DE4139833A1 - Microcrystal two wavelength laser for super heterodyne interferometer - has laser diode pumped solid state laser system consisting of two monolithic microcrystal lasers in longitudinal single mode operation - Google Patents

Microcrystal two wavelength laser for super heterodyne interferometer - has laser diode pumped solid state laser system consisting of two monolithic microcrystal lasers in longitudinal single mode operation

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Abstract

The laser has at least one laser crystal which is cyclically modulated in its emission wavelength using thermal control. Both resulting laser frequencies have a differential frequency. This frequency alters cyclically and sweeps over a typical range of 0 to 50 GHz. The frequency difference during the complete duration of the operation of the laser system has periodic zero crossings or periodically a small differential frequency, and large superimposed wavelengths. The radiation of both laser crystals can be spatially separated. USE/ADVANTAGE - For measurement of relatively large distances. Difference frequency is generated independently of variations in ambient temp. of laser system. Synthesises frequencies from 0 to 30 GHz, giving measurement resolution greater than 10 power-6 w.r.t. absolute distance.

Description

Absolut messende Interferometer nach dem Superheterodyn-Verfahren ermöglichen es, Abstandsmessungen über relativ große Distanzen mit einer relativen Auflösung von besser als 10-6, bezogen auf die absolute Distanz, vorzunehmen. Ein besonderer Vorteil dieser Superheterodyn-In­ terferometer liegt darin, daß sie zwar einerseits optisch, d. h. mit Hilfe von ausgesandter Laserstrahlung, messen, die Meßgröße selbst jedoch aus einer sogenannten synthetischen Wellenlänge bestimmt wird, welche, meist im Mikrowellenbereich liegend, durch Überlagerung zweier Laserwellenlängen mit nur geringer Wellenlängendifferenz erzeugt wird.Absolute measuring interferometers based on the super heterodyne method enable distance measurements over relatively large distances with a relative resolution of better than 10-6, based on the absolute Distance. A particular advantage of this super heterodyne terferometer is that, on the one hand, it is optical, d. H. With With the help of emitted laser radiation, measure the measurand itself but is determined from a so-called synthetic wavelength, which, mostly in the microwave range, by superimposing two Laser wavelengths with only a small wavelength difference is generated.

Aufgabe der Erfindung ist es, Lasersysteme zu schaffen, welche einer­ seits eine hinreichend kleine Linienbreite aufweisen, so daß der Einfluß der Linienbreite auf den Meßfehler vernachlässigt werden kann, und zum anderen zwei gegeneinander abstimmbare Wellenlängen erzeugen, so daß eine Durchstimmung der synthetischen Wellenlänge im Bereich von etwa einigen Zentimetern bis nahezu unendlich vorgenommen werden kann.The object of the invention is to provide laser systems which one have a sufficiently small line width, so that the influence the line width on the measurement error can be neglected, and others produce two mutually tunable wavelengths, so that a tuning of the synthetic wavelength in the range of about a few centimeters to almost infinite.

Eine bevorzugte Methode zur Erzeugung von Laserstrahlung mit sehr kleiner Linienbreite ist die Verwendung von sogenannten Mikrokristall- Lasern, wie sie zum Beispiel in EP 03 27 310 A2 beschrieben sind. Aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften emittieren diese vorzugsweise dioden­ gepumpten Festkörperlaser im infraroten oder sichtbaren Wellenlängen­ bereich, bei Linienbreiten, welche typisch kleiner als 10 kHz liegen.A preferred method for generating laser radiation with very small line width is the use of so-called micro crystal Lasers, such as those described in EP 03 27 310 A2. Because of Their inherent properties preferably emit diodes pumped solid-state lasers in infrared or visible wavelengths range, for line widths that are typically less than 10 kHz.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Anordnung vorzustellen, welche es ermöglicht, auf der Basis von Mikrokristall-Festkörperlasern zwei nahe beieinander liegende Laserwellenlängen so gegeneinander zu verschieben, daß man, bei Überlagerung der beiden Wellenlängen, eine Differenz­ frequenz erhält, welche durchstimmbar im Bereich von etwa 0 bis 30 Giga­ hertz liegt, entsprechend einer synthetischen Wellenlänge von 3 cm bis nahezu unendlich. The object of this invention is to present an arrangement which it enables two on the basis of microcrystalline solid-state lasers to shift adjacent laser wavelengths so that that there is a difference when the two wavelengths are superimposed receives frequency, which is tunable in the range of about 0 to 30 gigas hertz is, corresponding to a synthetic wavelength of 3 cm to almost infinite.  

