-Elemente (Elemente zur Erzeugung zweiter Har­ monischer) bekannt, die z. B. Kristalle aus Lithiumniobat enthalten. In den letzen Jahren sind derar­ tige SHG-Elemente auf den Markt gekommen, so daß sie Eingang in die praktische Anwendung gefunden haben.

Die Verwendung eines SHG-Elementes im Bereich der angewand­ ten Optik ist jedoch problematisch, da der SHG-Umwandlungs­ wirkungsgrad der Materialien, die zum Aufbau des SHG-Ele­ mentes verwendet werden, niedrig ist. Der Umwandlungswir­ kungsgrad variiert darüber hinaus in Abhängigkeit der ein­ fallenden Strahlleistung, so daß schließlich ein Umwand­ lungswirkungsgrad von nur 1 bis 2% erhalten wird, wenn ein Element vom Wellenleitertyp verwendet wird, das Kristalle aus Lithiumniobat besitzt.

Im Bereich der optischen Kommunikation mit Hilfe von Licht­ quellen, die längerwelliges Licht aussenden, beispielswei­ se Licht mit einer Wellenlänge von 1,3 µm oder 1,55 µm, tre­ ten dann, wenn Kristalle aus Lithiumniobat in optischen Mo­ dulatoren, usw. zum Einsatz kommen, optische Defekte nicht im nennenswertem Umfang auf, wenn die Energie der Lichtquel­ len unterhalb von etwa 10 mW liegt. Wird jedoch kurz­ welliges Licht z. B. zum Zwecke der optischen Aufzeichnung und dergleichen benutzt, so führen optische Defekte zu ernsthaften Problemen auch dann, wenn die Energie der Licht­ quellen bei etwa 0,1 mW liegt. Zur Lösung dieses Problems wurden bereits mehrere Vorschläge unterbreitet. Einer be­ zieht sich z. B. auf ein Verfahren zur Reduzierung optischer Defekte durch Hinzufügen von Magnesium.

In der bereits erwähnten Patentschrift CH 5 68 789, von der der Anspruch 1 ausgeht, werden optisch nicht- lineare Einkristalle aus Lithiumniobat beschrieben, die außerdem weniger als 6 Atom-% Magnesium und weniger als 1 ppm Eisen enthalten. Dabei wird die Zugabe von Magnesium als vorteilhaft herausgestellt.

Auch in dem Artikel "Magnesium - doped lithium niobate for higher optical power applications" in Optical Engineering, Januar/Februar 1985, Vol. 24, Nr. 1, S. 138 bis 143 wird der Einfluß von Magnesium in Lithiumniobat- Kristallen auf die Beständigkeit gegen optische Defekte untersucht. Aus Versuchen mit Zusätzen von 0 bis 9 Atom-% MgO zur Schmelze bei der Herstellung wird der Schluß gezogen, daß Lithiumniobat-Kristalle mit 4,5 Atom-% oder mehr MgO in der Schmelze besonders vorteilhaft sind. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Kristalle enthalten 7 ppm Fe.

Im allgemeinen treten optische Defekte umsomehr in Erschei­ nung, je kürzer die auf die optischen Defekte bezogene Wel­ lenlänge wird. Deshalb läßt sich voraussagen, daß optische Defekte zu größeren Problemen in Materialien für Elemente zur Umwandlung Harmonischer führen, die zur Erzeugung von Licht mit einer Wellenlänge verwendet werden, die kürzer als 1,55 µm ist, also zur Erzeugung von Licht, das momentan bei der optischen Kommunikation oder dergleichen benutzt wird.

Wie bereits oben erwähnt, werden Einkristalle aus Lithium­ niobat in der Praxis zunehmend als Materialien für Elemente zur Erzeugung Harmonischer bzw. Oberwellen verwendet. Hier­ bei tritt jedoch das Problem des niedrigen Umwandlungswir­ kungsgrades auf. Darüber hinaus besteht natürlich das Be­ dürfnis, die optischen Defekte bei der praktischen Anwen­ dung zu reduzieren.

