DE4200203A1 - Signalresonante resonatorinterne optische frequenzmischung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Erzeugung einer ko­ härenten optischen Strahlung innerhalb des optischen Reso­ nators eines Lasers durch optische Mischung, wobei das in dem Resonator eingeführte Signal innerhalb des Resonators resonant gesteigert wird.

Ein Laser ist eine Einrichtung, welche die Eigenschaft auf­ weist, monochromatisches kohärentes Licht mittels stimulier­ ter Emission von Photonen aus Atomen, Molekülen oder Ionen eines aktiven Mediums zu erzeugen, welches von einem Grund­ zustand in einen höheren Energiezustand mittels Zuführung von Energie angeregt wurde. Eine derartige Einrichtung ent­ hält einen optischen Hohlraum oder Resonator, welcher durch hoch reflektierende Oberflächen definiert ist, die einen geschlossen Umlaufpfad für Licht bilden, wobei das aktive Material innerhalb des optischen Hohlraums enthalten ist.

Wenn eine Besetzungsinversion mittels Anregung des aktiven Mediums erzeugt wird, kann die spontane Emission eines Pho­ tons von einem angeregten Atom, Molekül oder Ion, welches einen Übergang zu einem niedrigeren Energiezustand durch­ führt, die Emission von Photonen identischer Energie von an­ deren angeregten Atomen, Molekülen oder Ionen stimulieren. Als ein Ergebnis hiervon erzeugt das Anfangsphoton eine Kas­ kade von Photonen zwischen den reflektierenden Oberflächen des optischen Resonators, welche die identische Energie auf­ weisen und exakt in Phase sind. Ein Teil dieser Photonenkas­ kade wird dann durch eine oder mehrere der reflektierenden Oberflächen des optischen Resonators entnommen.

Die Anregung des aktiven Mediums eines Lasers kann mittels einer Vielzahl von Methoden durchgeführt werden. Zu den ge­ läufigsten Methoden zählen optisches Pumpen, die Verwendung einer elektrischen Entladung, und das Durchführen eines elektrischen Stromes durch den p-n Übergang eines Halblei­ terlasers.

Halbleiterlaser enthalten einen p-n Übergang, welcher eine Diode bildet, wobei dieser Übergang als das aktive Medium des Lasers fungiert. Derartige Vorrichtungen, welche auch als Laserdioden bezeichnet werden, sind typischerweise aus Materialen wie Galliumarsenid- und Aluminiumgalliumarsenid- Legierungen hergestellt. Die Effizienz derartiger Laser bei dem Konvertieren von elektrischer Leistung in Ausgangsstrah­ lung ist vergleichsweise hoch und kann beispielsweise mehr als 40% betragen.

Die Verwendung von Blitzlampen, lichtemittierenden Dioden, Laserdioden und Laserdiodenarrays zum optischen Pumpen oder zum Anzuregen eines lasendes Festkörpermateriales ist wohl bekannt.

Lasende Materialen, welche üblicherweise in derartigen Fest­ körperlasern verwendet werden, umfassen kristalline oder glasförmige Wirtmaterialen, in die ein aktives Material wie beispielsweise dreiwertige Neodym-Ionen eingefügt werden.

Detaillierte Zusammenfassungen von bekannten kristallinen Lasermaterialien sind aufgeführt in CRC Handbook of Laser Science and Technology, Vol. 1, M.J. Weber, Ed., CRC Press, Inc. Boca Raton, Florida, 1982, S. 72-135 und in Laser Cry­ stals, Vol. 14 der Springer Series in Optical Sciences, D.L.

MacAdam, Ed., Springer-Verlag, New York, N.Y., 1981. Be­ kannte Wirtsmaterialien für Neodym-Ionen umfassen Glas, Yttrium Aluminium Granat (Y₃Al₅O₁₂, welches auch als YAG be­ zeichnet wird), YAlO₃ (was auch als YALO bezeichnet wird) und LiYF₄ (was auch als YLF bezeichnet wird). Beispielsweise wird, wenn neodymdotiertes YAG als das lasende Material in einem optisch gepumpten Festkörperlaser verwendet wird, es typischerweise mittels der Absorption von Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 808 nm gepumpt und das emittierte Licht weist eine Wellenlänge von 1064 nm auf.

Das U.S. Patent Nr. 36 24 645, welches am 30. November 1971 für Ross erteilt wurde, beschreibt einen optisch gepumpten Festkörperlaser, welcher aus einem YAG-Stab besteht, der von wenigstens einer Halbleiterlaserdiode von der Seite gepumpt wird. In ähnlicher Weise offenbart das U.S. Patent Nr. 37 53 145, welches am 14. August 1973 für Chesler erteilt wurde, die Verwendung von einer oder mehreren lichtemittie­ renden Halbleiterdioden, um einen neodymdotierten YAG Stab vom Ende her zu pumpen. Die Verwendung eines Arrays von gepulsten Laserdioden, um ein lasendes Festkörpermaterial wie beispielsweise neodymdotiertes YAG vom Ende zu pumpen, ist im U.S. Patent Nr. 39 82 201 beschrieben, welches für Rosenkrantz et al. am 21. September 1976 erteilt wurde.

Schließlich berichtet D.L. Sipes, Appl. Phys. Lett, Vol. 47, Nr. 2, 1985, S. 74-75, daß die Verwendung eines hartfokussierten Halbleiter Laserdiodenarrays, um ein neodymdotierten YAG "endzupumpen", zu einer hohen Konversions-Effizienz von Pumpstrahlung einer Wellenlänge von 810 nm zu einer Ausgangsstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm führt.

Materialen, welche nichtlineare optische Eigenschaften auf­ weisen, sind wohl bekannt. Beispielsweise offenbart das U.S. Patent Nr. 39 49 323, welches für Bierlen et al. am 6. Aprilil 1976 erteilt wurde, daß nichtlineare optische Eigenschaften bei Materialien auftreten, welche die Formel MTiO (XO₄) auf­ weisen, wobei M wenigstens eines der Materialien K, oder Rb, oder TI und NH₄ ist; und X wenigstens eines der Materialien von P oder As ist, mit der Ausnahme, wenn NH₄ anwesend ist, dann ist X nur P. Diese allgemeine Formel umfaßt Kalium­ Titanyl- Phosphat, KTiOPO₄, welches ein besonders nützliches nichtlineares Material ist. Andere bekannte nichtlineare optische Materialen umfassen KH₂PO_4, LiNbO_3, KNbO₃, β-BaB­ 2₄, Ba₂NaNb₅O₁₅, LiIO₃, HIO₃, KB₅O8·4H₂O, Kalium- Lithium- Niobat und Urea, sie sind aber nicht auf sie beschränkt.

Eine Übersicht über die nichtlinearen Eigenschaften einer Anzahl von verschiedenen einachsigen Kristallen ist in dem Sov. J. Quantum Electron, Vol. 7, Nr. 1. Januar 1977, S. 1-13 veröffentlicht. Nichtlineare optische Materialen sind auch von S. Singh im CRC Handbook of Laser Science and Technology, Vol. III, M.J. Weber, Ed., CRC Press, Inc. Boca Raton, Florida, 1986, S. 3-22S zusammengefaßt worden.

Die nichtlineare Natur der optischen Suszeptibilität von nichtlinearen optischen Materialien sorgt für einen Kopp­ lungsmechanisus zwischen elektromagnetischen Wellen, die si­ multan durch das Material hindurchtreten und kann verwendet werden, um Strahlung durch die Wechselwirkung dieser Wellen zu erzeugen. Der Ausdruck "optisches Mischen", wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, bezieht sich auf die Wech­ selwirkung von zwei Lichtwellen innerhalb eines nichtlinearen optischen Materials, welche die Frequenzen w₁ und w₂ haben, um optische Strahlung einer verschiedenen Frequenz zu erzeugen. Beispielsweise kann diese Wechselwirkung, wenn w₁ größer als w₂ ist, optische Strahlung bei der Summenfrequenz w₃=w₁+w₂ und bei der Differenz w₄ = w₁-w₂ erzeugen. Diese zwei Prozesse werden jeweils als Summen-Frequenzerzeugung und Differenz- Frequenzerzeugung bezeichnet. Die sogenannte "Up-Conversion­ bezieht sich auf einen Spezialfall der Summen- Frequenzerzeugung, bei der die Strahlung der einen Frequenz, beispielsweise w₁, erheblich intensiver ist als die der Strahlung w₂, und daher keine nennenswerte Amplitu­ denänderung erfährt, wenn optisches Mischen auftritt, um op­ tische Strahlung der Wellenlänge w₃ zu erzeugen. Optisches Mischen umfaßt auch Prozesse höherer Ordnung, wie beispiels­ weise bei w₅=w₁+2w₂ und w₆=2w₁-2w₂. Im Hinblick auf diese Anmeldung wird die optische Strahlung, die mittels op­ tischer Mischung erzeugt wird, allgemein als "optische Mischstrahlung" bezeichnet.