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by an arrangement according to claim 1.

Die vorliegende Anordnung basiert auf der Verwendung von sogenannten monolithischen Mikrokristall-Lasern, was besagt, daß ein Laserkristall Verwendung findet, welcher so geartet ist, daß die zum Laserbetrieb notwendigen Spiegel direkt auf den Laserkristall aufgebracht sind. Weiterhin sind die Abmessungen des monolithischen Laserkristalles so gewählt, daß eine hinreichend kurze Resonatorlänge resultiert, aufgrund derer der Mikrokristall-Laser nur auf einer einzelnen longitudinalen Mode emittiert. Die monolithische Anordnung des Laserresonators hat insbesondere zur Folge, daß die Laserstrahlung eine ausgesprochen geringe Linienbreite aufweist und einem deutlich reduzierten Frequenz­ jitter unterworfen ist im Vergleich zu halbmonolithischen oder externen Resonatoraufbauten.The present arrangement is based on the use of so-called monolithic micro crystal lasers, which means that a laser crystal Is used, which is such that the laser operation necessary mirrors are applied directly to the laser crystal. Furthermore, the dimensions of the monolithic laser crystal are the same chosen that a sufficiently short resonator length results, due to that of the micro-crystal laser only on a single longitudinal one Fashion emits. The monolithic arrangement of the laser resonator has in particular the consequence that the laser radiation is pronounced has a small line width and a significantly reduced frequency is subject to jitter compared to semi-monolithic or external Resonator structures.

Die Emissionswellenlänge eines solchen Mikrokristall-Festkörperlasers kann insbesondere dadurch beeinflußt werden, daß man die Temperatur des Laserkristalles in kontrollierter Weise verändert. So resultiert zum Beispiel eine Temperaturänderung von 1 Kelvin im Falle des bekannten Nd:YAG Materiales in einer Linienverschiebung von typisch 4.5 GHz, wobei diese Linienverschiebung zum einen zurückzuführen ist auf eine Längen­ änderung des Laserkristalles (ca. 3.1 GHz/K), und einer Niveauverschie­ bung der am Laserprozeß beteiligten Energieniveaus der Elektronenhülle des Aktivatorions (ca. 1.4 GHz/K).The emission wavelength of such a microcrystalline solid-state laser can be influenced in particular by the fact that the temperature of the Laser crystals changed in a controlled way. This results in Example a temperature change of 1 Kelvin in the case of the known Nd: YAG material in a line shift of typically 4.5 GHz, where this line shift is due on the one hand to a length Change of the laser crystal (about 3.1 GHz / K), and a level shift Exercise of the energy levels of the electron shell involved in the laser process of the activator ion (approx.1.4 GHz / K).

Da es insbesondere eine Aufgabe der Erfindung sein soll, Laserwellen­ längen derart gegeneinander zu verschieben, daß eine Differenzfrequenz von 0 bis etwa 30 Gigahertz erzielt wird, werden in vorliegender Aus­ führung zwei Mikrokristall-Laser aus identischem Material so aufgebaut, daß bei Überlagerung ihrer Laseremission die gewünschte synthetische Wellenlänge im oben erwähnten Frequenzbereich erzeugt werden kann.Since it is particularly intended to be an object of the invention, laser waves lengths to shift against each other so that a difference frequency from 0 to about 30 gigahertz is achieved in the present case two micro-crystal lasers made of identical material that if their laser emission is superimposed, the desired synthetic Wavelength can be generated in the frequency range mentioned above.