Ausgehend von einem optischen Element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dieses optische Element derart weiterzubilden, daß sein nicht-linearer Einkristall einen hohen Umwandlungswirkungsgrad und eine besonders hohe Beständigkeit gegen Strahlungsschäden aufweist.

Diese Aufgbe wird bei dem optischen Element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Intensität der ausgegebenen Harmonischen eines SHG-Ele­ mentes erhöht sich, wenn sich die Wechselwirkung zwischen einer Grundwelle und einer harmonischen Welle intensiviert. Andererseits besteht eine Tendenz dahingehend, daß optische Defekte stärker hervortreten, wenn sich die Wellenlänge des transmittierten Lichtes verkürzt. Optische Defekte in einer harmonischen Welle werden somit leichter erzeugt als in eine Grundwelle. Das durch einen Defektbereich hindurchtretende Licht wird gedämpft bzw. geschwächt. Demzufolge wird die SHG-Ausgangsleistung herabgesetzt bzw. vermindert, und zwar mit dem Auftreten deartiger optischer Defekte.

Für den Fall, daß Einkristalle aus Lithiumniobat, die Magne­ sium enthalten, als optische Elemente verwendet werden, die auf optische Defekte ansprechen, wird herkömmlich der An­ teil an Magnesium so gewählt, daß er nicht kleiner als 5 Atom-% ist.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß mit zunehmendem An­ teil an Magnesium in großen Kristallen Partikelgrenzen bzw. Grenzflächen erzeugt werden und sich die Lichtpermeabilität in der Nähe der Absorptionskanten vermindert, so daß sich diese Kristalle nicht mehr für optische Zwecke verwenden lassen. Andererseits haben die Erfinder festgestellt, daß sich der optische Defektwiderstand (optical damage resi­ stance) in Einkristallen aus Lithiumniobat, das in SHG-Ele­ menten verwendet wird, durch Zusatz von Magnesium zu den Kristallen verbessern läßt, wie im konventionellen Fall auch, daß jedoch SHG-Elemente mit guten Eigenschaften nicht in jedem Fall erhalten werden können, wenn der Magnesiuman­ teil zu groß ist.

Es wurden verschiedene Einkristalle aus Lithiumniobat mit verschiedenen Anteilen an Magnesium hergestellt, und zwar mit sehr kleinen Anteilen an Magnesium bis zu einem Anteil von mehr als 5 Atom-%, wobei die Dotierungsmenge von Fe schrittweise heraufgesetzt wurde. Sodann wurden die SHG-Ei­ genschaften der Kristalle untersucht, wobei schließlich op­ timale Eigenschaften für Einkristalle aus Lithiumniobat für SHG-Elemente erhalten wurden.

Der Anwendungsbereich der er­ findungsgemäßen Elemente ist relativ weit, da er sich z. B. auch auf Lichtquellen für Laserdrucker, auf Lichtquellen zur optischen Aufnahme bzw. zum Lesen, usw. erstreckt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Beziehung zwischen Magnesiumanteil und opti­ schen Defekten,

Fig. 2 eine Beziehung zwischen Magnesiumanteil und Um­ wandlungswirkungsgrad,

Fig. 3 eine Beziehung zwischen Magnesiumanteil und Pha­ senanpassungswinkel sowie zwischen Magnesiumanteil und Phasenanpassungstemperatur,

Fig. 4 eine SHG-Ausgangsstrahlcharakteristik von Lithi­ umniobatkristallen, die 1 Atom-% Magnesium enthalten,

Fig. 5 eine SHG-Ausgangsstrahlcharakteristik eines op­ tischen Kristalls aus Lithiumniobat, der kein Magnesium enthält,

Fig. 6 die Änderung der Intensität des SHG-Ausgangs­ strahls im Verlaufe der Zeit bei Kristallen aus Lithiumnio­ bat, die 1 Atom-% Magnesium enthalten, und

Fig. 7 eine Beziehung zwischen einfallender Leistung und SHG-Ausgangsleistung.