Effizientes optisches Mischen innerhalb eines nichtlinearen optischen Materials ist gewöhnlich so lange nicht möglich, solange die Wellenvektoren k₁, k₂, und k₃ der wechselwirkenden Wellen die Impulserhaltungsgleichung oder die "phase-matching"-Bedingung erfüllen, die verlangen:

k₃=k₁+k₂.

Das Erfüllen dieser "phase-matching"-Bedingung ist in iso­ tropen Kristallen mit normaler Dispersion nicht möglich, da die Brechungsindizes der drei verschiedenen Wellen notweni­ gerweise als eine Konsequenz der Dispersion verschieden sein werden. In dessen weisen viele nichtlineare optische Mate­ rialien eine Anisotropie des Brechungsindizes auf, die ver­ wendet werden kann, um die "phase-matching"-Bedingung für einen gewünschten Typ von optischer Mischung zu erfüllen.

Optische Mischung kann entweder innerhalb oder außerhalb ei­ nes optischen Resonators durchgeführt werden. Wenn der Pro­ zeß innerhalb eines optischen Resonators durchgeführt wird, kann dieser Resonator entweder: (a) eine Komponente einer der Strahlungsquellen für diesen Prozeß sein, oder (b) separat von jedem Resonator sein, welche als Komponenten je­ der Strahlungsquelle für den Prozeß verwendet werden. Der Einfachheit halber soll die Verwendung eines derartigen "Quellenresonators" im Folgenden als ein "Intracavity- Prozeß" bezeichnet werden, und die Verwendung eines separaten Resonators wird als ein "externer cavity Prozeß" bezeichnet. Für den Zweck dieser Anmeldung bezieht sich ein optischer Hohlraum oder Resonator auf ein Volumen, welcher wenigstens teilweise durch hoch reflektierende Oberflächen begrenzt ist, worin Licht bei bestimmten diskreten Frequenzen Moden einer stehenden Welle ausbilden kann, die geringe Verluste haben.

Die Up-Conversion von infraroter Strahlung in Licht des sichtbaren und ultravioletten Bereiches ist intensiv unter­ sucht worden. Derartige Studien sind vorwiegend durch ein Interesse motiviert worden, diese Technik zu verwenden, um die Detektion und Analyse von infraroter Strahlung mittels bekannter und effizienter Methoden durchzuführen, die für Licht hoher Frequenz verfügbar sind. Da die up-convertierte Strahlung im wesentlichen alle Informationen der eingegebe­ nen infraroten Strahlung trägt, umfassen potentielle Anwen­ dungen die Detektion von Infrarotsignalen, Infrarotspektral­ analysen sowie Infrarotholographie.

Die Up-Conversion von infraroter Strahlung ist von E.S. Voronim et al., Sov. Phys. Usp., Vol. 22, Nr. 1, S. 26-45 (Januar 1979) und J. Warner, "Difference Frequency Genera­ tion and Up-Conversion", in Quantum Electronics, Vol. I, Nonlinear Optics, Part B, H. Rabin und C. L. Tang, Ed., Aca­ demic Press, New York, S. 703-737 (1975) zusammengefaßt wor­ den. Eine theoretische Diskussion der Infrarotdetektion mit­ tels Summenfrequenzerzeugung ist des weiteren von D.A.

Kleinman et al., J. Appl. Phys., Vol. 40, Nr. 2, S. 546-566 (Februar 1969) veröffentlicht worden.

Auf Seite 34 des zuvor erwähnten Zusammenfassungsartikels beschreibt E. S. Veronin et al. die Up-Conversion von Infrarotstrahlung aus einem CO₂ Laser innerhalb des Resonators eines YAG : Nd3+ Lasers, welcher Proustit als nichtlineares optisches Material verwendet. Darüber hinaus berichtet E. Liu et al., Applied Optics, Vol. 21, Nr. 19. S. 3415-3416 (1. Oktober 1982) von der Erzeugung von Strahlung bei Wellenlängen in dem Bereich von 252 nm bis 268 nm mittels einer Intracavity Summenfrequenzerzeugung in einem 90° phase-gematchten, Temperatur-abstimmbaren Ammonium- Dihydrogen- Phosphat-Kristall, und zwar von ausgewählten Ausgangslinien aus einem Argonionenlaser und der Wanderwelle in einem Rhodamin 110 Farbstoff Ringlaser. Darüber hinaus offenbart das U.S. Patent Nr. 36 46 358, welches für Firester am 29. Februar 1972 erteilt wurde, die Up- Conversion von Signalstrahlung aus einer externen Quelle in­ nerhalb des Resonators eines Lasers, worin die Polarisation des Signalstrahles senkrecht zu der des Pumpstrahles ist, welcher innerhalb des Laserresonators erzeugt worden ist.

Differenzfrequenzerzeugung ist dem zuvor erwähnten Zusammen­ fassungsartikel in Quantum Electronics, Vol. I, auf S. 735-736 und von R. L. Aggarwal et al., in Nonlinear Infrared Ge neration, Y. R. Shen, Ed., Springer Verlag, Berlin, S. 19-38 (1977) zusammengefaßt worden.

Es existiert gegenwärtig ein Bedarf effizienten, kompakten und zuverlässigen Lasern, welche in dem infraroten, sichtba­ ren und ultravioletten Teil des Spektrums arbeiten und die in der Lage sind, bei Modulationsraten über den Bereich von 0 Hz bis über 1 GHz und über einen weiten Bereich von Intensitäten zu arbeiten. Derartige Einrichtungen wären insbesondere für Anwendungen nützlich, die die optische Datenspeicherung, Repographie, Spektroskopie und Kommunikation umfassen. Beispielweise benötigt die Speicherung von Daten auf optischen Scheiben eine Quelle kohärenter Strahlung, welche mit einer Rate zwischen ungefähr 5 und ungefähr 20 MHz moduliert werden kann, wobei solche Strahlung wünschenswerterweise in dem sichtbaren oder ultravioletten Teil des Spektrums vorliegen sollte, um die Datenspeicherung innerhalb eines gegebenen Bereiches zu maximieren. Zusätzlich wären kompakte kohärente Quellen roten, grünen oder blauen Lichtes für Televisionsanwendungen sehr interessant, welche eine Quelle hoher Helligkeit benötigen. Die Verwendung von drei derartigen Lasern anstelle von roten, grünen und blauen Elektronenkanonen ei­ ner bekannten Televisionsbildröhre würde zu einem Televisi­ onsprojektor führen, welcher für Simulationssysteme und Te­ levisionssysteme mit großen Schirmen verwendbar wäre. Laser­ dioden besitzen alle der zuvor erwähnten Eigenschaften mit einer Ausnahme: ihr Ausgang ist auf einen begrenzten Teil des infraroten Teiles des elektromagnetischen Spektrums bei Wellen in dem Bereich von ungefähr 750 nm bis ungefähr 1600 nm begrenzt.

In diesem Zusammenhang offenbart das U.S. Patent Nr. 48 79 723 (Dixon et al.) eine effiziente, kompakte Quelle kohärenter Strahlung in dem infraroten, sichtbaren und ul­ travioletten Teil des Spektrums, welche Modulationsraten über dem Bereich von 0 Hz bis über 1 GHz zu bringen in der Lage ist. Die Strahlung wird durch optisches Mischen inner­ halb des optischen Resonators eines Lasers erzeugt, in dem die Eingangsstrahlung in den optischen Resonator eingefügt wird, wobei: (a) der Resonator der eines diodengepumpten Festkörperlasers ist, und/oder (b) die Eingangsstrahlung von einer Festkörperlasereinrichtung bereitgestellt wird, welche aus der Gruppe bestehend aus Laserdioden, Laserdiodenarrays und diodengepumpten Festkörperlasern ausgewählt wird. Das betreffende Patent offenbart eine spezifische Ausführungsform, worin ein Diodenlaser oder Diodenlaserarray Strahlung mit einer Wellenlänge nahe 810 nm emittiert, welche fokussiert wird und welche verwendet wird, um lasendes Material endzupumpen. Die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung des lasenden Mediums ist 1064 nm für den Fall, für den das Medium Neodymdotiertes YAG ist. Eine zweite Laserdiode oder Laserdiodenarray, die Strahlung mit einer Wellenlänge von 808 nm emittiert, wird simultan in den Laserresonator gepumpt und mit der Strahlung gemischt, die von einem lasenden Medium in einem nichtlinearen optischen Material emittiert wird, um Summen- oder Differenzfrequenzen zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Summenfrequenzerzeugung von sichtbarem blauen Licht, welches eine Wellenlänge von 450 nm aufweist, die optische Mischstrahlung.