Bei der Auswahl des Lasermaterials und der Resonatorlänge ist einerseits zu beachten, daß die Floreszenzlinienbreite des Lasermaterials hin­ reichend breit ist, um eine erforderliche Tuningrate von ca. 0 bis 30 Gigahertz zu ermöglichen, andererseits der Resonator hinreichend kurz ist, so daß nur eine einzelne longitudinale Mode auftritt. Drittens ist die Resonatorlänge so zu wählen, daß bei Raumtemperatur die Lasermode in der Mitte des Verstärkungsprofiles zu liegen kommt, so daß bei Tempera­ turänderung um diesen stabilen Punkt herum keine Modensprünge im Bereich des Abstimmens von 0 bis 30 Gigahertz auftreten.When choosing the laser material and the resonator length is on the one hand note that the width of the florescence line of the laser material is wide enough to achieve a required tuning rate of approx. 0 to 30  To enable gigahertz, on the other hand, the resonator is sufficiently short is so that only a single longitudinal mode occurs. Third is choose the resonator length so that at room temperature the laser mode in the middle of the reinforcement profile comes to rest, so that at tempera no change in mode in the area around this stable point of tuning from 0 to 30 gigahertz.

Es wird weiter davon ausgegangen, daß die Mikrokristall-Laser mit Halbleiter-Laserdioden optisch angeregt werden, was dem Stande der Technik entspricht (s. auch hierzu EP 03 27 310 A2). In der folgenden Beschreibung wird die optische Anregung der Laserkristalle voraus­ gesetzt und nicht weiter darauf Bezug genommen.It is further assumed that the micro crystal laser with Semiconductor laser diodes are optically excited, which is the state of the art Technology corresponds (see also EP 03 27 310 A2). In the following Description will precede the optical excitation of the laser crystals set and not referred to further.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der Beschreibung, worin anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele erörtert werden. Es zeigenDetails of the invention emerge from the further subclaims and the description, in which exemplary embodiments are based on the drawing be discussed. Show it

Fig. 1a-d schematisch die erfindungsgemäße Anordnung mit getrennten Elementen zur Temperaturregelung für beide Laserkristalle und Diagramme für ihr Verhalten, Fig. 1a-d schematically shows the inventive arrangement with separate elements for regulating the temperature for both laser crystals and diagrams for their behavior,

Fig. 2a-b eine Anordnung mit gemeinsamem Peltierelement für die beiden Laserkristalle und Diagramme für ihr Verhalten, FIG. 2a-b shows an arrangement with common Peltier element for the two laser crystals and diagrams for their behavior,

Fig. 3a-e eine Anordnung mit getrennten Peltierelement für die beiden Laserkristalle für Durchstimmung der Wellenlängen mit Diagrammen für ihr Verhalten, Fig. 3a-e shows an arrangement with separate Peltier element for the two laser crystals for tuning the wavelengths with diagrams for their behavior,

Fig. 4a-b eine Anordnung mit gemeinsamem Peltierelement für die beiden Laserkristalle für Durchstimmung der Wellenlängen mit einem Diagramm für ihr Verhalten, Fig. 4a-b shows an arrangement with common Peltier element for the two laser crystals for tuning the wavelengths with a chart for their behavior,

Fig. 5a-b eine weitere Anordnung mit gemeinsamem Peltierelement für die beiden Laserkristalle mit einem Diagramm für ihr Verhalten, und Fig. 5a-b another arrangement with a common Peltier element for the two laser crystals with a diagram for their behavior, and

Fig. 6a-c eine weitere Anordnung mit zweiteiligem Peltierelement für die beiden Laserkristalle mit einem Diagramm für ihr Verhalten. FIGS. 6-c a further arrangement with a two Peltier element for the two laser crystals with a chart for their behavior.

