DE4125720C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf monolithisch aufgebaute, mit Halb­ leiter-Laserdioden gepumpte Mikrokristall-Laser.

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 longitudinalen 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 monolithischen Mikrokristall-Laser werden optisch z. B. mit Laser­ dioden oder Titan-Saphir-Lasern angeregt.

Eine Ausführungsform der vorbeschriebenen Mikrokristall-Laser ist aus der EP 03 27 310 A2 bekannt.

Für viele Anwendungen ist es indes erforderlich, solche Laser - die auch als "single-frequency-laser" bezeichnet werden - in der Frequenz kontinu­ ierlich 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 von F. Zhou u. A.I. Ferguson in "Electronics Letters, 29th March 1990, Vol. 26, No. 7, Seiten 490 ff" vor­ geschlagen, einen extern gehaltenen Laserspiegel über einen piezoelektrischen Versteller gegen einen halbmonolithisch be­ dampften Laserkristall zu bewegen. Es muß also von dem monolithischen Laseraufbau abgegangen werden. Der Nachteil dieses vorgeschlagenen Verfah­ rens ist unter anderem in der reduzierten mechanischen Stabilität und somit auch in der größeren Linienbreite - also geringeren Schmalbandigkeit - zu sehen.

Von J. J Zaykowski u. A. Mooradian ist in "Optics Letters, Vol. 14, No. 12, 1989, Seite 618 ff" als weitere Möglichkeit die Ausübung eines transversalen Stresses auf den Laserkristall vorgeschlagen worden. Dies führt jedoch zu einer Aufhebung der Entartung für senkrecht zueinander stehende Polarisationsrichtung und somit zu einem Frequenzsplitting. Siehe hierzu A. Owyoung und P. Esherick in "Optics Letters, Vol. 12, No. 12, 1987, Seiten 999 ff".

Diodengepumpte Festkörperlaser mit transversaler piezoelektrischer Frequenzmodulation sind weiterhin auch in "Journal of Lightwave Technology, Vol. 8, No. 3, 1990, S. 249-301" von L. G. Kazovsky u. a. beschrieben.

Aus der US 35 73 654 und der US 35 73 653 sind elektrooptisch abstimmbare Laser bekannt, bei welchem zur Frequenzabstimmung der Brechungsindex einer dünnen laseraktiven Schicht durch Anlegen eines elektrischen Feldes verändert wird.

Ein elektrooptischer Lichtmodulator, der in einem Mikrowellenresonator angeordnet ist, wurde von I. P. Kawinow u. W. M. Sharpless in "Applied Optics, Vol. 6, No. 2, 1967, S. 351-352" beschrieben.

Nd : LiNbO₃ als laseraktives Material ist bekannt und wurde z. B. von A. Cordova-Plaza et al in "IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-23, No. 2, 1967, S. 262 ff" beschrieben. Weiterhin wurde ein als Wellenleiter ausgebildeter Nd : MgO : LiNbO₃-Laser von E. Lallier et. al. in "Electronics Letters, Vol. 27, No. 11, 1991, S. 936 ff" beschrieben.

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

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 aufgezeigten Maß­ nahmen gelöst. Im Unteranspruch sind Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterun­ gen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild in leicht perspektivischer Ansicht eines laserak­ tiven, elektrostriktiv abstimmbaren Laserkristalls,

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

Fig. 3a ein Diagramm über die Stellsignalauswertung bezüglich des Spannungssignals an den Elektroden als Funktion der Zeit t,

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

Fig. 3c ein Diagramm über die Stellsignalauswertung bezüglich der Differenzfrequenz als Funktion der Zeit t.

Der in Fig. 1 skizzierte Mikrokristall-Laser 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 sind 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 ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung 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 piezoelektrischem 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 Signales 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 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ein elektrostriktiver, monolithischer Festkörperlaser 10 vorgeschlagen, dessen Elektrostriktion nicht nur zur Frequenzabstimmung des Lasers verwendet wird, wie es anhand der Fig. 1 beschrieben wurde, 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 kann 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 ΔT₁ erfolgt, innerhalb dessen die Temperaturänderung vernach­ lässigbar klein ist.
• b) die Spannung konstant gehalten wird und die Messung der weiteren Frequenzverschiebung des Lasers 10 in einem zweiten Zeitfenster ΔT₂ er­ folgt, wobei diese Frequenzverschiebung einerseits durch eine Tempera­ turänderung des Laserkristalls 11 erfolgt, welche aber andererseits zusätzlich noch von einer temperaturbedingten Längenänderung des Laserkristalls 11 überlagert ist.

