DE4139832C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zwei-Wellenlängen-Laser mit polarisierten Strahlungsanteilen gemäß dem gemeinsamen Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 3, wie er in der Druckschrift "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. QE-17, No. 6, June 1981, Seiten 1139 ff von Kubodera und Otsuka in dem Artikel "Spike-mode oscillations in laser-diode pumped LiNdP₄O₁₂ lasers" beschrieben worden ist.

Für bestimmte Meßaufgaben sind Laser von Vorteil, welche im kontinuier­ lichen Betrieb simultan auf zwei unterschiedlichen Wellenlängen Laser­ strahlung emittieren. Beispielsweise in der Laser-Doppler-Anemometrie ist es mit Hilfe eines solchen mehrfarbigen "Laserlichts" möglich, mehrdimen­ sionale Gradientenverteilungen zu messen. Auch können in verschiedenen Fällen der Laserinterferometrie auf diese Weise simultan unterschiedliche Meßgrößen mit einem Laserstrahl erfaßt werden. Die Wellenlängendifferenz sollte in diesen Anwendungen so groß sein, daß eine einwandfreie Trennung der beiden Laserwellenlängen ("Farben") durch geeignete Filterung oder Polarisationstrennung noch in einer hinreichenden Dynamik möglich ist. Weiterhin erfordern es manche Anwendungen, daß die Laserwellenlängen gegeneinander in ihrer Wellenlänge verändert werden können. Je nach geforderter Kohärenzlänge des Laserlichtes ist es weiterhin notwendig, die Laserlinienbreite der einzelnen Farben zu beschränken.

Laserdiodengepumpte Festkörperlaser sind an sich bekannt, ebenso wie die Energieniveaus und möglichen Laserübergänge von Festkörperlaser­ materialien. Aus dem Artikel von Kintz und Baer "Single frequency operation in solid state laser materials with short absorption depth" in "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. 26, No. 9, Sept. 1990, Seiten 1457 ff ist es bekanntgeworden, daß longitudinaler Einmodenbetrieb von Festkörperlasern dadurch erreicht werden kann, daß ein kurzes Stück eines verstärkenden Mediums in der Nähe eines Laserspiegels angeordnet wird.

Aus der US 48 47 851 ist es bekannt, einen diodengepumpten Festkörperlaser auf einer Wärmesenke zu montieren, der ein Peltierelement und ein Wärmefühler zugeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher die Erzeugung zweifarbigen Laserlichtes ermöglicht, wobei die einzelnen Laserlinien in Wellenlänge und Polarisation getrennt und in der Wellenlänge gegeneinander abstimmbar sind und der Laser auf den einzelnen Wellenlängen im longitudinalen und transversalen Einmodenbetrieb - also mit minimaler Laserlinienbreite - emittiert.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bis 3 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schemabild bezüglich des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels, bei welchem die Laserwellenlängen mittels einer thermischen Kontrolle der Laserkristalle kontrolliert und gegeneinander verschiebbar sind,

Fig. 2 ein Schemabild eines Laseraufbaus nach dem Stand der Technik von Kubodera und Otsuka,

Fig. 3 ein Schemabild eines weitergehenden Ausführungsbeispiels, bei dem zusätzlich zur thermischen Kontrolle der Laserkristalle innerhalb des Resonators über einen Polarisationsteilerwürfel die beiden senkrecht zueinander oszillierenden Wellen räumlich getrennt werden und über ein bzw. zwei piezoelektrisch bewegbare Spiegel die beiden Wellenlängen mit hoher Bandbreite gegenein­ ander moduliert werden, wobei hier der Strahlaustritt aus dem Resonator für die beiden Wellenlängen in zueinander senkrechten Richtungen erfolgt,

Fig. 4 ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels analog zu demjenigen nach Fig. 3, wobei die Pumplaserdiode so angeordnet ist, daß ein kollinearer Strahlaustritt der beiden senkrecht zueinander polarisierten Laserwellen gegeben ist,

Fig. 5 ein Schemabild eines dritten Ausführungsbeispiels, das ebenfalls einen kollinearen Strahlaustritt aufweist, wobei die beiden Lasermaterialien je einer Pumplaserdiode zugeordnet sind und über einen gemeinsamen Auskoppelspiegel die Strahlauskopplung erfolgt, wobei zur Wellenlängenabstimmung hinter den Lasermaterialien optische Phasenmodulatoren angeordnet sind.

Die Fig. 1 veranschaulicht den Grundaufbau gemäß dem Erfindungsgedanken, wobei die Laserkristalle 3, 4, welche zueinander senkrecht stehende c-Achsen aufweisen (siehe hierzu Skizze in Fig. 2), auf je einer Wärme­ senke 5, 6 montiert sind, welche ihrerseits über je ein Peltierelement 7, 8 temperaturkontrolliert werden. Zur Messung der Kristalltemperatur sind an den Wärmesenken zwei Wärmefühler - beispielsweise NTC-Widerstände - 12, 13 angeordnet. Der Laserresonator wird zum einen gebildet durch den Auskoppelspiegel 10 und zum anderen ist der Laserkristall 3 an seiner Außenseite derart beschichtet, daß er eine hohe Transmission für die Pumpwellenlänge und eine hohe Reflexion für die Laserwellenlänge aufweist. Die Peltierelemente 7, 8, welche zur getrennten Temperaturkontrolle der Laserkristalle dienen, sind auf einem Kühlkörper 9 montiert.