In einer einfachen Ausführung nach Fig. 1a werden zwei Laserkristalle geeigneter gleicher Resonatorlänge so gehaltert, daß einer der beiden Laserkristalle 1 zum Beispiel mit Hilfe eines Peltierelementes 2 auf­ geheizt bzw. abgekühlt werden kann, wohingegen der zweite Laserkristall 3 mit einer einfachen Wärmesenke 4 in Verbindung steht. Ein idealer Betrieb dieser Anordnung gemäß der Aufgabe der Erfindung wäre nun dadurch gegeben, daß gemäß der Fig. 1b der temperaturkontrollierte Laser im zeitlichen Wechsel genau so aufgeheizt bzw. abgekühlt wird, daß die Laserwellenlänge respektive die Laserwellenlängenfrequenz sich perio­ disch in Form einer Dreiecksfunktion ändert. Der zweite Laser wird hierbei in seiner Frequenz konstant gehalten, so daß, wie im Diagramm 1b eingezeichnet, die Differenzfrequenz ebenfalls im zeitlichen Verlauf einer idealen Dreiecksfunktion entspricht. Hierbei sollte der Frequenz­ hub so gewählt werden, daß die erforderliche Tuningbandbreite von 0 bis 30 Gigahertz erreicht wird. Der erforderlich Hub der Temperaturänderung ergibt sich hierbei aus der spezifischen Frequenzänderung mit der Temperatur, die Starttemperatur ergibt sich aus der Wellenlängendiffe­ renz der beiden Laser bei gleicher Temperatur, gerade so, daß die Funktion der Frequenzänderung die konstante Funktion der Frequenz des zweiten Lasers berührt.In a simple embodiment according to Fig. 1a, two laser crystals of suitable resonator length are held so that one of the two laser crystals 1 can be heated or cooled, for example with the aid of a Peltier element 2 , whereas the second laser crystal 3 can be connected to a simple heat sink 4 stands. An ideal operation of this arrangement according to the object of the invention would now be given in that, according to FIG. 1b, the temperature-controlled laser is heated or cooled in alternation with time so that the laser wavelength or the laser wavelength frequency changes periodically in the form of a triangular function. The second laser is kept constant in frequency, so that, as shown in the diagram b 1, the difference frequency also corresponds to the time course of an ideal triangle function. The frequency hub should be selected so that the required tuning bandwidth of 0 to 30 gigahertz is achieved. The required stroke of the temperature change results from the specific frequency change with the temperature, the starting temperature results from the wavelength difference of the two lasers at the same temperature, so that the function of the frequency change touches the constant function of the frequency of the second laser.

Da unter realen Bedingungen die Laserfrequenz des unkontrollierten Lasers sich z. B. mit der Raumtemperatur ändern kann, ist es für den praktischen Betrieb günstiger, den Frequenzshift des unkontrollierten Lasers 3 etwas zu erhöhen und einem negativen Offset derart zu unter­ werfen, daß die Dreiecksfunktionen der Frequenzänderung die konstante Funktion des frequenzkonstanten Lasers schneidet. Die Differenzfrequenz der beiden Laser ergibt sich hierbei gemäß Fig. 1c resultierend in einer periodischen Funktion mit zwei Dreiecksspitzen innerhalb einer Periode, wobei die Amplitudendifferenz der beiden Dreiecksspitzen durch den Frequenzoffset des temperaturkontrollierten Lasers gegeben ist.Since under real conditions the laser frequency of the uncontrolled laser z. B. can change with the room temperature, it is cheaper for practical operation to increase the frequency shift of the uncontrolled laser 3 somewhat and to throw a negative offset in such a way that the triangular functions of the frequency change intersect the constant function of the constant frequency laser. According to FIG. 1c, the difference frequency of the two lasers results in a periodic function with two triangle tips within a period, the amplitude difference of the two triangle tips being given by the frequency offset of the temperature-controlled laser.

Da der Wirkungsgrad von kälteerzeugenden Systemen immer kleiner als 1 ist, müßte die Temperaturansteuerung für das Heiz- bzw. Kühlsystems, in diesem Falle z. B. des Peltierelementes 2, so aussehen, daß zur Erzielung einer idealen Dreiecksfunktion für die Differenzfrequenz der Laser­ kristall über eine kürzere Zeitspanne geheizt und über eine längere Zeitspanne abgekühlt wird, so daß Aufheizungs- und Abkühlungsprozeß temperaturmäßig gleich schnell verlaufen. Da andererseits der Wirkungs­ grad eines solchen Peltierelementes stark von der Umgebungstemperatur bzw. der Temperatur der Wärmesenke abhängt, erzeugt ein solches System unter realen Betriebsbedingungen selten eine ideale Dreiecksfunktion in der Frequenzänderung, vielmehr verläuft wie in Fig. 1d unter realen Bedingungen der Aufheizprozeß meist schneller als der Abkühlungsprozeß, wodurch auch eine asymmetrische Funktion der Differenzfrequenz beider Laser resultiert.Since the efficiency of refrigeration systems is always less than 1, the temperature control for the heating or cooling system, in this case z. B. the Peltier element 2 , look so that to achieve an ideal triangular function for the differential frequency of the laser crystal is heated over a shorter period of time and cooled over a longer period of time, so that the heating and cooling process run at the same temperature. On the other hand, since the degree of effectiveness of such a Peltier element strongly depends on the ambient temperature or the temperature of the heat sink, such a system rarely produces an ideal triangular function in the frequency change under real operating conditions; rather, as in FIG. 1d under real conditions, the heating process usually runs faster than the cooling process, which also results in an asymmetrical function of the difference frequency of the two lasers.

