DE4125720A1 - Mikrokristall-laser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen monolithisch aufgebauten Festkörper­ laser in Form eines Mikro-Kristall-Lasers gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Solche Laser, die zur Erzeugung von Einfrequenz-Laserstrahlung mit gerin­ ger Linienbreite und hoher Strahldichte dienen, sind an sich bekannt. Auf­ grund ihrer geometrischen Ausformungen und Resonatorlängen unter 1 mm schwingen sie auf nur einer einzigen londitudinalen Lasermode an. Beson­ ders stabil - und somit zur Erzeugung einer sehr schmalbandigen Strahlung geeignet - ist eine sogenannte monolithische Ausführungsform, bei der die Resonatorspiegel in Form von dünnen, dielektrischen Schichten direkt auf einen Laserkristall mit einer Dicke von weniger als 1 mm aufgebracht sind. Solche monolithische Mikrokristall-Laser werden optisch z. B. mit Laserdio­ den oder Titan-Saphir-Lasern angeregt.

Für viele Anwendungen ist es indes erforderlich, solche Laser - die auch als "single-frequency-laser" bezeichnet werden - in der Frequenz konti­ nuierlich abzustimmen. Dies kann beispielsweise durch Änderung der Laser­ kristall-Temperatur erfolgen - wobei die Abstimmung ungefähr 4 GHz/Kelvin beträgt - jedoch die Abstimmgeschwindigkeit beziehungsweise die Bandbreite äußerst gering ist.

Um eine schnellere Abstimmung - beispielsweise einige 10 bis 100 kHz - zu ermöglichen, wird bei dem durch die Druckschrift "Electr. Lett. 29, March 1990, Vol. 26 No. 7 Seite 490 ff in dem Artikel von Zhou u. Ferguson" vor­ geschlagenen Ausführungsbeispiel, einen extern gehaltenen Laserspiegel über einen piezoelektrischen Versteller gegen einen halbmonolithisch be­ dampften Laserkristall zu bewegen. Es muß also von dem monolithischen La­ seraufbau abgegangen werden. Der Nachteil dieses vorgeschlagenen Verfah­ rens ist unter anderem in der reduzierten mechanischen Stabilität und so­ mit auch in der größeren Linienbreite - also geringere Schmalbandigkeit - zu sehen.

Durch "Zayhowski and Mooradian ist in Optic-Lett., Vol. 14, No 12, Juni 15, 1989, Seite 618 ff" als weitere Möglichkeit die Ausübung eines trans­ versalen Stresses auf den Laserkristall vorgeschlagen worden. Dies jedoch führt zu einer Aufhebung der Entartung für senkrecht zueinander stehende Polarisationsrichtungen und somit zu einem Frequenzsplitting. Siehe hierzu auch "Optics Lett. Vol. 12, No. 12, Dez. 1987, Seiten 999 ff - von Owyoung und Esherick".

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrokri­ stall-Laser der eingangs genannten Art zu konzipieren, der die Nachteile des Standes der Technik beseitigt und die Abstimmung dieses Laser ermög­ licht, ohne vom Konzept eines monolithischen Aufbaus abgehen zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 aufgezeigten Maß­ nahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungs­ beispiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterun­ gen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild in leicht perspektivischer Ansicht eines laserak­ tiven, elektrostriktiven, elektrisch abstimmbaren Laserkristalls in einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Schemabild eines mikromechanischen Aktuators mit Stellwegmes­ sung auf der Basis eines längenabstimmbaren Mikrokristall-Lasers,

Fig. 3a ein Diagramm über die Stellsignalauswertung bezüglich des Span­ nungssignals an den Elektroden zur Zeit t,

Fig. 3b ein Diagramm über die Stellsignalauswertung bezüglich des Weges des Stellarmes zur Zeit t,

Fig. 3c ein Diagramm über die Stellsignalauswertung bezüglich der Diffe­ renzfrequenz zur Zeit t.