Die Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Magnesiumanteil und den optischen Defekten, wobei die optischen Defekte durch den Rotationswinkel eines Analysators abgeschätzt werden. In der Vergangenheit wurde manchmal angenommen, daß die Wirkung des verbesserten op­ tischen Defektwiderstandes in Übereinstimmung mit dem Magnesiumanteil erhalten werden kann, wenn der Magnesiuman­ teil kleiner als 5 Atom-% ist. Die Erfinder haben jedoch her­ ausgefunden, daß die zuvor erwähnte Annahme nur in einem Fall gilt, bei dem der Anteil an verunreinigendem Fe be­ trächtlich groß ist, und daß der Effekt des verbesserten op­ tischen Defektwiderstandes in Übereinstimmung mit dem Magnesiumanteil in enger Beziehung zu dem Anteil an verun­ reinigendem Fe steht. Kurz gesagt wurde herausgefunden, daß ein hinreichender Effekt zur Verbesserung des optischen De­ fektwiderstandes auch in einem Fall erhalten wird, bei dem der Magnesiumanteil hinreichend klein ist, wenn der Anteil an verunreinigendem Fe reduziert werden kann. Wie die Fig. 1 zeigt, läßt sich ein hinreichender optischer Defektwider­ stand für praktische Zwecke auch dann erhalten, wenn der Magnesiumanteil kleiner als 3 Atom-% ist und der Anteil an verunreinigendem Fe nicht mehr als 0,4 ppm beträgt.

Die Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Magnesiumanteil und dem Umwandlungwirkungsgrad. Obwohl angenommen werden kann, daß der Anteil an verunreinigendem Fe in enger Bezie­ hung mit dem optischen Defektwiderstand steht, erhöht sich der Umwandlungswirkungsgrad mit steigendem Magnesiumanteil in einem Fall, bei dem der Anteil an verunreinigendem Fe re­ lativ groß ist. Nicht dargestellt ist der Fall, bei dem der Umwandlungswirkungsgrad abnimmt, wenn der Magnesiumanteil größer als 10 Atom-% ist. Die Ursache für die Abnahme des Um­ wandlungswirkungsgrades läßt sich nicht einwandfrei ange­ ben, jedoch kann davon ausgegangen werden, daß hierbei die Verschlechterung der Kristallqualität eine Rolle spielt. Ist im Gegensatz dazu der Anteil an verunreinigendem Fe klein, liegt er etwa bei 0,2 ppm, so wird der beste Umwand­ lungswirkungsgrad erhalten, wenn der Magnesiumanteil im Be­ reich von etwa 1 bis etwa 2 Atom-% liegt. Der Magnesiumanteil zur Erzielung des besten Umwandlungswirkungsgrades ver­ kleinert sich also, wenn der Anteil an verunreinigendem Fe abnimmt. Aus dem oben gesagten geht hervor, daß der bevor­ zugte Bereich des Magnesiumanteils unterhalb von 3 Atom-% liegt.

Die Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Magnesiumanteil und dem Phasen­ anpassungswinkel sowie zwischen dem Magnesiumanteil und der Phasenanpassungstemperatur, und zwar für den Fall, daß der Anteil an verunreinigendem Fe 0,2 ppm ist. Wie anhand dieser graphischen Darstellung zu erkennen ist, ist der Bereich, in welchem der Magnesiumanteil kleiner als 0,5 Atom-% ist, ein Bereich, in welchem sich der Phasenanpassungswinkel oder die Phasenanpassungstemperatur plötzlich bzw. sprunghaft ändern. Es ist daher ersichtlich, daß ein Magnesiumanteil von nicht kleiner als 0,5 Atom-% bevorzugt wird, um ein Ele­ ment zur Erzeugung von Harmonischen bzw. Oberwellen zu er­ zeugen, das stabile Eigenschaften besitzt. Im allgemeinen liegt der Temperaturbereich, in dem ein Element zur Erzeu­ gung von Harmonischen bzw. Oberwellen arbeitet, in einem Be­ reich von etwa 10°C bis 60°C. Darüber hinaus sollte der Pha­ senanpassungswinkel vorzugsweise so klein wie möglich ge­ wählt werden, und zwar unter Berücksichtigung der Kristall­ ausbeute. Liegt beispielsweise der Phasenanpassungswinkel nicht oberhalb von 20°, so läßt sich erkennen, daß der bevor­ zugte Bereich für den Magnesiumanteil zwischen 0,5 und 2 Atom-% liegt.

