DE4139859A1

DE4139859A1 - Abstimmbarer zwei-wellenlaengen-laser fuer superheterodyn-interferometer

Info

Publication number: DE4139859A1
Application number: DE19914139859
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Heinemann; Axel Dipl.-Ing. 8920 Schongau De Mehnert; Peter Dr. 8012 Riemerling De Peuser; Horst Dr. 8014 Neubiberg De Schmidt-Bischoffshausen; Nikolaus Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Schmitt
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: DE4139859C2

Description

Zum Aufbau von absolutmessenden Superheterodyn-Interferometern werden Laserlichtquellen benötigt, welche einerseits eine möglichst geringe Linienbreite aufweisen, andererseits zwei unterschiedliche Laser-Wellen längen erzeugen, welche in ihrer Frequenz um ca. 0-30 GHz gegeneinander verstimmt werden können, so daß bei deren Überlagerung eine synthetische Wellenlänge entsteht, deren Wellenlänge zwischen 3 cm und nahezu unend lich abgestimmt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System eines Festkörper lasers aufzuzeigen, welches, aufgebaut als Halbleiterlaserdioden-gepump ter Festkörperlaser, einerseits äußerst kompakt ist, andererseits eine geringe Linienbreite aufweist, drittens dessen wesentliche Eigenschaft ist, zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen zu erzeugen, welche in ihrer Frequenz um den gesamten Bereich von 0 bis 30 GHz gegeneinander verstimmt werden können.

Das hier vorgestellte System basiert auf den bekannten Mikrokristall-La sern, welche, ausgezeichnet durch eine kurze Resonatorlänge und Vermei dung von spatial-hole-burning-Effekten inhärent kleine Linienbreiten aufweisen (vergl. P 40 41 130.3-33 sowie P 41 01 521.5-33, ebenso Kintz, Baer, IEEE J. QE, Vol. 26, No. 9, Sept. 1990, PP 1457-1459). Ebenso sind bereits monolithische durchstimmbare Festkörperlaser bekannt, welche unter Ausnutzung elektrostriktiver Materialien die Abstimmung einer einzelnen longitudinalen Mode gewährleisten (P 41 25 720.0).

Laserkristallmaterial, -Dicke und Resonatorlänge des Festkörper-Laser resonators müssen hierbei sorgfältig so gewählt werden, daß unter Vermeidung von spatial hole-burning die Ausbreitung nur einer einzelnen longitudinalen Mode bzw. zweier kollinearer Moden unterschiedlicher Polarisation möglich ist. Weiterhin muß der Modenabstand und die Fluoreszenzbreite des Laserüberganges hinreichend groß sein insofern, als zusätzlich ein hinreichend großer Frequenzhub ohne Auftreten von Modensprüngen erzielt wird.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, in der anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines Lasers nach der Erfindung,

Fig. 2a/2b schematisch Brechungsindexdarstellungen der verwendeten Materialien,

Fig. 2c/2d Anordnungen mit longitudinalem/transversalem Feld,

Fig. 3 schematisch den Aufbau mit einem Phasenmodulator in einem Zweig,

Fig. 4 schematisch den Aufbau mit Phasenmodulatoren in beiden Zweigen,

Fig. 5 eine Anordnung mit linearem Resonatoraufbau,

Fig. 6 eine kompakte Anordnung mit dielektrischer Schicht als Auskoppelspiegel,

Fig. 7 eine monolithische Anordnung mit dotiertem elektrooptischem Kristall.

Der Aufbau eines Lasers, welcher zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen emittiert, wird in Fig. 1 dargestellt. Eine Halbleiter-Laser diode 1 pumpt über eine Transferoptik 2 einen Festkörper-Laserkristall 3, welcher, halbmonoliothisch ausgeführt (was bedeutet, daß der Einkoppelspiegel 4 direkt auf die Kristallstirnseite aufgebracht ist, die Gegenseite des Laserkristalles 5 hingegen entspiegelt ist), so daß innerhalb des Laserresonators ein polarisationsselektives Element, und zwar in diesem Falle ein Polarisationsteiler 6 eingebracht werden kann. Im polarisationsselektiven Element werden zwei Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander aufgespalten, so daß bei geeigneter Anordnung zweier Spiegel 7 und 8 in senkrechter Position gemäß Zeichnung ein Resonator realisiert wird, welcher für die jeweilige Polarisations richtungen aufspaltet.