Das in Fig. 1 skizzierte Ausführungsbeispiel eines Mikrokristall-Lasers 10 sieht einen mit Nd geeignet dotierten Kristall oder Quarzglas 11 vor, der nicht nur dielektrisch so beschichtet ist, daß er einen monolithischen Resonator bildet, sondern auf seinen beiden Endflächen werden ringförmige Elektroden 12 aufgedampft und mit Anschlußdrähten 13 versehen. Hierbei kann der Bereich der Lasermode jedoch ausgespart bleiben. Durch die Akti­ vierung des so aufgebauten monolithischen Kristall-Lasers 10 kann dessen Kristall-Länge und somit auch die Resonatorlänge sehr fein und präzise verändert werden. Hierbei reichen bei Resonatorlängen unter 1 mm schon Längenänderungen von Nanometer aus, um den Laser 10 im Bereich von GHz zu verstimmen. Bei geeignet gewählter Kristallgeometrie und guter mechani­ scher Dämpfung kann die Modulations-Bandbreite für solche Systeme mehrere 10 bis 100 kHz betragen. Anzuführen ist noch, daß Kristalle wie etwa Li­ thiumniobate oder Quarzgläser, die als "Wirt" verwendet werden, sich da­ durch auszeichnen, daß sie einen besonders hohen Koeffizienten für den elektrostriktiven Effekt aufweisen. Durch Anlegen einer Spannung an solche Kristalle oder Gläser ist es somit möglich, die Länge eines solchen Kri­ stalles oder Glases zu ändern. Hierbei ist die mechanische Stabilität mit der herkömmlicher monolithischer Laser vergleichbar, so daß solche Laser abstimmbar sind bei gleichzeitig möglichst geringer Linienbreite. Eine langsame Abstimmung über weite Bereiche - einige 10 GHz/min. - ist durch eine zusätzliche Temperaturabstimmung gegeben.

Anwendungsbereiche des vorbeschriebenen Lasers reichen nicht nur von der optischen Nachrichtenübertragung zur interferometrischen Messung bewegter Interferometer - beispielsweise Michelson-Interferometer zur Analyse von Restgasen in den oberen Atmosphäreschichten - sondern können auch solche Laser sinusförmig in der Frequenz modulieren, um sie beispielsweise gegen­ über einer Referenzcavity in der Frequenz zu stabilisieren.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird auf die Bedampfung der Laser­ kristall-Endflächen mit Elektroden 12 verzichtet. Dafür wird jedoch der monolithisch mit Spiegelschichten bedampfte Laserkristall 11 aus einem Ma­ terial mit hohem piezoelektrischen Koeffizienten - beispielsweise wie vor­ erwähnt aus Lithiumniobat oder Quarzglas - an geeigneter Stelle eines Mi­ krowellen-Resonators plaziert. Ein in diesen Resonator eingespeistes Mi­ krowellensignal mit niederfrequenter Amplitudenmodulation zwingt bei ge­ eigneter Ankopplung den Laserkristall 10 zu Längenänderungen, welche der Modulationsfrequenz folgen. Auf diese Weise kann ein Mikrowellensignal di­ rekt in ein frequenzcodiertes optisches Signal umgesetzt werden. Außerdem kann so eine schnelle Modulation des optischen Signal es erfolgen, bei dem keine störenden Kapazitäten eventueller Elektroden die Signalbreite des Lasers beschränken.

So ein durch Mikrowellen modulierter "Single-frequency-laser" stellt bei­ spielsweise eine ausgesprochen schnelle und einfache Schnittstelle beim Übergang von der Mikrowellentechnik zur Optik dar.

Andererseits bieten sich durch die Mikrowellen-Modulation auch die Mög­ lichkeiten schneller Modulation von Laserstrahlung an, z. B. in der Anwen­ dung optischer Kommunikation.

