DE4039455A1 - Festkoerperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen von Laserdioden gepumpten Festkörper­ laser mit longitudinalem und transversalem abstimmbaren Einmoden-Betrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Festkörperlaser ist durch die Druckschrift: A. Owyoung, P. Esherick - aus "Opt. Lett. 12, S. 999 (1987)" bekannt. Solche von Laser­ dioden gepumpten Festkörperlaser bieten neben hoher Effizienz, Kompakt­ heit, Wartungsfreiheit und longitudinalem Einmodenbetrieb hoher Stabilität außerdem noch die Möglichkeit der Durchstimmbarkeit der Wellenlänge. Sol­ che Laser werden insbesondere in der Laserkommunikation als lokale Oszil­ latoren, für interferometrische Anwendungen und für alle Arten von Meß­ zwecken, wie beispielsweise Geschwindigkeitsmessung benötigt.

Das Problem solcher "Single-Frequenzy-Laser" liegt jedoch in den Inhomoge­ nitäten im Laser-Verstärkungsprofil, (spatial hole burning) durch die Aus­ bildung von sogenannten "Knoten und Bäuchen" bei einer stehenden Welle. Wie die Fig. 1 zeigt, kann dies wegen der umgekehrten Proportionalität von optischer Resonatorlänge und longitudinalem Modenabstand durch Wahl eines entsprechend kurzen Resonators die Ausbildung mehrerer Lasermoden vermie­ den werden, wobei die Resonatorlängen typischerweise weniger als 1 mm be­ tragen. Die Anregung des Festkörpermaterials erfolgt optisch, insbesondere durch Laserdioden, welche eine gute Überlappung von Emissions- und Absorp­ tionsspektrum ermöglichen, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist. Außer­ dem weisen sie eine gute räumliche Modenüberlappung der Art auf, daß das Pumplicht longitudinal in die Resonatormode fokussiert werden kann, wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, wodurch eine transversale Modenselektion ermöglicht wird.

In der vorstehend zum Stand der Technik genannten Druckschrift ist ein solches System beschrieben, bei dem der Resonator monolithisch ausgeführt ist, das heißt, daß der Laserresonator allein durch eine geeignete Formung und Beschichtung des laseraktiven Mediums gebildet wird, wohingegen der Ausdruck "halbmonolithisch" die Integration nur eines dielektrischen Spie­ gels auf das laseraktive Material impliziert, jedoch ein weiterer unabhän­ giger Spiegel zur Bildung des Resonators erforderlich ist.

Der so ausgestaltete Kristall wird von der Frontseite her mit einer Laser­ diode oder einem Laser longitudinal optisch gepumpt. Die Beziehung zwi­ schen freiem spektralen Bereich des Resonators und optischer Resonator­ länge ermöglicht durch eine Änderung der Resonatorlänge eine entsprechende Variation der Laserfrequenz. Nach dem Stand der Technik läßt sich die Resonatorlänge mittels Piezokristallen durch Ausübung von mechanischem Druck transversal zur optischen Achse (Fig. 4), sowie durch die variable Positionierung des Auskoppelspiegels im halbmonolithischen Aufbau variie­ ren (Fig. 5).

Alle bisherigen diesbezüglichen Ausführungsformen des Standes der Technik sind nur sehr aufwendig zu realisieren, was sich insbesondere bei der Fer­ tigung großer Stückzahlen sehr nachteilig auswirkt. Hinzu kommt, daß die Baugrößen noch viel zu groß und in der Modulationsfrequenz auf einige MHz begrenzt sind, so daß eine Erhöhung der Modulationsgeschwindigkeit auf­ grund der elektrischen Eigenschaften der Piezokeramik nicht möglich ist. Weiterhin weist der Aufbau herkömmlicher Technologie aufgrund mechanischer Resonanzen der Halterung und des Kristalls Nichtlinearitäten im Abstimm­ verhalten des Mikrokristall-Lasers auf. Die Resonanzen bedingen eine stark überhöhte Veränderung der Laserwellenlänge mit der alternierenden Arbeits­ spannung am Piezokristall und können nur zum Teil und dann nur mit erheb­ lichem mechanischen Aufwand eliminiert werden.

Die Anwendung von transversalem mechanischen Streß induziert Doppelbre­ chung und damit Emission in zwei senkrecht zueinander orientierten Polari­ sationsrichtungen, welche eine Frequenzverschiebung proportional dem ange­ legten mechanischen Streß aufweisen. Des weiteren ist der für eine be­ stimmte Frequenzänderung benötigte Druck für beide Polarisationsrichtungen unterschiedlich, so daß sich für die beiden Polarisationen verschiedene Abstimmverhalten bei gleicher Arbeitsspannung am Piezokristall ergeben.

Laser der vorbeschriebenen Art sind zudem bauartbedingt in der Modula­ tionsfrequenz auf einige 10 MHz begrenzt, so daß eine Erhöhung der Modula­ tionsgeschwindigkeit aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Piezo­ keramik nicht möglich erscheint.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper­ laser der eingangs genannten Art zu schaffen, der die vorbeschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist und einen Mikrokristall-Laser ergibt, der sowohl mechanisch sehr einfach ausgeführt ist, als auch eine Frequenzmodu­ lation bei "Single-frequency-Betrieb" im GHz-Bereich ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläu­ tert. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren zeichne­ risch erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a ein Diagramm bezüglich des Prinzips der Erzeugung longitudinal einmodiger Laserstrahlung mittels kurzer Laserresonatoren bei einer Resonatorlänge von L = 10 mm,

Fig. 1b ein Diagramm gemäß Fig. 1a bei einer Resonatorlänge L < 1 mm,

Fig. 2 ein Diagramm der spektralen Überlappung von Pumplaserdioden- Emission und Lasermaterial-Absorption,

Fig. 3 ein Schemabild bezüglich der Modenüberlagerung der Pumplicht­ strahlung und der Laserresonatormode bei longitudinalem optischen Pumpen,

Fig. 4 ein Schemabild des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels eines quasimonolithischen, abstimmbaren Mikrokristall-Lasers.

Gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, werden die Seiten f1 und f3 des laseraktiven Mediums bzw. des Laserkristalls 10 plan ge­ schliffen und die pumpseitige Fläche f2 wird als Einkoppelspiegel für die Pumpstrahlung der wahlweise mit einer vorgeschlagenen Ankoppeloptik ver­ sehenen Laserdiode mit einer Schicht f1 für 100%ige Reflexion der Laser­ strahlung versehen. Die Fläche f3 ist dagegen für die Laserwellenlänge zu entspiegeln. Der Auskoppelspiegel 11, 11a wird sehr kompakt ausgeführt, so daß das für die dielektrischen Schichten nötige Substrat minimales Volumen bei hoher Scherfestigkeit aufweist, so daß der Laserresonator aufgrund seiner dadurch gegebenen Kompaktheit bei longitudinalem Pumpen einen effi­ zienten "Single-frequency-Betrieb" ermöglicht. Hierzu gewährleisten der Laserkristall 10 und der Spiegel 11 nach Schliff, Beschichtung 11a und Luftspalt 14 sowie Montage unter Zuhilfenahme des nachfolgend noch ausge­ führten Abstimmelements (piezoelektrische Folie 12) die Ausbildung einer Resonatormode. Der Luftspalt 14 dient zur Abstimmung der Laserwellenlänge.

Wie vorstehend schon erwähnt, wird zur Abstimmung der Laserwellenlänge durch Änderung der Resonatorlänge eine dünne ringförmige dielektrische Folie 12, die in ihrem Zentrum ein Loch aufweist, im Resonator einge­ bracht. Eine derartige Folie wird vorzugsweise aus Polyvinyldifluorid be­ stehen und weist eine starke Elektrostriktion auf und eignet sich aufgrund ihrer geringen Dicke von einigen Mikrometern - beispielsweise ± 10 µm - hervorragend als Abstimmelement innerhalb des Resonators.

Zum Zwecke der Minimierung der optischen Verluste wird die Folie 11 so ge­ formt, daß sie einen der Lasermode entsprechenden Ausschnitt 13 aufweist, der gewährleistet, daß Reflexionen an den Grenzflächen und Absorptionen der Laserstrahlung in der Folie vermieden wird.

Die große Elastizität der Folie 12 bewirkt bei Anlegung einer hochfrequen­ ten Wechselspannung eines HF-Generators sowohl den Erhalt der Elektro­ striktion bis in den Bereich von GHz, als auch eine weitgehende Unter­ drückung der mechanischen Resonanzen, wodurch die Linearität im Abstimm­ verhalten gewährleistet ist, d. h. das Abstimmelement - die piezoelektri­ sche Folie 12 - ist so ausgeführt, daß die "Single-frequency"-Eigenschaf­ ten des Lasers - ausgenommen der Abstimmbarkeit - durch Einbringen dessel­ ben nicht verändert werden.

Wie schon angeführt, genügen für die Folien Stärken von ± 10 µm, ohne daß die spezifischen Eigenschaften verändert und das Abstimmverhalten des Lasers beeinträchtigt werden.

Der so ausgeführte, quasimonolithische Mikrokristall-Laser ermöglicht bei sehr einfacher Handhabung eine Modulation der Laserfrequenz bis in den GHz-Bereich, wobei der longitudinale Einmodenbetrieb erhalten bleibt. Dies ist bei den bisherigen modulierbaren Mikrokristall-Lasern nicht möglich.

Claims (5)

1. Laserdioden-gepumpter Festkörperlaser mit longitudinalem und transversalem abstimmbaren Einmoden-Betrieb, dessen Festkörpermaterial optisch angeregt wird und das Pumplicht longitudinal in die Resonator­ mode fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Laserkri­ stall (10) (z. B. Nd:YAG-Kristall) und einem separaten Spiegel (11) ein Mikrokristall-Laserresonator gebildet wird, wobei der Laserkristall (10) plan geschliffene und polierte Flächen (f2 + f3) aufweist und zur Ab­ stimmung der Laserwellenlänge zwischen Laserkristall (10) und Spiegel (11) eine piezoelektrische Folie (12) starker Elektrostriktion angeord­ net und fixiert ist.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Folie (12) eine Polyvinyldifluorid-Folie verwendet wird.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (12) mit einem der Lasermode entsprechenden Ausschnitt (13) versehen ist und eine Dicke von ± 10 µm aufweist.

4. Festkörperlaser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Kristallflächen (f2) als Resonator-Einkoppel­ spiegel ausgebildet ist.

5. Festkörperlaser nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flächen des Laserkristalls (10) auf der einen Seite mit einer bei 1060 nm (HR) hochreflektierenden und bei 810 nm (HT) hoch transmittierenden Schicht und auf der anderen Seite mit einer bei 1060 nm antireflektierenden Schicht (AR) versehen ist, während der Spiegel (11) bei 1060 nm teilreflektierend (PR) und wahlweise bei 810 nm hoch­ reflektierend (HR) beschichtet ist.