Um nun die Resonatormode, welche räumlich in zwei zueinander senkrecht polarisierte Moden gleicher Frequenz aufspaltet (unter der Voraus setzung, daß die Resonatorzweige exakt gleich lang sind), gegeneinander in ihrer Frequenz verschieben zu können, ist es notwendig, die optische Weglänge der beiden Resonatormoden gegeneinander zu verändern. Dies kann zum einen dadurch geschehen, daß die Spiegel beweglich aufgehängt werden und durch piezokeramische Aktoren bzw. elektrostriktive Materialien mechanisch ausgelenkt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung liegt jedoch dann vor, wenn die optische Resonatorlänge nicht mechanisch, sondern rein optisch verändert werden kann. Hierzu werden sogenannte optische Phasenmodulatoren ein gesetzt, bestehend zum Beispiel aus Ferroelektrika, welche es gestatten, durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes an einen geeignet geschnittenen Kristall den Brechungsindex des Kristalles in Abhängigkeit von Ausbreitungsrichtung und Polarisation zu variieren, woraus folgend die optische Resonatorlänge im jeweiligen Resonatorzweig verändert wird. Die optische Phasenverschiebung ist gleichbedeutend mit einer Änderung der optischen Weglänge, in dieser Anordnung also der Resonatorlänge, folglich ändert sich entsprechend auch die Frequenz der Laserstrahlung im jeweiligen Resonatorzweig.

Als Phasenmodulator verwendet werden können herkömmliche elektrooptische Kristalle, wie zum Bsp. KDP, KD*P, ADP, AD*P, LiNb03, LiTa03. Die genannten Kristalle werden eingeteilt in zwei Gruppen, zum einen die optisch einachsigen, doppelbrechenden trigonalen Kristalle LiTa03 und LiNb03, Punktgruppe 3 m, sowie die optische einachsige tetragonalen Kristalle KDP, ADP, KD*P, AD*P, BaTi03 (Punktgruppe 42 m..). Kristalle der ersten Gruppierung weisen ein Brechungsindexellipsoid gemäß Fig. 2a auf, welches insbesondere dadurch charakterisiert ist, daß die dem elektrischen Feld folgenden Brechungsindexänderungen Δno und Δne beide gleichen Vorzeichens sind mit Δne < Δno, wohingegen in der zweiten Gruppe die Brechungsindexänderungen für den ordentlichen Strahl Δno für Polarisationen parallel zu den x resp. y-Achsen von gleichem Betrage, jedoch entgegengesetzten Vorzeichens sind.

In einer Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 wird in einem Zweig des Laserresonators ein Phasenmodulator 9 der oben beschriebenen Art eingebracht, durch welchen es möglich ist, die optische Resonatorlänge in diesem Zweig durch ein äußeres elektrisches Feld zu modulieren. Dabei kann es sich zum einen um einen Kristall der ersten (trigonalen) Kristallgruppe im z-cut handeln, wobei das elektrische Feld sowohl longitudinal (Fig. 2c) an den Kristall angelegt werden kann (die Brechungsindexänderung ist in diesem Falle unabhängig von der Polari sation 1/2*n³ _o*r₁₃*E), als auch um einen solchen Kristall in y-cut mit transversalem Feld (Fig. 2d). Die Brechungsindexänderung ist hierfür wie oben, jedoch nur für die zur x-Achse parallelen Polarisation, hingegen = 0 für die hierzu senkrechten Polarisation. Bei Verwendung eines Kristalles der tetragonalen Kristallgruppe ist die Brechungsindex änderung für Polarisation parallel zur x(-) bzw. y(+)-Achse ± n³ _or₆₃*E/2.