Im obigen Ausführungsbeispiel wird Magnesium als Zusatz zur Verbesserung des optischen Defektwiderstandes verwendet. Es können auch andere Materialien hinzugefügt werden, wenn sie zu ei­ ner geeigneten Konzentration und zu einem solchen Akzeptorpegel führen, daß Elektronen von et­ wa 10¹⁵ cm^-3 in einem Durchlaßbereich durch Bestrahlung festgestellt werden können. Beispiele wei­ terer Zusätze sind Kalzium, Bor, usw.

Die Fig. 4 zeigt Kristalle mit Magnesium als Zusatz, wobei die Kristalle Abmessungen von 10×10×10 mm³ aufweisen und ihre Kanten jeweils parallel zur x-, y- und z-Richtung lie­ gen. Die Kristalle liegen als reguläre, kubische Blöcke vor. Um große Proben zu erhalten, wurden von jedem der Blöcke die beiden y-Ebenen spiegelpoliert. Die SHG-Ausgangsleistung in jeder der großen Proben wurde gemessen, und zwar bei Auf­ treffen eines 1,06-µm-Wellenlängen-YAG-Laserstrahls auf eine y-Ebene während der Drehung des Kristalls um die x-Ach­ se. In der Fig. 4 repräsentiert die Ordinate die SHG-Aus­ gangsstrahlleistung, während auf der Abszisse der Winkel zwischen der y-Achse und dem einfallenden Licht aufgetragen ist. Fig. 4 beschreibt die SHG-Ausgangsstrahlintensität für eine Probe mit 1 Atom-% Magnesium. Bei der Messung wurde eine SHG-Ausgangsstrahlleistung von etwa 2 mW bei Winkelpositio­ nen von +15° und -15° erhalten, und zwar bei einer Strahllei­ stung des YAG-Lasers von 4,5 kW.

Die Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer SHG-Ausgangsstrahlcha­ rakteristik in einem optischen Einkristall aus Lithiumnio­ bat ohne Magnesium und mit einem Anteil von 0,4 ppm an verun­ reinigendem Fe. Die Charakteristik in Fig. 5 wurde in der gleichen Weise aufgenommen wie die zuvor beschriebene. Im Bereich zwischen -20° und +30° wurde eine schwache SHG-Aus­ gangsstrahlleistung von 1 µW oder kleiner beobachtet. Kurz gesagt redu­ ziert sich die Ausgangsstrahlleistung bei Raumtemperatur infolge von Phasenfehlanpassungen oder optischen Defekten. Die Fig. 6 zeigt die Messung einer SHG-Ausgangsstrahllei­ stung bei kontinuierlichem Einfall eines YAG-Laserstrahls. Gemäß Fig. 6 ändert sich die SHG-Ausgangsstrahlleistung der Probe im Verlaufe der Zeit, wobei auch hier die Probe einen Magnesiumanteil von 1 Atom-% besitzt. Die Ausgangsleistung nimmt also im Verlaufe der Bestrahlungszeit ab. Nach etwa 7 Minuten wird die Ausgangsleistung konstant. Die stabili­ sierte Ausgangsstrahlleistung liegt bei etwa 1 mW. Kurz ge­ sagt läßt sich also eine sehr große Ausgangsstrahlleistung in einer Magnesium enthaltenden Probe erzielen, und zwar im Vergleich zu einer Probe, die kein Magnesium enthält. Die Änderung der Ausgangsstrahlleistung im Verlaufe der Zeit kann durch Auftreten optischer Defekte verursacht werden oder durch die Änderung der Phasenanpassungbedingungen in­ folge des Anstiegs der Probentemperatur. Um die Ursache der Leistungsänderung zu erforschen, wurden weitere Messungen durchgeführt, wobei die einfallende Strahlenintensität auf 10⁴ kW/cm² erhöht wurde. Dabei wurde bestätigt, daß opti­ sche Defekte nicht auftreten, wenn die einfallende Strahl­ leistung und die Ausgangsstrahlleistung jeweils kleiner sind als 138 kW/cm² und 1,1 kW/cm². Demzufolge kann ge­ schlossen werden, daß die Leistungsänderung im Verlaufe der Zeit durch einen Anstieg der Probentemperatur verursacht wird.