In die gleiche Richtung zielend offenbart das U.S. Patent Nr. 47 91 631 (Baumert et al.) ein Verfahren zur Herstellung eines Strahles kohärenter Strahlung bei im wesentlichen 459 nm, in dem innerhalb eines nichtlinearen optischen Kristalls (KTP) zwei Laserstrahlen, einer bei 1064 nm und der andere bei 808 nm, gemischt werden. Im einzelnen wird IntracavitY- Strahlung bei 1064 nm erzeugt, wenn ein Halbleiterdiodenla­ serstrahl bei 808 nm durch einen nichtlinearen optischen Kristall KTP hindurchgeführt wird, welcher innerhalb des Resonators liegt, und welcher dann in einen neodymdotierten YAG Laserkristall gepumpt wird. Der Laserstrahl, welcher die Wellenlänge von 808 nm aufweist und welcher zur Mischung verwendet wird, kann entweder von dem Pumpstrahl oder von einem zweiten Halbleiterdiodenlaserstrahl abgeleitet werden, dessen Licht mit dem 1064 nm Strahl mittels der Verwendung eines Strahlteilers gekoppelt wird.

Schließlich offenbart das U.S. Patent Nr. 48 79 722 (Dixon et al.) einen Mischprozeß, worin optische Mischstrahlung durch optisches Mischen innerhalb eines externen optischen Resonators erzeugt wird, wobei wenigstens einer der wechselwirkenden Lichtstrahlen mittels einer Festkörpereinrichtung bereit gestellt wird, die aus der Gruppe bestehend aus Laserdioden, Laserdiodenarrays und diodengepumpten Festkörperlasern ausgewählt wurde. Der externe optische Resonator kann entweder für eine oder für beide der Eingangsstrahlen des Resonators resonant sein. Der Ausdruck "externer optischer Resonator" in dem obigen Patent bezieht sich auf einen Resonator, der von den Resonatoren, welche als eine Komponete einer jeden Strahlungsquelle für den Prozeß verwendet werden, separat ist.

Während die Mischprozesse und Einrichtungen, die in den obi­ gen Patenten von Dixon et al. und Baumert et al. beschrieben sind, effektiv sind, sind sie vergleichsweise ineffizient, wenn man sie beispielweise mit intracavity verdoppelten, di­ odengepumpten Festkörperlasern und externen, resonant ver­ doppelten Diodenlasern vergleicht. Daher besteht ein Bedarf an verbesserten optischen Mischeinrichtungen und Prozessen, die die wünschenswerten Eigenschaften der Hochgeschwindig­ keitsmodulation, begrenzte Abstimmbarheit und einen breiten Bereich von möglichen Ausgangswellenlängen beibehalten, aber gleichzeitig eine gesteigerte Ausgangseffizienz besitzen.

Darüber hinaus besteht ein Bedarf an Einrichtungen und Pro­ zessen, die kohärente Strahlung bei 459 nm (blau) unter Ver­ wendung von Summenfrequenzmischtechniken basierend auf der Verwendung von robusten Kristallen, das heißt KTP und Nd:YAG produzieren können, wobei von diesen Kristallen erwartet werden kann, daß sie sich gut für ein kommerzielles Produkt eignen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter op­ tischer Strahlung bereit zu stellen, die die zuvor erwähnten Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweisen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung nach dem Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung zur Erzeugung ko­ härenter optischer Strahlung gemäß dem Anspruch 9.

Es ist entdeckt worden, daß wenn man beide Eingänge des Mi­ schungsprozesses resonant steigert, im Gegensatz zu den Lehren des Standes der Technik, gemäß denen nur einer der Eingänge des Mischungsprozesses resonant gesteigert wird­ die Ausgangseffizienz des Mischungsprozesses erheblich erhöht werden kann.

Die vorliegende Erfindung führt zu einem effizienten, kom­ pakten und zuverlässigen Laser, welcher in dem infraroten, sichtbaren und ultravioletten Teil des Spektrums betrieben werden kann und welcher zu Modulationsraten über einen Be­ reich von 0 Hz bis über 1 GHz fähig ist.

Unter einem weiten Blickwinkel betrachtet stellt die vor­ liegende Erfindung die Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung mittels optischer Intracavity-Mischung bereit, und zwar in einem Resonator, welcher sowohl für Strahlung reso­ nant ist, die durch das Lasen des lasenden Materiales inner­ halb des Resonators erzeugt worden ist, als auch für eine Eingangsstrahlung, wobei die Intracavity-Mischung mit der lasenden Strahlung und der Eingangstrahlung in einem nicht­ linearen optischen Material innerhalb des Resonators durch­ geführt wird.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, wel­ ches aufweist: (a) Erzeugen kohärenter Strahlung einer er­ sten Frequenz, w₁, aus einem lasenden Material, welches in­ nerhalb eines optischen Resonators enthalten ist, der bezüg­ lich der Strahlung der ersten Frequenz w₁ resonant ist; (b) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz w₂; (c) Einführen der Strahlung der zweiten Fre­ quenz in den optischen Resonator, welcher gleichfalls bezüg­ lich der Strahlung der zweiten Frequenz w₂ resonant ist; und (d) Wechselwirkenlassen der Strahlung der ersten Frequenz und der Strahlung der zweiten Frequenz innerhalb eines nichtlinearen optischen Materials, welches in dem optischen Resonator enthalten ist, um kohärente optische Strahlung ei­ ner dritten Frequenz w₃ zu erzeugen.

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das obige Verfahren, wobei ein Teil der Strahlung der zweiten Frequenz w₂ verwendet wird, um das lasende Material optisch zu pumpen, und worin ein anderer Teil der Strahlung der zweiten Frequenz w₂ verwendet wird, um mit der Strahlung der ersten Frequenz w₁ in dem nichtlinearen optischen Material zu wechselwirken, um die Strahlung der dritten Frequenz w₃ zu erzeugen.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung be­ trifft ein Verfahren zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, welches aufweist:

(a) Erzeugen optischer Pumpstrahlung mit einer Quelle, wel­ che aus der Gruppe bestehend aus Laserdioden, Laserdiodenar­ rays, diodengepumpten Festkörperlasern und diodengepumpten Halbleiterlasern ausgewählt ist; (b) Erzeugen kohärenter op­ tischer Strahlung einer ersten Frequenz w₁ mittels optischem Pumpen eines lasenden Materials mit der optischen Pumpstrah­ lung, wobei das lasende Material innerhalb eines optischen Resonators enthalten ist, welcher bezüglich der Strahlung der ersten Frequenz w₁ resonant ist; (c) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz w₂; (d) Einführen der Strahlung der zweiten Frequenz in den optischen Reso­ nator, welcher resonant bezüglich der Strahlung der zweiten Frequenz ist; und (e) Wechselwirkenlassen der Strahlung der ersten Frequenz und der Strahlung der zweiten Frequenz in­ nerhalb eines nichtlinearen optischen Materials, welches innerhalb des optischen Resonators enthalten ist, um kohärente optische Strahlung einer dritten Frequenz w₃ zu erzeugen.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um­ faßt beliebige der obigen Verfahren, worin die Strahlung der zweiten Frequenz von einer Quelle erzeugt wird, die aus der Gruppe bestehend aus Laserdioden, Laserdiodenarrays, dioden­ gepumpten Festkörperlasern sowie diodengepumpten Halbleiter­ lasern ausgewählt ist.