Diesem Problem kann insofern behoben werden, als beide Laserkristalle, also sowohl der temperaturkontrollierte Laser 1 als auch der temperatur­ konstante Laser 3 ihrerseits auf ein Peltierelement 5 befestigt werden (Fig. 2a), welches auf konstanter Temperatur gehalten wird. In diesem Falle wird die Wärmesenketemperatur kontrolliert, so daß unabhängig von Raumtemperaturänderungen eine relativ ideale Dreiecksfunktion in der Frequenzänderung gemäß Fig. 2b erzielt wird.This problem can be remedied insofar as both laser crystals, that is to say both the temperature-controlled laser 1 and the temperature-constant laser 3, are in turn attached to a Peltier element 5 ( FIG. 2a), which is kept at a constant temperature. In this case, the heat sink temperature is controlled so that a relatively ideal triangular function in the frequency change according to FIG. 2b is achieved regardless of room temperature changes.

Nachteil einer Anordnung, bei welcher ein Laser bei konstanter Frequenz betrieben wird, ist, daß gerade in diesem Falle die Emissionswellenlänge des abgestimmten Lasers nicht in der Mitte des Verstärkungsprofiles bei Raumtemperatur liegen kann, sondern vielmehr die longitudinale Mode einseitig von einer Seite des Verstärkungsprofiles zur anderen Seite des Verstärkungsprofiles geschoben werden muß. Eine solche Anordnung ist also nur in bestimmten Rahmen in der Wellenlänge veränderbar, begrenzt durch das Einsetzen von Modensprüngen an den Rändern des Verstärkungsprofiles. Disadvantage of an arrangement in which a laser at a constant frequency is operated is that precisely in this case the emission wavelength of the tuned laser is not in the middle of the reinforcement profile Room temperature, but rather the longitudinal mode unilaterally from one side of the reinforcement profile to the other side of the Reinforcement profile must be pushed. So such an arrangement is the wavelength can only be changed within certain limits, limited by the insertion of fashion jumps on the edges of the reinforcement profile.  

Ein größerer Durchstimmbereich kann erzielt werden, in dem wie in Fig. 3a skizziert, beide Laserkristalle in der Temperatur gegeneinander verfahren werden, in der Wellenlänge also gegeneinander durchgestimmt werden. Fig. 3b zeigt hierbei das periodische Verhalten der Laser­ frequenz beider Laser sowie das periodische Verhalten der Differenz­ frequenz. Die Phasendifferenz für das periodische Aufheizen und Abkühlen der beiden Laser beträgt hierbei 180 Grad, die maximale Differenz des einen Lasers wird gerade so gewählt, daß sie mit der minimalen Frequenz des anderen Lasers zusammenfällt und so ein Nulldurchgang in der Differenzfrequenz erzielt wird. Fig. 3c zeigt das Abstimmverfahren unter realen Bedingungen, bei denen auch eine negative Differenzfrequenz zwischen den beiden Laserfrequenzen auftreten kann; zu beachten ist, daß in den Diagrammen als dritte Kurve immer der Betrag der Differenz­ frequenz aufgetragen ist, aus welchem sich letztlich die Größe der synthetischen Wellenlänge berechnet.A larger tuning range can be achieved by moving both laser crystals against each other in temperature, as outlined in FIG . Fig. 3b shows the periodic behavior of the laser frequency of both lasers and the periodic behavior of the difference frequency. The phase difference for the periodic heating and cooling of the two lasers is 180 degrees, the maximum difference of one laser is chosen so that it coincides with the minimum frequency of the other laser and thus a zero crossing in the difference frequency is achieved. Fig. 3c shows the tuning under real conditions which may occur and a negative difference frequency between the two laser frequencies; It should be noted that in the diagrams the third curve is always the amount of the difference frequency, from which the size of the synthetic wavelength is ultimately calculated.