Zur Bildung eines mikromechanischen Aktuators mit Stellwegmessung auf der Basis eines längenabstimmbaren Mikrokristall-Lasers wird der vorbeschrie­ bene elektrostriktive, monolithische Festkörperlaser 10 vorgeschlagen, dessen Elektrostriktion nicht nur zur Frequenzabstimmung des Lasers ver­ wendet wird, sondern dessen Längenausdehnung zusätzlich noch zur gezielten Positionierung eines - beispielsweise - mikromechanischen Stellarmes 14 dient. Dieses Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 2 skizziert. Zum einen kann über die an die Drähte 13 abgelegte Spannung der Stellarm 14 durch den elektrostriktiven Effekt manipuliert werden, zum anderen wird über die Laserfrequenz die exakte Position des Stellarmes 14 jederzeit und direkt kontrolliert werden. Weiterhin wird dieses Stellweg-Signal auch dafür ver­ wendet, den Stellarm 14 gegebenenfalls nachzuregeln, so daß beispielsweise Hysterese-Effekte der Elektrostriktion oder auch thermisch induzierte Län­ genänderungen registriert und kompensiert werden. Die entsprechend fre­ quenzverschobene Laserstrahlung wird mit einem temperaturstabilisierten Referenzlaserstrahl kohärent optisch überlagert, so daß z. B. am Ausgang einer zur Mischung verwendeten Glasfaserweiche 16 an einem Photodetektor (Photodiode 18) ein Hochfrequenzsignal abgegriffen wird, welches der Dif­ ferenzfrequenz der beiden Laser 10, 20 proportional ist.

Wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 veranschaulicht, wird der mit ringförmigen Elektroden versehene Laserkristall 11 einerseits von der Hal­ terung 15 aufgenommen und andererseits mit einem beweglichen Stellarm 14 verbunden. Der Laserkristall 11 wird über die x-förmige Glasfaserweiche 16 und einer Ankoppeloptik 16a mit einer Halbleiter-Laserdiode 17 gepumpt. Der Laserkristall 11 ist monolithisch derart verspiegelt, daß die Festkör­ perlaserstrahlung durch diese Glasfaserweiche 16 zurückgeleitet und in dieser mit der Strahlung eines Referenzlasers 20 überlagert wird. Dieser Referenzlaser 20 ist in einem temperaturstabilisierten Medium 19 einge­ bracht. Somit ergibt sich am vierten Ende der Glasfaserweiche am Ausgang einer dort angeordneten Photodiode 18 ein Hochfrequenzsignal, welches der Differenzfrequenz der beiden Laser 10, 20 folgt.

Hierzu ist nun erneut darauf hinzuweisen, daß die Laserfrequenz nicht nur durch die Länge des Resonators bestimmt ist, sondern in noch viel stärke­ rem Maße durch die Temperatur des Laserkristalls - was in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zur langsamen Abstimmung über weite Bereiche verwendet wird - abhängt. Der Temperatureffekt ist hier um fast eine Größenordnung stärker als der reine Längeneffekt.

Dies führt nun dazu, daß die Auswertung des Stellsignals in einer Auswer­ teinheit 30 so vorzunehmen ist, daß

• a) eine adiabatische Längenänderung des Laserkristalls 11 durch eine dis­ krete, stufenartige Spannungsänderung an den Elektroden durchgeführt wird und die Bestimmung der Frequenzänderung innerhalb eines Zeitfen­ sters GT₁ erfolgt, innerhalb dessen die Temperaturänderung vernach­ lässigbar klein ist.
• b) die Spannung konstant gehalten wird und die Messung der weiteren Fre­ quenzverschiebung des Lasers 10 in einem zweiten Zeitfenster GT₂ er­ folgt, wobei diese Frequenzverschiebung einerseits durch eine Tempera­ turänderung des Laserkristalls 11 erfolgt, welche aber andererseits zusätzlich noch von einer temperaturbedingten Längenänderung des La­ serkristalls 11 überlagert ist.

Durch geeignete Kalibrierung etwa in einem temperaturstabilisierten Medium ist es möglich, zwei Konstante α und zu bestimmen, welche die Abhängig­ keit der Laserfrequenz von der adiabatischen Längenänderung beziehungswei­ se von der thermisch induzierten Frequenzänderung beschreiben. Zusätzlich ist es notwendig, neben der reinen Frequenzverschiebung auch noch die An­ zahl der Modensprünge des Lasers 10 zu registrieren, um einen geeigneten Dynamikumfang zu gewährleisten. Dies kann relativ einfach durch eine schmale Bandpaßfilteranordnung in der elektrischen Auswerteschleife erfol­ gen.