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung be­ trifft eine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, welche umfaßt:
a) Vorrichtungen zur Erzeugung kohärenter optischer Strah­ lung einer ersten Frequenz w₁ innerhalb eines optischen Re­ sonators, welcher bezüglich der Strahlung der ersten Fre­ quenz resonant ist; (b) Vorrichtungen zur Erzeugung kohären­ ter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz w₂ welche außerhalb des optischen Resonators angeordnet sind, wobei der Resonator auch für die Strahlung der zweiten Frequenz resonant ist; (c) Vorrichtungen zum Einführen der Strahlung der zweiten Frequenz in den optischen Resonator; und (d) nichtlineare optische Vorrichtungen innerhalb des optischen Resonators, welche positioniert sind, um mit der Strahlung der ersten Frequenz und der Strahlung der zweiten Frequenz zu wechselwirken, um kohärente optische Strahlung einer dritten Frequenz w₃ zu erzeugen.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, welche aufweist: (a) optische Pumpvorrichtungen zur Erzeugung optischer Pumpstrahlung, welche aus der Gruppe bestehend aus Laserdioden, Laserdiodenarrays, diodengepumpten Festkörperlasern, sowie diodengepumpten Halbleiterlasern ausgewählt sind; (b) einem lasenden Material, welches innerhalb eines optischen Resonators enthalten ist, und welches positioniert ist, um die Pumpstrahlung aus den optischen Pumpvorrichtungen zu empfan­ gen und das zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung einer ersten Frequenz w₁ beim Pumpen durch die optische Pumpstrahlung fähig ist, worin der optische Resonator bezüg­ lich der Strahlung der ersten Frequenz w₁ resonant ist; (c) Vorrichtungen zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz w₂, welche außerhalb des optischen Resonators angeordnet sind, wobei der Resonator auch für die Strahlung der zweiten Frequenz resonant ist; (d) Vorrichtun­ gen zum Einführen der Strahlung der zweiten Frequenz in den optischen Resonator; und (e) nichtlineare optische Vorrich­ tungen innerhalb des optischen Resonators, welche angeordnet sind, um mit der Strahlung der ersten Frequenz und der Strahlung der zweiten Frequenz zu wechselwirken, um kohä­ rente optische Strahlung einer dritten Frequenz w₃ zu erzeu­ gen.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung be­ trifft die zuvor erwähnte Vorrichtung, wobei die optischen Pumpvorrichtungen und die Vorrichtungen zur Erzeugung opti­ scher Strahlung einer zweiten Frequenz die gleichen Vorrich­ tungen sind, und worin ein Teil der Strahlung der zweiten Frequenz, die von diesen Vorrichtungen erzeugt worden ist, verwendet wird, um das lasende Material zu pumpen, während ein anderer Teil der Strahlung der zweiten Frequenz verwen­ det wird, um mit der Strahlung der ersten Frequenz zu wech­ selwirken.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um­ faßt beide der zuvor erwähnten ersten zwei Vorrichtungsaus­ führungsformen, worin die Vorrichtungen zur Erzeugung der Strahlung der zweiten Frequenz aus einer Quelle stammen, die aus der Gruppe bestehend aus Laserdioden, Laserdiodenarrays, diodengepumpten Festkörperlasern und diodengepumpten Halbleiterlasern stammen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 der Zeichnung eine schematische Darstellung einer er­ sten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 der Zeichnung eine schematische Darstellung einer vergleichbaren Einrichtung,

Fig. 3 der Zeichnung eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 der Zeichnung eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Während die Erfindung in vielen verschiedenen Ausführungs­ formen anwendbar ist, sind in den Fig. 1, 3 und 4 drei spe­ zifische Ausführungsformen gezeigt, wobei darauf hingewiesen wird, daß die vorliegende Beschreibung nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese Ausführungsformen zu begrenzen.

Darüber hinaus sind die folgenden spezifischen Ausführungs­ formen auf Festkörpereinrichtungen begrenzt, wobei darauf hingewiesen wird, daß die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte Signal- oder Laserquellen beschränkt ist.

Insbesondere kann Signalresonanz gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung in Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörperlasern erzielt werden. Wenn das Verstärkungsmaterial für die Pumpstrahlung stark absorbierend ist, wie beispielsweise in dem Fall eines Farbstofflasers, ermöglicht die vorliegende Erfindung die resonante Steigerung der Pumpstrahlung in einem von dem Hauptlaserresonator separaten Resonator.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird optische Pumpstrahlung 1 aus einer optischen Pumpvorrichtung, welche durch die Kombi­ nation 2 und 3 dargestellt ist, mittels der Linse 4 auf ein lasendes Material 5 fokussiert, welches eine geeignete re­ flektierende Beschichtung auf der Oberfläche 6 aufweist und das geeignet ist, von dem Licht der Pumpvorrichtung (2 und 3) gepumpt zu werden. Licht, welches durch das Lasen des la­ senden Materiales 5 emittiert worden ist, wird mittels einer geeigneten Beschichtung auf einem 90° Krümmungsspiegel 7 ab­ gelenkt und durch ein nichtlineares optisches Material 8 geführt, welches eine geeignete reflektierende Beschichtung auf der Oberfläche 9 aufweist. Laserbetrieb des lasenden Materials 5 tritt in dem Resonator oder dem optischen Hohl­ raum auf, der durch die reflektierenden Beschichtungen auf dem Spiegel 7 und auf den Oberflächen 6 und 9 gebildet wird.

Kohärente Eingangsstrahlung 10 aus einer Strahlungsquelle, die durch die Kombiniation der Elemente 10 und 11 dargestellt ist, wird mittels einer Kollimationslinsenvorrichtung 13 kollimiert und dann mittels der Zirkulationsvorrichtung 14 zirkuliert, bevor sie an die Strahlung moden- angepaßt (mode matched) wird, die durch das Lasen des lasenden Materiales 5 erzeugt worden ist.

Im allgemeinen ist ein Fokussierungselement zwischen dem Di­ odenlaser und dem resonanten Resonator wünschenswert, um die Diode an den Intracavity-Mode des Festkörperlasers zu "mode­ matchen". Indessen gibt es aber auch einige Konfigurationen des Lasers und der Diode, die dieses Element unnötig machen.

Indessen wäre aber die Laserkonfiguration in diesen Fällen von der in Fig. 1 gezeigten verschieden. In der spezifischen in der Figur dargestellten Ausführungsform können die Kolli­ mations- und Fokussierungslinsen zu einem einzelnen Abbil­ dungselemt kombiniert werden, mit der Elimination des Strahlzirkulators. Das Ergebnis der Nichtverwendung des Zir­ kulators wäre eine Verminderung der Ausgangsleistung infolge einer schlechteren Modenanpassung zwischen dem astigmatisch elliptischen Gauss′schen Mode aus dem Diodenlaser und dem kreisförmigen Gauss′schen Mode aus dem Festkörperlaser.

Indessen wird in einigen Fällen die Verminderung der Komplexität der Einrichtung die verminderte Leistung kompensieren.

Eine optische Isolationsvorrichtung 15 wird zwischen der Zirkularisierungsvorrichtung 14 und der fokussierenden Linse 16 eingefügt, um die Strahlung 10 gegen Rückreflexionen von der Oberfläche 9 des nichtlinearen optischen Materiales 8 zu stabilisieren. Die optische Isolationsvorrichtung 15 dient dazu, jede Reflexion der Eingangsstrahlung 10 zurück zu ih­ rer Strahlungsquelle 11 und 12 von dem Resonator zu verhin­ dern, der durch die reflektierenden Beschichtungen auf dem Spiegel 7 und auf den Oberflächen 6 und 9 definiert ist.

Derartige Rückreflexionen haben die nicht wünschenswerte Tendenz, Amplituden und Frequenzfluktuationen in dem Ausgang der Strahlung der Quelle 11 und 12 zu erzeugen. Jede be­ kannte Vorrichtung zur effektiven optischen Isolation der Quelle 11 und 12 kann verwendet werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung 15 ein Faraday- Isolator oder eine Lamda­ Viertelplatte sein. Indessen wird darauf hingewiesen, daß die optische Isolierung der Eingangsquellen für die Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich ist, sondern vielmehr eine bevorzugte Ausführungsform darstellt.

Kohärente Eingangsstrahlung 10 von einer Strahlungsquelle 11 und 12 wird mittels der Linse 16 auf die Oberfläche 9 des nichtlinearen optischen Materials 8 derartig fokussiert, daß die Überlappung zwischen der Eingangsstrahlung 10 und der durch das Lasen des lasenden Materiales 5 (Resonatorstrah­ lung) erzeugten Strahlung maximiert wird. Das nichtlineare optische Material 8 ist für den gewünschten optischen Misch­ prozeß zwischen der Eingangsstrahlung 10 und der Resona­ torstrahlung phase-gematched (beispielsweise für Summenfre­ quenzerzeugung). Die sich ergebende optische Mischungsstrah­ lung wird durch den 90° Krümmungsspiegel als Ausgangsstrah­ lung 14 herausgeführt.

Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ist der durch die reflektierenden Beschichtungen auf Spiegel 7 und auf den Oberflächen 6 und 9 definierte optische Resonator resonant für sowohl die durch das Lasen des lasenden Materiales 5 emittierte Strahlung, als auch für die Eingangstrahlung 10.

Um den vorliegenden Resonator für sowohl die von dem lasen­ den Material 5 emittierte Strahlung als auch für die Ein­ gangsstrahlung 10 resonant zu machen, sind die Oberfläche 6 und die innere Oberfläche 19 des Krümmungsspiegels hochre­ flektierend für Strahlung von dem lasenden Material 5 und für die Eingangsstrahlung 10. Die Oberfläche 9 ist hochre­ flektierend für die Strahlung, die durch das lasende Mate­ rial 5 erzeugt wurde und ist marginal reflektierend, d. h. ungefähr 1-25% reflektierend, für die Eingangsstrahlung 10. Diese Transmission kann theoretisch so justiert werden, daß es keine Rückreflexion der Eingangsstrahlung 10 gibt; tatsächlich ist es aber in der Praxis sehr schwer, diese Bedingung zu erfüllen. Die Strahlungsquelle 11 und 12 wird durch die Verwendung der optischen Isolatorvorrichtung 15 isoliert, wobei ein derartiger Isolator - wie zuvor erwähnt - für diese Ausführungsform nicht benötigt wird, solange nicht eine erhebliche Rückreflexion der Eingangsstrahlung 10 vorliegt.