Mit der hier gezeigten Ausführungsform ist es somit ermöglicht worden, die Laserkristalle in der Temperatur und damit in ihrer Frequenz zu kontrol­ lieren oder über eine temperaturinduzierte Frequenzverschiebung die beiden senkrecht zueinander polarisierten Laserwellen in ihrer Frequenz gegeneinander zu verschieben. Die Wellenlängenabstimmung der Laserüber­ gänge durch den thermischen Effekt der Laserniveauverschiebung schreitet hier jedoch relativ langsam vor sich.

Für eine schnelle Abstimmung der Laserwellenlängen zueinander zeigt die Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel. Auch hier wird die Pumpstrahlung einer Laserdiode 1 über eine Pumpoptik 2 auf die beiden Laserkristalle 3, 4 fokussiert, welche auf Wärmesenken 5, 6 montiert über Peltierelemente 7, 8 in ihrer Temperatur zueinander zumindest stabilisiert werden können. Zur Temperaturstabilisierung dienen die Wärmefühler 12, 13. Während die Laserwellenlängen durch die Temperaturstabilisation unabhängig von Umwelt­ einflüssen zueinander fixiert sind, kann die Laserwellenlänge nun abge­ stimmt werden durch die laterale Verschiebung der Auskoppelspiegel entlang der jeweiligen optischen Achse. In diesen Aufbau wird nun innerhalb des Resonators ein Strahlteilerwürfel eingebracht, welcher eine räumliche Separation der beiden senkrecht zueinander polarisierten Laserwellen ermöglicht. Entlang der jeweiligen optischen Achse ist jeweils einer der Auskoppelspiegel 21, 23 angebracht, welcher auf einem der lateralen Verstellelemente 22, 24, welche bei­ spielsweise durch Piezokeramiken geformt werden können, montiert ist. Die lateralen Verstellelemente sind vorteilhaft zylindrisch mit einer mittigen Bohrung ausgestaltet, durch welche die Laserstrahlung austreten kann. Durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente 22, 24 können die beiden senkrecht zueinander polarisierten und in ihrer Laserwellenlänge unter­ schiedlichen Laserstrahlen zueinander mit einer hohen Bandbreite - d. h. in sehr kurzen Zeitrythmen - gegeneinander verstimmt werden. Der Strahl­ austritt der Laserstrahlung geschieht in diesem Aufbau an verschiedenen Orten, es werden zwei Laserstrahlen senkrecht zueinander emittiert, welche eine senkrecht zueinander orientierte Polarisation aufweisen.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine kollineare Emission bei gleichzeitiger breitbandiger Wellenlängenabstimmung erreicht wird. Hierbei wird die Pumplichtstrahlung einer Laserdiode 1 über eine entsprechend langbrennweitige Ankoppeloptik 2 durch einen Spiegel 23, welcher auf einer Piezokeramik 24 montiert ist, in die Laserkristalle 3, 4 fokussiert. Die Laserdiode ist in dieser Ausführung so zu positionieren, daß die stark polarisierte Laserdiodenstrahlung den Strahlteilerwürfel 20 ungehindert passieren kann. Die thermische Kontrolle der Laserkristalle geschieht analog zu Fig. 1 und 3. In dieser Ausführungsform können die Laserwellenlängen durch die Piezokeramiken 22, 24 zueinander schnell abgestimmt werden. Im Unterschied zu dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungs­ beispiel sind die Laserspiegel 21, 23 jedoch hochreflektierend für die Laserwellenlängen, wohingegen die Außenseite des Kristalls 13 teilreflektie­ rend für die Laserwellenlänge ist und als Auskoppelspiegel dient. Man erhält so einen kollinearen Laserstrahl, welcher zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten enthält, wobei die beiden Laserübergänge den senkrechten Polarisationsrichtungen jeweils zugeordnet sind.

Eine ähnliche Anordnung veranschaulicht die Fig. 5, wobei hier die beiden temperaturstabilisierten Lasermaterialien je einer eigenen Pumplicht-La­ serdiode zugeordnet sind und zwischen den Lasermaterialien und dem Polari­ sations-Strahlteilerwürfel 20 in jedem Resonatorzweig je ein optischer Phasenmodulator 28, 29 zur gegenseitigen Wellenlängenabstimmung einge­ bracht ist. Die kollineare Auskopplung der Laserstrahlung beider Polari­ sationsrichtungen und Wellenlängen erfolgt über einen gemeinsamen Auskop­ pelspiegel 27.