Bei dieser Art der Temperatursteuerung ist streng darauf zu achten, daß der Heiz/Kühlzyklus für beide Peltierelemente genau gleich ist, anderen­ falls es zu einem Frequenzverhalten gemäß Fig. 3d kommen würde. Diagramm 3e zeigt das Abstimmverhalten unter dem Einfluß von Raumtemperatur­ schwankungen, welche insbesondere in Wirkungsgradschwankungen der Kühlsysteme resultieren. Das kommt daher, daß Aufheiz- und Abkühlprozeß verschieden lange dauern und somit im zeitlichen Verlauf der Differenz­ frequenz Asymmetrienauftreten können.With this type of temperature control, care must be taken to ensure that the heating / cooling cycle is exactly the same for both Peltier elements, otherwise if there would be a frequency response according to FIG. 3d. Diagram 3 e shows the tuning behavior under the influence of room temperature fluctuations, which in particular result in fluctuations in the efficiency of the cooling systems. This is because the heating and cooling process take different lengths of time and thus frequency asymmetries can occur in the course of the difference.

Dieses Problem kann wieder wie oben gezeigt dadurch umgangen werden, daß nach Fig. 4a beide temperaturgeregelten Laserkristalle auf einem gemein­ samen Peltierelement 5 plaziert werden, so daß die Außentemperatur­ schwankungen abgeblockt werden und die Wärmesenkentemperatur der die Frequenzänderung bestimmenden Peltierelemente konstant gehalten wird. Das Frequenzverhalten dieses Systemes ist in Fig. 4b dargestellt.Again, as shown above, this problem can be avoided by placing both temperature-controlled laser crystals on a common Peltier element 5 according to FIG. 4a, so that the outside temperature fluctuations are blocked and the heat sink temperature of the frequency change-determining Peltier elements is kept constant. The frequency response of this system is shown in Fig. 4b.

Fig. 5a zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung nach der Erfindung, bei welcher die Aufheiz- bzw. Abkühlprozesse für beide Laserkristalle so miteinander gekoppelt sind, daß kein spezieller Abgleich der Ansteu­ erungsphasen bzw. der Wärmeleistung zweier unterschiedlicher Peltier­ elemente vorgenommen zu werden braucht und zwar dadurch, daß zwei Mikrokristallaser 1 und 3 auf jeweils einer gegenüberliegenden Seite desselben Peltierelementes 6 angebracht werden. Während also der eine Kristall abgekühlt wird, wird der auf der anderen Seite des Peltier­ elementes befindliche Kristall gleichzeitig aufgeheizt. Frequenz­ verhalten bzw. die Differenzfrequenz für dieses System ist aus Fig. 5b zu entnehmen. Fig. 5a shows a further preferred arrangement according to the invention, in which the heating or cooling processes for both laser crystals are coupled together so that no special adjustment of the control phases or the heat output of two different Peltier elements needs to be made, and thereby that two microcrystalline fibers 1 and 3 are attached to an opposite side of the same Peltier element 6 . So while one crystal is being cooled, the crystal on the other side of the Peltier element is heated at the same time. Frequency behavior or the difference frequency for this system can be seen from Fig. 5b.

Da Peltierelemente, wie bereits gesagt, mit einem Wirkungsgrad kleiner 1 arbeiten, resultiert eine Abkühlung der kalten Seite um Dt1 in einer Aufheizung der warmen Seite um Δt2 < Δt1. Bei zyklischer Aufhei­ zung/Abkühlung des Pelterielementes bleibt zwar die Wellenlängendif­ ferenz beider Laserwellenlängensysteme beschränkt, die Absoluttempera­ tur der Kalt- bzw. Heißseite eines Zyklus steigt jedoch stetig an, wie in Fig. 5b skizziert. Bei hinreichend langem Betrieb eines solchen Systemes käme es sozusagen zu einem Temperaturkollaps.Since Peltier elements, as already mentioned, operate with an efficiency of less than 1, cooling the cold side by Dt1 results in heating the warm side by Δt2 <Δt1. With cyclical heating / cooling of the pelteric element, the wavelength difference of both laser wavelength systems remains limited, but the absolute temperature of the cold or hot side of a cycle rises steadily, as outlined in Fig. 5b. If such a system was operated for a sufficiently long time, a temperature collapse would occur.