Zusätzlich muß, um den vorliegenden Resonator für sowohl die Strahlung resonant zu machen, die durch das Lasen des la­ senden Materials 5 erzeugt worden ist, als auch für die Strahlung 10, der Resonator die Fabry-Perot Resonanzbedingung für die jeweiligen Strahlen erfüllen. Frequenz-Anpassung, um die Resonanzbedingung zu erfüllen, kann durch Verfahren erreicht werden, die dem Fachmann wohlbekannt sind, wie beispielsweise durch Justieren der optischen Weglänge des Resonators mittels konventioneller Vorrichtungen, beispielsweise durch Temperaturvariation oder durch elektromechanische Vorrichtungen, wie beispielsweise piezoelektrischen Wandlervorrichtungen zur Befestigung der Resonatorspiegel. Frequenz-Anpassung (oder "matching") an einem resonanten Resonator ist des weiteren beschrieben in G. J. Dixon, C. E. Tanner, and C. E. Wieman, Opt. Lett., 14, 731 (1989), auf dessen Lehre hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Geeignete optische Pumpvorrichtungen (2 und 3) umfassen La­ serdioden, lichtemittierende Dioden (inklusive Superlumines­ zenzdiodenarrays), Laserdiodenarrays, diodenlasergepumpte Festkörperlaser, und diodengepumpte Halbleiterlaser, zusammen mit zusätzlichen Packungen oder Strukturen, sind allerdings nicht auf sie beschränkt. Für den hier verwendeten Zweck umfaßt der Ausdruck "optische Pumpvorrichtungen" beliebige Kühlkörper, thermoelektrische Kühler oder Verpackungen, die Laserdioden, lichtemittierenden Dioden sowie Laserdiodenarrays zugeordnet sind. Beispielsweise sind derartige Einrichtungen gemeinhin an wärmebeständigen und leitenden Kühlkörpern angebracht und sind in einem Metallgehäuse untergebracht. Für einen effizienten Betrieb ist die Pumpstrahlung 1, die durch die optische Pumpvorrichtung emittiert wird, wünschens­ werterweise an ein geeignetes Absorptionsband des lasenden Material 5 angepaßt sein. Obgleich die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, besteht eine sehr geeignete op­ tische Pumpquelle aus einer Galliumaluminiumarsenid Laserdi­ ode 3, die Licht einer Wellenlänge von ungefähr 810 nm emit­ tiert, die an einem Kühlkörper 2 befestigt ist. Der Kühlkör­ per 2 kann passiven Charakters sein. Indessen kann der Kühl­ körper 2 aber auch einen thermoelektrischen Kühler oder an­ dere Temperatur-Regulierungs-Vorrichtungen enthalten, um die Laserdiode 3 bei einer konstanten Temperatur zu halten, um dadurch den optimalen Betrieb der Laserdiode 3 bei einer konstanten Wellenlänge sicherzustellen. Vorsorglich wird darauf hingewiesen, daß selbstverständlich während des Be­ triebes die optische Pumpvorrichtung mit einer geeigneten Leistungsversorgung verbunden ist. Elektrische Leitungen von der Laserdiode 3, die zu einer geeigneten Leistungsvorsor­ gung geführt sind, sind in Fig. 1 nicht dargestellt.

Die Linse 4 dient dazu, um Licht von der Laserdiode 3 in das lasende Material 5 zu fokussieren. Dieses Fokussieren führt zu einer hohen Pumpintensität und zu einer damit verbundenen hohen Photonenkonversionseffizienz in dem lasenden Material 5. Jede bekannte optische Vorrichtung zum Fokussieren von Licht kann anstelle der einfachen Linse 4 verwendet werden.

Beispielsweise kann eine Gradientenindexlinse, eine Kugel­ linse, eine aspherische Linse oder eine Kombination von Lin­ sen verwendet werden. Indessen wird darauf hingewiesen, daß die Linse 4 für die Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich ist und daß die Verwendung derartiger Fo­ kussierungsvorrichtungen vorwiegend eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform darstellt.

Jedes bekannte lasende Material 5 kann verwendet werden, un­ ter der Vorraussetzung, daß es optisch durch die gewählte optische Pumpvorrichtung gepumpt werden kann. Geeignete lasende Materialien umfassen Festkörper die aus der Gruppe bestehend aus glasförmigen und kristallinen Wirtsmaterialien ausgewählt sind, welche mit einem aktiven Material dotiert sind; sie sind allerdings nicht auf sie beschränkt. Sehr ge­ eignete aktive Materialien umfassen Ionen des Chrom, Titan und die Metalle der seltenen Erden, sind allerdings nicht auf sie beschränkt. Sehr geeignete lasende Materialien um­ fassen neodymdotiertes YAG, neodymdotiertes YALO, Lithium- Neodym- Tetraphosphat und Neodym dotiertes YLF.

Beispielsweise ist Neodym dotiertes YLF ein sehr geeignetes lasendes Material 5, zur Verwendung in Kombination mit einer optischen Pumpvorrichtung, die Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 792 nm erzeugt. Wenn Neodym dotiertes YLF mit Licht dieser Wellenlänge gepumpt wird, kann es Licht einer Wellenlänge von 1047 nm emittieren.

In Fig. 1 ist das lasende Material 5 mit einer konvexen Ein­ gangsoberfläche 6 dargestellt. Diese konvexe Oberfläche dient dazu, die Resonatorstabilität zu verbessern und dient des weiteren dazu, einen Ausgangsstrahl aus dem lasenden Ma­ terial 5 zu erzeugen, der eine optimierte Taille für ein ef­ fizientes optisches Mischen innerhalb des nichtlinearen op­ tischen Materials 8 aufweist. Indessen ist die konvexe Ein­ gangsoberfläche 6 nicht notwendig. Die genaue geometrische Form des lasenden Materials 5 kann sehr variieren. Beispiels­ weise kann das lasende Material 5 stabförmig oder auch rhom­ boedrisch von der Form her sein, und linsenförmige Oberflächen können - wenn gewünscht - verwendet werden.

Tatsächlich umfaßt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer Faser eines lasenden Materiales, die durch die optische Pumpvorrichtung "endgepumpt" wird. Sehr geeignete Fasern für diesen Zweck umfassen optische Glasfasern, welche mit Ionen eines Metalls einer seltenen Erde, wie beispielsweise Neodym, dotiert sind, sie sind allerdings nicht darauf beschränkt. Die Länge einer derartigen Faser ist leicht dahingehend justiert, um im wesentlichen das gesamte Licht der optischen Pumpvorrichtungen zu absorbieren. Wenn eine sehr lange Faser benötigt wird, kann sie beispielsweise auf eine Spule gewickelt werden, um die Gesamtlänge des Lasers dieser Erfindung zu minimieren.

Das durch das Lasen des lasenden Materiales 5 emittierte Licht wird in das nichtlineare optische Material 8 geführt, wo es mit der kohärenten Strahlung 10 aus der Strahlungs­ quelle 10 und 11 wechselwirkt. Durch geeignete Orientierung der Kristallstruktur des nichtlinearen optischen Materiales 8 bezüglich dem optischen Pfad der wechselwirkenden Strah­ lung (was als "phase-matching" bezeichnet wird) tritt eine effiziente optische Mischung des gewünschten Typs auf. Zu­ sätzlich kann das "phase-matching" durch Justage und Steue­ rung der Temperatur des nichtlinearen optischen Kristalls optimiert und gesteuert werden. Beispielsweise kann Infra­ rotstrahlung, welche eine Wellenlänge von 1047 nm aufweist und welche aus einem neodymdotierten YLF Lasermaterial 5 stammt, in einem nichtlinearen optischen Material 8 mit Licht kombiniert werden, das eine Wellenlänge von 846 nm aufweist und das aus einer Strahlungsquelle 11 oder 12 stammt, um durch Summenfrequenzerzeugung sichtbares blaues Licht mit einer Wellenlänge von 468 nm zu erzeugen. In die­ sem speziellen Fall kann das nichtlineare optische Material 8 Kalium Titanyl Phosphat mit Typ II "phase-matching" sein.