Die Länge des vorstehend beschriebenen Aktuators errechnet sich somit wie folgt:

I. im Zeitfenster WT₁: L = α wf + kj.

II. im Zeitfenster WT₂: L = α/ wf + kj.

Hierbei ist bezeichnet mit
α = der Proportionalitätsfaktor für die zur Längenänderung propor­ tionalen Differenzänderung,
= der Proportionalitätsfaktor für die zur Temperaturänderung pro­ portionalen Längenänderung,
k = der Proportionalitätsfaktor für die zur Anzahl der Modensprünge proportionalen Frequenzänderung,
wf = die Differenzfrequenzänderung und
j = die Anzahl der Modensprünge.

Ein solchermaßen hochgenauer Aktuator kann zum Beispiel auch mikromecha­ nisch ausgeführt sein. Insbesondere kann er Längenänderungen, welche zum Beispiel durch Temperatureinflüsse induziert sind und eine ungewollte Län­ genänderung des Aktuatormediums und damit ein Verstellen des Manipula­ tionsarmes bewirkt, durch die inhärente Längenmessung erkannt werden und somit auch geeignet kompensiert werden. Solche hochgenauen Manipulatoren oder Aktuatoren mit direkter Meßmöglichkeit werden in vielen Gebieten der Mikromechanik benötigt, wie beispielsweise zur präzisen Positionierung ei­ ner Tunnelmikroskop-Spitze gegenüber einer Probe. Als Vorteile der vorbe­ schriebenen Ausführungsformen eines Mikrokristall-Lasers ist der einfach herstellbare monolithische Aufbau anzuführen, durch den das Gerät beson­ ders rigide und frequenzstabil wird und keine zusätzlichen Manipulations­ komponenten wie Piezos o. ä. benötigt. Weiterhin kann auch durch Mikrowel­ len in einem geeigneten Resonator moduliert werden und letztlich ist das Gerät als aktiver Manipulator bzw. Aktuator mit eingebauter direkter Stellwegmessung und Möglichkeiten zur Kompensation von beispielsweise thermischen Einflüssen etc. einsetzbar.

Claims (4)

1. Monolithisch aufgebauter Festkörperlaser in Form eines Mikrokri­ stall-Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive, elektro­ striktive Festkörpermaterial - Kristall oder Quarzglas - (11) dielek­ trisch zur Bildung eines monolithischen Resonators mit nur einer longi­ tudinalen Mode beschichtet wird und darauf an den beiden Festkörperend­ flächen zur Spannungsanlegung und Resonatorlängenmodulation Elektroden (12) angebracht und mit Anschlußdrähten (13) versehen sind.

2. Monolithisch aufgebauter Festkörperlaser in Form eines Mikrokri­ stall-Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive, elektro­ striktive Festkörpermaterial - Kristall oder Quarzglas - (11) aus einem Material mit hohem piezoelektrischen Koeffizienten (Lithiumniobat, Quarzgläser) zur Laserfrequenzmodulation in einem Mikrowellenresonator angeordnet ist.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostriktive, monolithische Festkörperlaser (10) mit einer Halterung (15) verbunden und mit einem beweglichen Stellarm (14) verse­ hen ist, der durch die Längenänderung des Laserkristalls (11) verschieb­ bar ist und dem Laserkristall (11) eine x-förmige Glasfaserweiche (16), eine Ankoppeloptik (16a), eine Pumplichtquelle in Form einer Halblei­ ter-Laserdiode (17), und eine Photodiode (18) sowie ein in einem tempe­ raturstabiliserten Medium (19) eingebrachter Referenzlaser (20) zugeord­ net sind.

4. Festkörperlaser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ermittlung des Stellsignals eine Auswerte-Einheit (30) angeordnet ist, in deren elektrischer Auswerteschleife eine schmale Bandpaßfilteranordnung angeschlossen ist.