Montiert man dieses Peltierelement 6 entsprechend Fig. 6a so auf einem zweiten, senkrechten hierzu befindlichen Peltierelement 7, daß sowohl Heiß- als auch Kaltseite eines Zyklus des die Laserfrequenz beeinflus­ senden Peltierelementes auf die Kaltseite des zweiten Peltierelementes kontaktiert werden über Wärmekontakte 8 mit definierter Wärmeleitfähig­ keit, also quasi ein thermischer Kurzschluß des ersten Peltierelementes 6, und regelt man die Kaltseitentemperatur des zweiten Peltierelementes gerade so, daß über das zweite Peltierelement genau die Wärmemenge ΔQ1 transportiert wird, welche der Verlustwärme des ersten Peltierelemtes entspricht, so kann bei hinreichend kurzer Periodendauer das Aufheiz-/Abkühlungsprozeß des ersten Peltierelementes ein Fig. 5b analoges Abstimmverhalten nach Fig. 6b erzeugt werden, mit dem Unter­ schied, daß der stetige Anstieg der Absoluttemperatur respektive der Absolutfrequenz verhindert wird. Dies funktioniert aber lediglich in diesem Falle, in welchem die Tuningrate für die Frequenzänderung hin­ reichend kurz ist. Weitere Einflußgrößen sind hierbei die thermische Leitfähigkeit des Verbindungsmaterials 8 der beiden Peltierelemente und die spezifische Wärmekapazität der Laserkristalle. Fig. 6c skizziert das Abstimmverhalten im realen Laserbetrieb, bei dem das zweite Peltier­ element reinen Temperaturschwankungen im Regelprozeß unterworfen ist. In der Figur ist hierbei das Verhalten über einen längeren Zeitraum betrachtet.If this Peltier element 6 is mounted in accordance with FIG. 6a on a second, vertical Peltier element 7 located thereon, that both hot and cold side of a cycle of the Peltier element influencing the laser frequency are contacted on the cold side of the second Peltier element via thermal contacts 8 with a defined thermal conductivity , so to speak a thermal short-circuit of the first Peltier element 6 , and if the cold side temperature of the second Peltier element is regulated in such a way that exactly the amount of heat ΔQ1 which corresponds to the heat loss of the first Peltier element is transported via the second Peltier element, the heating can take place with a sufficiently short period - / Cooling process of the first Peltier element a Fig. 5b analog tuning behavior according to Fig. 6b are generated, with the difference that the steady increase in the absolute temperature or the absolute frequency is prevented. However, this only works in this case in which the tuning rate for the frequency change is sufficiently short. Further influencing variables here are the thermal conductivity of the connecting material 8 of the two Peltier elements and the specific heat capacity of the laser crystals. Fig. 6c outlines the tuning behavior in real laser operation, in which the second Peltier element is subjected to pure temperature fluctuations in the control process. The figure shows the behavior over a longer period of time.

Bei hinreichend langer Periode des Temperaturregelprozesses für Peltier­ element 7 und hinreichend kurzer Periode für Peltierelement 6 können die hieraus resultierenden Schwankungen im Differenzfrequenzhub jedoch vernachlässigt werden.With a sufficiently long period of the temperature control process for Peltier element 7 and a sufficiently short period for Peltier element 6 , the resulting fluctuations in the difference in frequency deviation can be neglected.

Zusammenfassend werden mehrere Ausführungsformen von diodengepumpten Mikrokristall-Festkörperlasern vorgestellt, welche es ermöglichen, eine Frequenzverschiebung von zwei bei ähnlicher Wellenlänge emittierenden Festkörperlasern im Bereich von 0 bis 30 Gigahertz zu verschieben, so daß bei Überlagerung der Laserstrahlung eine synthetische Wellenlänge von 3 cm bis nahezu unendlich erzielt werden kann. Kennzeichnend hierfür ist, daß die Differenzfrequenz weitgehend linear ist, die Differenz­ frequenz den zeitlichen Verlauf einer Dreiecks- oder Sägezahnfunktion annimmt und einen Nulldurchgang aufweist.In summary, several embodiments of diode pumped Microcrystalline solid-state lasers are presented, which make it possible Frequency shift of two emitting at a similar wavelength Solid state lasers in the range of 0 to 30 gigahertz shift, see above that when the laser radiation is superimposed, a synthetic wavelength from 3 cm to almost infinite. Characteristic of this is that the difference frequency is largely linear, the difference frequency the time course of a triangular or sawtooth function assumes and has a zero crossing.