Die geometrische Form des nichtlinearen optischen Materials 8 kann stark variieren. Beispielsweise kann es stabförmig oder rhomboedrisch bezüglich seiner Form sein und kann lin­ senförmige Flächen aufweisen, wenn gewünscht. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, daß jede derartige nichtlineare op­ tische Komponente Heiz- oder Kühlvorrichtungen enthalten kann, um die Temperatur des nichtlinearischen optischen Ma­ teriales zu steuern, um dadurch das phase-matching zu opti­ mieren. Nicht kritisches phase-matching wird - wenn möglich - gewöhnlich bevorzugt, aufgrund der Elimination des Auswan­ derns (walk-off) des Pointingvektors. KTiOPO₄ ist ein sehr bevorzugtes nichtlineares optisches Material. Indessen wird darauf hingewiesen, daß jedes andere nichtlineare optische Material bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Geeignete nichtlineare optische Mate­ rialien umfassen (sind aber nicht auf sie beschränkt) KH₂PO₄, LiNbO₃, Neodym-dotiertes Yttriumaluminiumborat (NYAB) (bitte beachten, daß NYAB gleichzeitig als geeignetes lasendes Material verwendet werden kann), Yttrium- Aluminiumborat (YAB), BaNaO₁₅, MgO-dotiertes Lithiumniobat, KNbO₃, β-BaB₂O₄, Ba₂NaNb₅O₁₅, LiO₃, HIO₃, KB₅O₈ · 4H₂O, Kalium-Lithiumniobat, Urea und Mischungen der Formel MTiO(XO₄), wobei M ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus K, RB und I und X aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus P und As besteht.

Vorsorglich wird darauf hingewiesen, daß für Strahlung mit zwei verschiedenen Frequenzen, w₁ und w₂, die phase-mat­ ching-Bedingungen für jeden Typ eines optischen Mischungs­ prozesses in einem gegebenen nichtlinearen optischen Mate­ rial normalerweise verschieden sind. Beispielsweise wird, wenn w₁ größer ist als w₂ ist, die phase-matching- Bedingungen für die Summenfrequenzerzeugung (w₃=w₁+w₂) normalerweise von der für die Differenzfrequenzerzeugung (w₄ =w₁-w₂) verschieden sein, da w₃ und w₄ verschieden sind.

Tatsächlich können befriedigende phase-matching-Bedingungen und optische Transparenz nur für bestimmte optische Mischprozesse und nicht für andere in einem gegebenen nicht­ linearen optischen Material vorliegen. Demnach kann der gewünschte optische Mischprozeß durch die Kontrolle der phase-matching-Bedingungen erhalten werden. Die Verfahren und Kriterien für die Auswahl und das phase-matching der nichtlinearen optischen Materialien für einen gegebenen op­ tischen Mischungsprozeß sind bekannt.

Die Linse 16 dient dazu, die Eingangsstrahlung 10 auf das nichtlineare optische Material 8 derartig zu fokussieren, daß die Produktion von Strahlung durch optisches Mischen op­ timiert wird. Jede bekannte optische Vorrichtung zum Fokus­ sieren von Licht kann anstelle der einfachen Linse 16 ver­ wendet werden. Beispielsweise kann eine Gradientenindex­ linse, eine Kugellinse, eine aspherische Linse oder eine Kombination von Linsen verwendet werden. Indessen wird dar­ auf hingewiesen, daß die Linse 16 für die Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich ist und daß die Ver­ wendung derartiger Fokussierungsvorrichtungen mehr eine be­ vorzugte Ausführungsform darstellt. Als Strahlungsquelle 11 und 12 kann jede Quelle kohärenter Strahlung verwendet wer­ den. Indessen umfassen bevorzugte Strahlungsquellen Laserdi­ oden, Laserdiodearrays, diodengepumpte Festkörperlaser und diodengepumpte Halbleiterlaser, und zwar zusammen mit zu­ sätzlichen Verpackungen oder Strukturen. In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung betrifft der Ausdruck "diodenge­ pumpte Festkörperlaser" Laser, in denen isolierte Kristalle als das lasende Material verwendet werden, wohingegen der Ausdruck "diodengepumpte Halbleiterlaser" Laser betrifft, worin ein Halbleiter als lasendes Material verwendet wird.

Beispielsweise sind derartige Einrichtungen oft mit einem hitzebeständigen und leitenden Kühlkörper verbunden und sind in einem Metallgehäuse untergebracht. Eine sehr geeignete Strahlungquelle besteht aus einer Gallium-Aluminium- Arsenid- Laserdiode 12, welche auf einem Kühlkörper 11 angebracht ist. Der Kühlkörper 11 kann passiven Charakters sein. Indessen kann der Kühlkörper 11 auch einen thermoelektrischen Kühler oder andere Temperatur- Regulationsvorrichtungen enthalten, um die Laserdiode 12 bei konstanter Temperatur zu halten, und um dadurch den optimalen Betrieb der Laserdiode 12 bei einer einzelnen Wellenlänge zu gewährleisten. Vorsorglich wird darauf hingewiesen, daß während des Betriebes die optische Pumpvorrichtung mit einer geeigneten Leistungsvorrichtung verbunden ist. Elektrische Leitungen von der Laserdiode 12, die mit einer Leistungsversorgung verbunden sind, sind in Fig. 1 nicht dargestellt.

Bekannte Laserdioden und Laserdiodenarrays sind verfügbar, die Ausgangsstrahlung einer Wellenlänge über den Bereich von ungefähr 660 nm bis ungefähr 1600 nm erzeugen, und derartige Einrichtungen können zur Durchführung der vorliegenden Er­ findung als Quelle für die Strahlung 10 verwendet werden.

Ein Beispiel stellt ein bei 670 nm operierender AlGaInP Diodenlaser dar, der einen nutzbaren Emissionsbereich von 660 nm bis 700 nm besitzt. GaAlAs-Einrichtungen können auch verwendet werden, um Strahlung in den Wellenbereich von 750 nm bis 900 nm zu erzeugen, und InGaAsP-Einrichtungen können verwendet werden, um Strahlung in dem Wellenlängenbereich von ungefähr 1000 nm bis ungefähr 1600 nm bereitzustellen.

Mit einem derartigen Bereich von Wellenlängen (750-1600 nm), die in Verbindung mit einem seltenen Erden Metallaserübergang in dem lasenden Material 5 (beispielsweise 1319 nm und 1364 nm von Neodymübergängen) verwendet werden, kann Ausgangsstrahlung 14, die mittels Summenfrequenzerzeugung erzeugt wird, über den Bereich von ungefähr 440 nm bis über 650 nm hinaus variiert werden.

Eine Laserdiode oder ein Laserdiodenarray kann typischer­ weise über einen Wellenlängenbereich von ungefähr 10 nm ab­ gestimmt werden, indem die Betriebstemperatur justiert bzw. gesteuert wird. Demnach kann, wenn eine derartige Ein­ richtung benutzt wird, um die Eingangsstrahlung 10 bereitzu­ stellen, die Ausgangsstrahlung 14 der optischen Mischung über einen bescheidenen Wellenlängenbereich durch Temperatu­ rabstimmung der Laserdiode oder des Laserdiodenarrays abge­ stimmt werden. Im Hinblick darauf umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung die Abstimmung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung 14 durch Justage und Kontrolle der Temperatur der Laserdiode oder des Laserdiodenarrays 12, die verwendet wird, um die Eingangsstrahlung 10 bereitzustellen.

Alternativerweise kann die Laserdiode oder das Laserdi­ odenarray über einen kleinen Wellenlängenbereich abgestimmt werden, indem der Strom variiert wird, der an die Einrich­ tung angelegt wird. Eine derartige Abstimmung bedingt natür­ lich gewöhnlich eine Justage, um die phase-matching-Bedin­ gungen in dem nichtlinearen optischen Material 8 zu optimie­ ren. In nichtkritischen, phasenangepaßten und temperaturab­ stimmbaren nichtlinearen optischen Materialien kann dies auf einfache Art und Weise dadurch erreicht werden, daß ledig­ lich die Temperatur des nichtlinearen optischen Materiales justiert wird.

Wenn erwünscht, kann die Strahlungsquelle 11 und 12 ein di­ odengepumpter Festkörperlaser sein. Geeignete Diodenpumpvor­ richtungen für einen derartigen Laser umfassen Laserdioden, lichtemittierende Dioden und Laserdiodenarrays. Zusätzlich enthält der diodengepumpte Festkörperlaser bekannte Festkörperlasermaterialien, die durch die gewählte Dioden­ pumpvorrichtung optisch gepumpt werden können. Obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, stellt ein Neodym do­ tierter YAG-Laser, der mittels eines Laserdiodenarrays op­ tisch gepumpt wird und der unter Verwendung einer nichtli­ nearen optischen Kalium Titanyl Phosphatkomponente frequenz­ verdoppelt wird, um die Ausgangsstrahlung mit einer Wellen­ länge von 532 nm zu erzeugen, einen sehr befriedigenden di­ odengepumpten Festkörperlaser dar. Eine derartige Einrich­ tung ist im US-Patent Nr. 46 53 056 beschrieben, das Baer et al. am 24. März 1987 erteilt worden ist. Die Kombination einer derartigen 532 nm-Strahlung als Eingangsstrahlung 10 mit Strahlung, welche eine Wellenlänge von 1319 nm aus einem neodymdotierten YAG-Lasermaterial 5 aufweist, kann verwendet werden, um Summenfrequenz-Ausgangsstrahlung 14 zu erzeugen, die sich in dem nahen ultravioletten Teil des Spektrums bei einer Wellenlänge von 379 nm befindet.