Entscheidend für diese Anordnung, insbesondere im Hinblick auf die Anwendung als Laserquelle für absolutmessende Interferometer, ist es notwendig, einen Nulldurchgang der Differenzfrequenz zu erlauben. Hierbei ist zu beachten, daß die Resonatorlängen der beiden Zweige sorgfältig insofern aufeinander abgestimmt werden, als bei nichtan liegendem Feld bzw. nur geringen Feldstärken eine Differenzfrequenz von Null zwischen den beiden Laserstrahlen auftritt. Ebenfalls zu beachten ist, daß das Laserkristallmaterial isotrop ist und die Ausbreitung von senkrecht zueinander polarisierten Moden ermöglicht.

Um den Frequenzhub für die Differenzfrequenz zu vergrößern, kann in analoger Weise auch in den zweiten Resonatorzweig ein Phasenmodulator 10 eingebracht werden (Fig. 4), welcher so angesteuert wird, daß er einen dem ersten Zweig gegenüber negativen Hub ermöglicht. Dies ist jedoch lediglich dann möglich, wenn ein Kristall der tetragonalen Gruppe verwendet wird, und zwar so, daß im einen Zweig ein Kristall mit y-Achse parallel zur Strahlpolarisation und im zweiten Zweig ein Kristall mit x-Achse parallel zur Strahlpolarisation eingesetzt wird.

Um den Resonatoraufbau zu vereinfachen und insbesondere eine kürzere Resonatorlänge zu gewährleisten, ist ein linearer Resonatoraufbau einem verzweigten Resonatoraufbau vorzuziehen. Ein solcher Resonator mit senkrecht zueinander polarisierten, gegeneinander durchstimmbaren Resonatormoden ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei ist ein Phasenmodu lator 11 in einen linearen Laserresonator (bestehend aus halbmonolithi schem Laserkristall 12 und Auskoppelspiegel 13) eingesetzt, welcher die Eigenschaft besitzt, für senkrecht zueinander polarisierte Strahlung unterschiedliche feldinduzierte Brechungsindexänderungen aufzuweisen.

Bei Verwendung eines Kristalles der trigonalen Gruppe, welche in diesem Falle in y-cut auszuführen ist, ist dies nur bedingt möglich. Zwar ist der die Brechungsindexänderung entscheidende Koeffizient größer als bei Kristallen der tetragonalen Gruppe, jedoch haben die Brechungsindex änderungen dasselbe Vorzeichen bei unterschiedlichem Betrag. Die auf die Resonatormode wirkende effektive Brechungsindexänderung ist proportional lediglich der Differenz-Brechungsindexänderung für die beiden Polari sationsrichtungen.

Hingegen bieten hier Kristalle der tetragonalen Kategorie den Vorteil, daß sie sowohl im y-cut eingesetzt werden können, wobei hier nur eine Polarisationsrichtung geändert wird, die andere bei gleicher Frequenz verbleibt, oder aber insbesondere im z-cut, wobei hier die beiden senkrechten Polarisationsrichtungen eine Brechungsindexänderung von gleichem Betrag aber entgegengesetztem Vorzeichen, somit eine Frequenz änderung der Differenzfrequenz um den doppelten Betrag ermöglichen bzw. gleichen Betrag bei halber Spannung. Das Feld hat hierbei im Falle des y-cut transversal und im Falle des z-cut longitudinal zur Strahlrichtung am elektrooptischen Kristall anzuliegen.

Eine weitere Vereinfachung des Aufbaues kann dadurch erreicht werden, daß der Auskoppelspiegel als dielektrische Schicht 14 auf den Phasen modulator 11 aufgebracht wird, weiterhin der Phasenmodulator mit dem Laserkristall 12 optisch kontaktiert wird (Fig. 6).