Gegenüber dem eingangs angegebenen Stand der Technik ermöglichen die vorbeschriebenen Laserresonatoranordnungen eine frequenzstabilisierte und gegeneinander verstimmbare Erzeugung zweifarbigen Laserlichtes. Durch eine spezielle Resonatoranordnung ist es ferner möglich, die beiden Laser­ wellenlängen räumlich voneinander im Resonator zu trennen und so getrennt abzustimmen. Je nach Ausführung eines solchen Resonators emittiert ein Lasersystem der vorgestellten Art kollinear oder senkrecht zueinander austretend zweifarbiges Laserlicht. Die Abstimmbarkeit zweifarbiger Laserquellen ist eine wesentliche Voraussetzung für viele Meßverfahren.

Claims (6)

1. Zwei-Wellenlängen-Laser mit polarisierten Strahlungsanteilen, bei dem die Pumpstrahlung mindestens einer Halbleiterlaserdiode (1; 1a, 1b) in zwei LNP-Kristalle (3, 4) über mindestens eine Ankoppeloptik (2; 2a, 2b) fokussiert wird, wobei diese Kristalle (3, 4) mit senkrecht aufeinanderstehenden c-Achsen in einem Resonator mit mindestens einem Resonatorzweig angeordnet sind und longitudinaler Einmodenbetrieb für beide Polarisationsrichtungen realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkristalle (3, 4) auf zwei getrennten Wärmesenken (5, 6) montiert sind, welche ihrerseits mit jeweils einem Peltierelement (7, 8) versehen sind, denen jeweils ein Wärmefühler (12, 13) zugeordnet ist, und der Laserresonator durch den Auskoppelspiegel (10) und einer zur Lichteinkopplung beschichteten Außenseite des Laserkristalls (3) gebildet wird und über eine temperaturindizierte Frequenzverschiebung die beiden senkrecht zueinander polarisierten Laserwellen in ihrer Frequenz gegeneinander verschiebbar sind oder die Abstimmung der Laserwellenlängen durch eine laterale Verschiebung des Stellgliedes des Resonatorspiegels (10) entlang der optischen Achse (As) durchführbar ist.

2. Zwei-Wellenlängen-Laser mit polarisierten Strahlungsanteilen, bei dem die Pumpstrahlung mindestens einer Halbleiterlaserdiode (1; 1a, 1b) in zwei LNP-Kristalle (3, 4) über mindestens eine Ankoppeloptik (2; 2a, 2b) fokussiert wird, wobei die Kristalle (3, 4) mit senkrecht aufeinanderstehenden c-Achsen in einem Resonator mit mindestens einem Resonatorzweig angeordnet sind und longitudinaler Einmodenbetrieb für beide Polarisationsrichtungen realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkristalle (3, 4) auf zwei getrennten Wärmesenken (5, 6) montiert sind, welche ihrerseits mit jeweils einem Peltierelement (7, 8) versehen sind, denen jeweils ein Wärmefühler (12, 13) zugeordnet ist, und innerhalb des Resonators auf einer optischen Achse (AS) zur räumlichen Separation der beiden senkrecht zueinander polarisierten Laserwellen ein Strahlteilerwürfel (20) angeordnet ist, dessen beiden Teilstrahlen je ein Auskoppelspiegel (21, 23) zugeordnet ist, welcher auf einem lateralen Verstellelement (22, 24) montiert ist.

3. Zwei-Wellenlängen-Laser mit polarisierten Strahlungsanteilen, bei dem die Pumpstrahlung mindestens einer Halbleiterlaserdiode (1; 1a, 1b) in zwei LNP-Kristalle (3, 4) über mindestens eine Ankoppeloptik (2; 2a, 2b) fokussiert wird, wobei die Kristalle (3, 4) mit senkrecht aufeinanderstehenden c-Achsen in einem Resonator mit mindestens einem Resonatorzweig angeordnet sind und longitudinaler Einmodenbetrieb für beide Polarisationsrichtungen realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkristalle (3, 4) auf zwei getrennten Wärmesenken (5, 6) montiert sind, welche ihrerseits mit jeweils einem Peltierelement (7, 8) versehen sind, denen jeweils ein Wärmefühler (12, 13) zugeordnet ist, und innerhalb des Resonators auf einer optischen Achse (AS) zur räumlichen Separation der beiden senkrecht zueinander polarisierten Laserwellen ein Strahlteilerwürfel (20) angeordnet ist und jedem der beiden temperaturstabilisierten Lasermaterialien (3, 4) je eine Pumplicht-Laserdiode (1a, 1b) zugeordnet ist und zwischen diesen und dem Polarisations-Strahlteilerwürfel (20) in jedem Resonatorzweig je ein optischer Phasenmodulatorr (28, 29) angeordnet ist und zur kollinearen Auskopplung der beiden polarisierten Laserstrahlen ein gemeinsamer Auskoppelspiegel (27) vorgesehen iist.

4. Zwei-Wellenlängen-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmefühler (12, 13) NTC-Widerstände sind.

5. Zwei-Wellenlängen-Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Peltierelemente (7, 8) auf einem Kühlkörper (9) montiert sind.

6. Zwei-Wellenlängen-Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lateralen Verstellelemente (22, 24) als Piezokeramik und zylindrisch mit einer mittigen Bohrung (22a, 24a) für den Laserstrahlaustritt ausgebildet sind.