Wie zuvor erwähnt, ist die reflektierende Beschichtung auf der Oberfläche 6 des lasenden Materials 5 derartig ausge­ wählt, daß sie im wesentlichen transparent für die optische Pumpstrahlung 1 ist, aber hochreflektierend bezüglich des von dem lasenden Material 5 emittierten Lichtes und der Ein­ gangsstrahlung 10. Die reflektierende Beschichtung auf der Oberfläche 9 des nichtlinearen optischen Materiales 8 ist derartig ausgewählt, daß sie partiell transparent und margi­ nal reflektierend bezüglich der Eingangsstrahlung 10 ist, aber hochreflektierend bezüglich des Lichtes, das durch das lasende Material 5 emittiert wird. Die reflektierende Beschichtung auf der inneren Oberfläche 19 des 90° Krümmungsspiegels 7 ist derartig ausgewählt, daß sie hochreflektierend für Licht ist, das von dem lasenden Material 5 emittiert wird, und für die Eingangsstrahlung 10, aber im wesentlichen transparent bezüglich der Ausgangs­ strahlung 14, die durch die optische Mischung erzeugt wird.

Die äußere Oberfläche 18 des Krümmungsspiegels 7 besitzt eine Beschichtung, die antireflektierend bezüglich der Aus­ gangsstrahlung 14 ist. Die Intracavity- Fläche 20 des lasenden Materiales 5 besitzt eine Beschichtung, die antireflektierend bezüglich der Strahlung ist, die durch das Lasen des lasenden Materiales 5 erzeugt wird und bezüglich der Eingangstrahlung 10, während die innere Oberflächenbeschichtung des nichtlinearen optischen Materiales 8 antireflektierend bezüglich der lasenden Strahlung und Eingangsstrahlung 10 und hochtransmittierend bezüglich der Ausgangsstrahlung 14 ist. Die zuvor beschriebenen Beschichtungen sind konventionellen Charakters und können beispielsweise dielektrische Beschichtungen sein.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind sowohl die Eingangstrahlung 10 als auch die Strahlung, die durch das Lasen des lasenden Materiales 5 erzeugt wurde, beide polarisiert und die Polarisationen sind derartig ju­ stiert, daß die Effizienz der optischen Mischung in dem nichtlinearen optischen Material 8 optimiert wird. Bei­ spielsweise sollten für die Summenfrequenzerzeugung diese Polarisationen für den Typ II phase-matching orthogonal sein, und für den Typ I phase-matching identisch. Wenn unpolarisiert, kann die Strahlung, die durch das Lasen des Lasermateriales 5 erzeugt wird, durch bekannte Intracavity- Vorrichtungen polarisiert werden. Beispielsweise kann eine polarisationsabhängige Beschichtung auf den 90° Krümmungsspiegel für diesen Zweck aufgebracht werden.

Alternativerweise kann das lasende Material 5 derartig ausgewählt sein, daß es inherenterweise beim Lasen polarisiertes Licht erzeugt. Beispielsweise erzeugt geeignet orientiertes Neodym dotiertes YALO und YLF polarisiertes Licht, während Neodym dotiertes YAG es nicht tut.

Eingangsstrahlung 10 kann durch beliebige bekannte Vorrich­ tungen polarisiert werden. Beispielsweise ist kohärente Strahlung aus konventionellen Laserdioden und konventionel­ len "Multistripe-Laser-Diodenarrays" inherent polarisiert.

Demnach kann, wenn eine derartige Einrichtung verwendet wird, um die Eingangstrahlung 10 bereitzustellen, und wenn Strahlung aus dem lasenden Material 5 mittels Intracavity Polarisationsvorrichtungen polarisiert wird, die Justage der Polarisationen bezüglich zueinander ereicht werden, indem man entweder die Diodeneinrichtung oder die Intracavity- Polarisationsvorrichtung rotiert.

Die Modulation der durch optisches Mischen entstandenen Aus­ gangsstrahlung 14 kann einfach erreicht werden, indem man die Eingangsstrahlung 10 moduliert. Wenn eine Laserdiode oder ein Laserdiodenarray verwendet wird, um die Eingangs­ strahlung bereitzustellen, kann eine derartige Modulation erreicht werden, indem man die Leistungsversorgung der La­ serdiode oder des Laserdiodenarrays moduliert. Bekannte Vor­ richtungen zum Modulieren des Ausgangs von Laserdioden und Laserdiodenarrays über den Bereich vom 0 Hz bis über 1 GHz sind verfügbar, und die Verwendung von allen diesen Modula­ tionsvorrichtungen stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Alternativerweise kann die Ausgangsstrahlung 14, die durch optisches Mischen erhalten wird, moduliert werden, in dem man das Licht moduliert, das durch das Lasen des lasenden Materiales emittiert wird, und zwar mittels bekannter Techniken wie Q-Schaltung, Verstärkungsschaltung (durch Modulation der optischen Pump­ strahlung 1), oder durch "mode-locking". Eine weitere Option umfaßt das Modulieren sowohl des Lichtes, das durch das La­ sen des lasenden Materiales emittiert wurde, als auch der Eingangsstrahlung 10.

Vorsorglich wird darauf hingewiesen, daß der 90° Krümmungs­ spiegel 7 kein wesentliches Element der vorliegenden Erfin­ dung ist. In Abwesenheit des 90° Krümmungsspiegels 7 kann jedes genehme Verfahren verwendet werden, um: (a) die Ein­ gangsstrahlung 10 und die Strahlung des lasenden Materiales 5 in dem nichtlinearen Material 8 zu kombinieren, und um (b) die Strahlung, die durch das optische Mischen erzeugt wurde, aus dem optischen Resonator zu entnehmen, der durch die re­ flektierenden Beschichtungen auf den Oberflächen 6 und 9 de­ finiert ist.

In einem spezifischen Beispiel der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird ein Nd:YLF Laser, welcher bei 1047 nm arbeitet, optisch mittels dem Ausgang eines Diodenlasers mit großem optischen Resonator (large optical cavity diode laser) oder eines Diodenlaserarrays (2, 3) gepumpt, welche eine Ausgangswellenlänge haben, die an die Nd:YLF Absorption bei 792 nm angepaßt ist (Strahlung 1). Die Polarisation der Pumpquelle ist justiert, um den Absorptionskoeffizienten in dem Nd:YLF Verstärkungsmaterial 5 zu maximieren und sie wird fokussiert, so daß sie vorwiegend innerhalb des TEM₀₀ Modenvolumens des Nd:YLF Lasers absorbiert wird. Ein optischer Dreispiegelresonator, welcher bei der 1047 nm Laserwellenlänge resonant ist, wird durch die Eingangsfläche 6 des Nd:YLF Verstärkungsmaterials, den 90° Krümmungsspiegel 7, und der äußeren Fläche 9 eines KTP Kristalls 8 gebildet.

Die Pumpfläche 6 des Nd:YLF Kristalls ist auf einen konvexen 300 mm Krümmungsradius poliert und ist beschichtet, um bei 1047 nm und 846 nm hoch reflektierend zu sein, und um bei 792 nm hoch transmittierend zu sein, während die innere Oberfläche 20 eben ist und bei 1047 nm und 846 nm antire­ flektierend beschichtet ist. Die innere Oberfläche 19 des 90° Krümmungsspiegels ist beschichtet, um bei 1047 nm und 846 nm hoch reflektierend zu sein, und um bei 468 nm hoch transmittierend zu sein, und ist auf der äußeren Oberfläche 18 bei 468 nm antireflektierend beschichtet. Der Einfalls­ winkel für die Beschichtungen auf beiden Oberflächen des Krümmungsspiegels beträgt 45°. Die Flächen des KTP Kristalls 8 sind eben poliert und parallel, mit einer Orientierung zu den kristallographischen Achsen, die garantiert, daß die Ausbreitung des einzelnen Eingangs- und des Intracavity- Feldes in einer Richtung senkrecht zu den polierten Oberflächen zu einer phasenangepaßten Summenfrequenzmischung führt. Die äußere Fläche 9 des KTP Kristalls ist für eine hohe Reflektivität bei 1047 nm und für eine 1% bis 25%ige Reflektivität bei 846 nm beschichtet, während die innere Oberfläche 17 für sowohl 1047 nm als auch für 846 nm antireflektierend beschichtet ist, und für eine hohe Transparenz bei 468 nm.