Gelingt es, einen tetragonalen, einachsigen Kristall mit Ionen der seltenen Erden derart zu dotieren, daß diese einen kontinuierlichen Laserübergang ermöglichen, ist es weiterhin vorteilhaft, einen rein monolithischen Laserkristall 17 mit senkrecht zueinander polarisierten gegeneinander durchstimmbaren Wellenlängen zu realisieren. Hierbei ist die Gesamt-Resonatorlänge so zu wählen, daß sich bei fehlendem elektri schen Feld nur eine einzige longitudinale Mode innerhalb des Verstär kungsprofiles ausbreitet und andererseits eine hinreichende Durch stimmung zweier der senkrecht zueinander polarisierter Resonatormoden ohne Auftreten von Modensprüngen möglich ist. An einen solchen Kristall im z-cut kann ein longitudinales elektrisches Feld angelegt werden, dessen Elektroden 15, 16 so beschaffen sind, daß sie eine ungehinderte Ausbreitung der Resonatormode im Zentrum ermöglichen, oder aber, bei Halbierung des Durchstimmbereiches bzw. Verdoppelung der Feldstärke ein longitudinales Feld an einen Kristall im y-cut angelegt werden kann (Fig. 7).

Claims

1. Diodengepumpter Festkörperlaser mit abstimmbarer Emission zweier Wellenlängen dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstimmung der Diffe renzfrequenz beider Wellenlängen in einem Bereich von typisch 0 bis 30 GHz dadurch erzielt wird, daß im Resonator des Festkörperlasers ein elektrooptisches Material so eingefügt ist, daß bei Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes durch Phasenmodulation polarisationsabhängig eine relative Verschiebung der Laserfrequenzen erzeugt wird.

2. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je nach elektrooptischem Material und Kristall schnitt das zur Abstimmung dienende elektrische Feld transversal am elektrooptischen Kristall anliegt.

3. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je nach elektrooptischem Material und Kristall schnitt das zur Abstimmung dienende elektrische Feld longitudinal am elektrooptischen Kristall anliegt.

4. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem für zwei senkrecht aufeinander stehende Polarisationsrichtung sich verzwei genden Laserresonator in mindestens einem Zweig ein Phasenmodulator so eingebracht ist, daß die jeweilig in diesem Zweig zirkulierende Strah lung in ihrer Phase und somit in der resultierenden Laserfrequenz modulierbar ist.

5. Diodengepumpter Festkörperlaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weit gehend linearen, unverzweigten Laserresonator ein elektrooptischer Phasenmodulator derart eingesetzt wird, daß eine Phasenmodulation in der Erzeugung zweier senkrecht zueinander polarisierter Wellenlängen mit abstimmbarer Differenzfrequenz resultiert.

6. Diodengepumpter Festkörperlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmodulator mit einer Spiegelbeschichtung für die Laserwellenlänge versehen und/oder mit dem Laserkristall kon taktiert ist.

7. Diodengepumpter Festkörperlaser dadurch gekennzeichnet, daß ein geeigneter elektrooptischer Kristall, vorzugsweise aus der Gruppe der tetragonalen einachsigen Kristalle, mit einem oder mehreren Ionen der Gruppe der Lanthanide, dotiert sind derart, daß ein kontinuierlicher Laserbetrieb möglich ist, und zusätzlich durch Anlegen eines äußeren Feldes eine Frequenzabstimmung der Laserstrahlung erzielt wird.

8. Diodengepumpter Festkörperlaser dadurch gekennzeichnet, daß ein geeigneter elektrooptischer Kristall, vorzugsweise aus der Gruppe der tetragonalen einachsigen Kristalle, mit einem oder mehreren Ionen aus der Gruppe der Lanthanide, dotiert sind derart, daß ein kontinuier licher Laserbetrieb möglich ist, und zusätzlich durch Anlegen eines äußeren Feldes die Erzeugung zweier senkrecht zueinander polarisierter Wellenlängen ermöglicht wird, wobei insbesondere ein Frequenzabstimmung der Differenzfrequenz beider Wellenlänge erzielt wird.