Claims (13)

1. Laserdiodengepumptes Festkörperlasersystem, bestehend aus zwei monolithischen Mikrokristall-Lasern im longitudinalen Einmodenbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Laserkristall unter ther­ mischer Einflußnahme in seiner Emissionswellenlänge periodisch moduliert wird und daß beide entstehenden Laserfrequenzen eine Differenzfrequenz aufweisen, welche sich periodisch ändert und einen Bereich von typisch 0 bis 30 Gigahertz überstreicht und daß die Differenzfrequenz während der gesamten Betriebsdauer des Lasersystems periodische Nulldurchgänge bzw. periodisch eine ausgesprochen geringe Differenzfrequenz und damit große synthetische Wellenlängen bei Überlagerung aufweisen.1. Laser diode-pumped solid-state laser system, consisting of two monolithic micro-crystal lasers in longitudinal single-mode operation, characterized in that at least one laser crystal is periodically modulated in its emission wavelength under thermal influence and that both resulting laser frequencies have a difference frequency which changes periodically and a range of typically sweeps 0 to 30 gigahertz and that the differential frequency has periodic zero crossings or periodically an extremely low differential frequency and thus large synthetic wavelengths when superimposed over the entire operating time of the laser system. 2. Festkörperlasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung beider Laserkristalle räumlich trennbar ist.2. Solid-state laser system according to claim 1, characterized in that the radiation from both laser crystals is spatially separable. 3. Festkörperlasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erzeugung der Differenzfrequenz weitgehend unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur des Lasersystemes erfolgt.3. Solid state laser system according to claim 1 or 2, characterized records that the generation of the differential frequency is largely independent changes in the ambient temperature of the laser system. 4. Festkörperlasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderung der beiden Laserkristalle des Lasersystemes aufgrund der Temperaturänderung eine Phasenbeziehung von nahezu 180 Grad aufweist, so daß die Differenz­ frequenz einen maximalen Hub hat.4. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that the frequency change of two laser crystals of the laser system due to the temperature change has a phase relationship of almost 180 degrees so that the difference frequency has a maximum stroke. 5. Festkörperlasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des gesamten Durchstimmverhaltens des Lasersystemes keine Modensprünge des Lasers erfolgen. 5. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that during the entire Tuning behavior of the laser system no mode jumps of the laser respectively.   6. Festkörperlasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz eine weitgehende stetige und periodisch lineare Funktion ist.6. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that the difference frequency is a largely continuous and periodically linear function. 7. Festkörperlasersystem nach eines oder mehrerer der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als laseraktives Material Kristalle oder Gläser verwendet werden, welche mit Ionen der seltenen Erden dotiert sind.7. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that as a laser-active material Crystals or glasses are used, which contain rare ions Earths are endowed. 8. Festkörperlasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungslichtquelle eine oder mehrere Halbleiter-Laserdioden verwendet werden.8. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that as an excitation light source one or more semiconductor laser diodes are used. 9. Festkörperlasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlelemente Peltier­ elemente verwendet werden.9. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that as cooling elements Peltier elements are used. 10. Festkörperlasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlelemente mikrome­ chanisch geregelte Kühler verwendet werden.10. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that microme as cooling elements chanically controlled coolers can be used. 11. Festkörperlasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenslinienbreite des verwendeten Lasermaterials so groß ist, daß eine kontinuierliche Durchstimmung der Laser in ihrer Differenzfrequenz um ca. 0 bis 30 Gigahertz gewährleistet ist.11. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that the fluorescent line width of the laser material used is so large that a continuous Tuning the lasers in their difference frequency by approx. 0 to 30 Gigahertz is guaranteed. 12. Festkörperlasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Mikro­ kristallresonatoren so kurz sind, daß sie nur auf einer einzelnen longitudinalen Mode anschwingen.12. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that the micro used crystal resonators are so short that they are only on a single one swinging longitudinal fashion. 13. Festkörperlasersystem nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung nicht­ linearer optischer Kristalle oder Elemente eine Frequenzkonversion in den sichtbaren Spektralbereich erfolgt.13. Solid state laser system according to one or more of the preceding the claims, characterized in that not using linear optical crystals or elements convert a frequency into the visible spectral range.
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