Wie sich den Fig. 4 und 5 entnehmen läßt, kann der Umwand­ lungswirkungsgrad bei Raumtemperatur in einer Magnesium enthaltenden Probe nach der Erfindung um 500- bis 1000mal größer sein als im Falle einer konventionellen Probe, die kein Magnesium enthält. Da dieser Umwandlungswirkungsgrad der SHG-Umwandlungswirkungsgrad in großen Kristallen ist, und da der Umwandlungswirkungsgrad im Wellenleitertyp SHG- Element, das durch die großen Kristalle gebildet wird, im allgemeinen um etwa 100mal größer ist als der Umwandlungs­ wirkungsgrad in den großen Kristallen, ist es ersichtlich, daß sich ein SHG-Element mit sehr hohem Wirkungsgrad reali­ sieren läßt. Besonders zu erwähnen ist, daß der Umwandlungs­ wirkungsgrad auch dann erhalten wird, wenn der Magnesiuman­ teil kleiner als 5 Atom-% ist, was konventionell für notwen­ dig betrachtet wird, um optische Defekte zu vermeiden. Bei­ spielsweise wird der hohe Umwandlungswirkungsgrad auch dann erhalten, wenn der Magnesiumanteil 1 Atom-% beträgt. Im nachfolgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er­ findung beschrieben.

Die SHG-Ausgangsleistung wurde während einer Änderung der Eingangsleistung des YAG-Lasers gemessen. Die Größe der Meßproben war dieselbe wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Das Ergebnis der Messung ist in Fig. 7 dargestellt. In allen Proben ist die Ausgangsleistung proportional zum Quadrat der Eingangsleistung. Es ist somit ersichtlich, daß kein optischer Defekt vorliegt. Der Zeichnung läßt sich ferner entnehmen, daß die Probe, die nur 1 Atom-% Magnesium enthält, eine größere Ausgangsleistung abgibt als die Probe, die 5 Atom-% Magnesium enthält.

In Übereinstimmung mit der Erfindung läßt sich der Effekt, der bei Zugabe von Magnesium erhalten wird, auch dann beob­ achten, wenn die Magnesiumkonzentration sehr klein ist. Die Magnesiumkonzentration ist bei der Erfindung zwischen 0,1 und 3 Atom-%.

Claims (2)

1. Optisches Element zur Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung aus einem Primär-Laserstrahl mit einem optisch nicht- linearen Einkristall aus Lithiumniobat, der weniger als 6 Atom-% Magnesium und weniger als 1 ppm Eisen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einkristall zwischen 0,1 und 3 Atom-% Mg und eine Fe-Verunreinigung von maximal 0,4 ppm enthalten sind und der Fe-Gehalt bei kleinerem Mg- Anteil reduziert ist.

2. Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenanpassungswinkel gegenüber der Y-Achse des Lithiumniobat-Einkristalls bei Raumtemperatur 20° oder weniger beträgt.