Durch geeignete Kalibrierung, etwa in einem temperaturstabilisierten Medium, ist es möglich, zwei Konstanten α und β 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 ΔT₁: L = α δf + j
II. im Zeitfenster ΔT₂: L = α/β δf + j

Hierbei ist bezeichnet mit

α = der Proportionalitätsfaktor für die zur Längenänderung proportio­ nale Differenzfrequenzänderung,
β = der Proportionalitätsfaktor für die zur Temperaturänderung pro­ portionale Längenänderung,
= der Proportionalitätsfaktor für die zur Anzahl der Modensprünge proportionale Frequenzänderung,
δf = die Differenzfrequenzänderung und
j = die Anzahl der Modensprünge.

Ein solchermaßen hochgenauer Aktuator kann zum Beispiel auch mikromecha­ nisch ausgeführt sein. Insbesondere können Längenänderungen, welche zum Beispiel durch Temperatureinflüsse induziert sind und eine ungewollte Län­ genänderung des Aktuatormediums und damit ein Verstellen des Manipulati­ onsarmes bewirken, durch die inhärente Längenmessung erkannt werden und so­ mit auch geeignet kompensiert werden. Solche hochgenauen Manipulatoren oder Aktuatoren mit direkter Meßmöglichkeit werden in vielen Gebieten der Mikromechanik benötigt, wie beispielsweise zur präzisen Positionierung einer Tunnelmikroskop-Spitze gegenüber einer Probe. Als Vorteile der vor­ beschriebenen 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 Mikrowellen in einem geeigneten Resonator moduliert werden und letztlich ist das Gerät als aktiver Manipulator bzw. Aktuator mit eingebauter direkter Stel­ lwegmessung und Möglichkeiten zur Kompensation von beispielsweise thermi­ schen Einflüssen etc. einsetzbar.

Claims (3)

1. Monolithisch aufgebauter, mit Halbleiter-Laserdioden gepumpter Mikrokristall-Laser, dessen Mikrokristall (11) zur Laserfrequenzmodula­ tion in einem Mikrowellenresonator angeordnet ist und aus einem elektro­ striktiven Material mit einem hohen piezoelektrischen Koeffizienten be­ steht, das mit Neodym-Ionen dotiert ist, und der dielektrisch zur Bil­ dung eines monolithischen Resonators beschichtet ist und eine solche Resonatorlänge aufweist, daß nur eine einzige longitudinale Lasermode anschwingt.

2. Monolithisch aufgebauter, mit Halbleiter-Laserdioden gepumpter Mikrokristall-Laser, dessen Mikrokristall (11) aus einem elektrostrikti­ ven Material mit einem hohen piezoelektrischen Koeffizienten besteht, das mit Neodym-Ionen dotiert ist, und der dielektrisch zur Bildung eines monolithischen Resonators beschichtet ist und eine solche Resonatorlänge aufweist, daß nur eine einzige longitudinale Lasermode anschwingt, wobei der beschichtete Mikrokristall (11) an beiden Resonatorendflächen zur Spannungsanlegung und Resonatorlängenmodulation mit Elektroden (12) und Anschlußdrähten (13) versehen und einerseits von einer Halterung (15) aufgenommen und andererseits mit einem beweglichen Stellarm (14) verbun­ den ist, der durch die Längenänderung des Mikrokristalls (11) verschieb­ bar ist, und wobei dem Mikrokristall (11) zur Bestimmung dieser Längen­ änderung eine x-förmige Glasfaserweiche (16) zugeordnet ist, deren Enden mit einer Ankoppeloptik (16a) an den Mikrokristall (11), Halbleiter-La­ serdiode (17) als Pumplichtquelle, einer Photodiode (18) sowie mit einem in einem temperaturstabilisierten Medium (19) eingebrachten Referenzla­ ser (20) verbunden sind.

3. Mikrokristall-Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Mikrokristall (11) aus Lithiumniobat besteht, das mit Neo­ dym-Ionen dotiert ist.