Der Signaleingang 10 aus einem "Single Stripe"- Diodenlaser, welcher bei 846 nm betrieben wird, wird kollimiert (13) und zirkuliert (14), bevor er an den TEM₀₀ Mode des Nd:YLF Lasers bei 1047 mm modenangepaßt wird. Eine ausreichende optische Isolierung 15 wird zwischen dem Zirkular und den fokussierenden Linse(n) eingefügt, um den Signaleingang gegen Rückreflexionen von der Oberfläche des KTP Kristalls 8 und anderen Intracavity-Oberflächen zu stabilisieren. Der 468 nm Summenfrequenzausgang aus dieser Einrichtung wird durch den rechtwinkligen Krümmungsspiegel in einer Richtung ausgekoppelt, die kollinear mit dem Signaleingang ist.

Eine typische Signal- zu- Ausgangssignal Konversionseffizienz für die oben beschriebene Einrichtung, in der der Signaleingang nicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gesteigert ist, wäre für eine 500 mW Pumpquelle in dem Bereich von 0,2%-0,5%. Die gesamte optische Konversionseffizienz wäre erheblich niedriger, da der 500 mW Pumpeingang mit berücksichtigt werden müßte. Dies kann schlecht mit den 10%igen-15%igen Pumpkonversioneffizienten eines Intracavity verdoppelten Nd:YAG Lasers und den 40%igen-50%igen optischen Konversionseffizienten eines externen, resonant verdoppelten Diodenlasers verglichen werden.

Eine erhebliche Steigerung der Ausgangskonversionseffizienz des in Fig. 1 gezeigten Summenfrequenz- "Up-Convertors" wird möglich, wenn der Signaleingang innerhalb des Resonators des diodengepumpten Festkörperlasers gemäß der vorliegenden Er­ findung resonant gesteigert wird. Da das Nd:YLF Verstär­ kungsmedium transparent für den 846 nm Signaleingang ist, kann man den optischen Resonator des Nd:YLF Lasers in einen passiven Resonator mit geringen Verlusten für den Signalein­ gang ändern, in dem man die Beschichtung auf den Komponen­ tenoberflächen wie oben aufgeführt ändert. Die Prinzipien zur Steigerung des Ausganges einer Laserdiode in einem ex­ ternen resonanten Resonator ist in einer Vielzahl von Papie­ ren und dem U.S. Patent Nr. 48 84 276 und Nr. 48 79 722 (Dixon et al.) beschrieben worden. Da die Summenfrequenzaus­ gangsleistung linear proportional zu der Signaleingangslei­ stung innerhalb der Begrenzung niedriger Konversionseffizienzen ist, wird erwartet, daß eine resonate Steigerung des Signaleingangs zu einer Erhöhung der Effizienz des Summenfrequenz UpConvertors führt, und zwar in dem Verhältnis der Intracavity-Signalleistung zur Eingangsleistung.

Obwohl es kein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfin­ dung ist, ist es wünschenswert, eine Impedanzanpassung, wie im folgenden beschrieben werden wird, durchzuführen. Wenn man annimmt, daß die Intracavity-Verluste bei der Signalwel­ lenlänge infolge der Summenfrequenzübertragung und passiven Verlusten ungefähr gleich 5% sind, die Reflektivität der äußeren Fläche 9 des KTP Kristalls 8 bei der Signalwellen­ länge 5% ist (im Impedanz angepaßten Fall) und der Si­ gnaleingang 10 perfekt an den TEM₀₀ Mode des Laserresonators angepaßt ist, dann kann man einen Anstieg der Ausgangskon­ versionseffizienz um einen Faktor von ungefähr 20 erwarten.

Wenn man die Intracavity-Verluste bei einer geringeren Ein­ gangsreflektivität impedanz- anpassen kann, dann wird dieser Wert weiter steigen. In dem Fall der 100 mW Single Stripe Diodenlasersignalquelle (11 und 12) wäre die Ausgangslei­ stung eines nicht signalresonanten "Up-Convertors" zwischen 200 und 500 µW, während die signalresonante Einrichtung der vorliegenden Erfindung mit einer Intracavity-Signalsteige­ rung des Faktors 20 eine Ausgangsleistung von 4-10 mW ha­ ben kann. Von einem praktischen Standpunkt aus gesehen ist eine Ausgangsleistung in dem 4-10 mW Bereich für eine große Anzahl von Anwendungen geeignet, während der 200 µW Ausgang nur einen sehr begrenzten Bereich von potentiellen kommerziellen Anwendungen ermöglicht.

Während Fig. 1 nur eine Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung zeigt, umfaßt die vorliegende Erfindung auch Ringre­ sonator-Konfigurationen, die den Krümmungsspiegel und den optischen Isolator in dem Signalpfad nicht benötigen.

Fig. 2 zeigt einen vergleichbaren nichtresonanten Einzel- Frequenz-Eingangslaser, in dem ein einzelner Eingangslaser als der Signaleingang für die Einrichtung und als Anregungsquelle für einen 1064 nm Pumplaser dient. Die wesentlichen Elemente umfassen einen nichtlinearen optischen KTP Kristall 28, einen Krümmungsspiegel 31 und das lasende Material 35, sowie einen Nd:YAG Stab. Eingangsstrahlung 23, welche eine Wellenlänge von 808 nm aufweist, wird durch den KTP Kristall 28 fokussiert und dann mittels des Krümmungsspiegels 33 reflektiert, bevor er in dem lasenden Nd:YAG Material 35 absorbiert wird. Die Strahlung 23, die eine Wellenlänge von 808 nm aufweist und die von einem Diodenlaser emittiert wird, der als 21 und 22 dargestellt ist, und die von dem lasenden Nd:YAG Material 35 bei 1064 nm emittierte Strahlung weisen Polarisationen auf, die für das TYP II phase-matching in dem KTP Kristall 28 justiert sind, wie in dem U.S. Patent 47 91 631 (Baumert et al.) beschrie­ ben. Auf dieses Patent wird voll inhaltlich Bezug genommen.

Der Diodenlaserstrahlungsausgang 23 wird kollimiert (24) und zirkuliert (25), bevor er an den TEM₀₀ Mode des 1064 nm La­ sers moden-angepaßt wird, und ein ausreichendes Maß einer optischen Isolierung 26 wird zwischen dem Diodenlaser und dem Laserresonator eingefügt, um Rückreflexionsinduzierte Instabilitäten zu elimieren.

Der KTP Kristall 28 ist eben und parallel poliert und auf der Eingangsfläche 29 für hohe Reflektivität bei 1064 nm und hohe Transmission bei 808 nm beschichtet. Die Intracavity Fläche 30 weist eine Antireflex-Beschichtung für sowohl 1064 nm als auch für 459 nm auf. Der Krümmungsspiegel 31 ist für hohe Transmission bei 459 nm Ausgangsstrahlung und für hohe Reflektivität bei sowohl 808 nm als auch bei 1064 nm für ei­ nen Einfallswinkel von 45° auf der inneren Oberfläche 32 be­ schichtet. Die Beschichtung auf diesem Spiegel ist so ent­ worfen, daß eine Differenzreflektivität von größer als 1% zwischen den S und P Polarisationen bei 1064 nm auftritt und die äußere Oberflälche 33 weist eine Antireflexbeschichtung für 459 nm unter einem Einfallswinkel von 45° auf. Die in­ nere Oberfläche 37 des Nd:YAG Lasermaterials 35 ist eben po­ liert und weist eine Antireflexbeschichtung für 1064 nm und 808 nm Strahlung auf, während die äußere Oberfläche 36 mit einem 50 mm Krümmungsradius poliert ist und für eine hohe Reflektivität bei 1064 nm beschichtet ist.

In dieser nichtresonanten vergleichbaren Einrichtung tritt die Eingangsstrahlung 23 durch den nichtlinearen optischen KTP Kristall 28 in einer Polarisation senkrecht zu der des 1064 nm Intracavity-Feldes hindurch, bevor sie mittels des Krümmungsspiegels 33 reflektiert wird und in dem Nd:YAG La­ sermaterial 35 absorbiert wird. Die Ausgangsstrahlung 34 bei 459 nm wird durch nichtlineare Summenfrequenzmischung dieses Eingangsstrahles 23 und des 1064 nm Intracavity-Feldes er­ zeugt.

In einer ähnlichen Einrichtung, die in dem Baumert et al. Patent beschrieben worden ist, wird ungefähr 1 mW des blauen Ausgangs bei einer Eingangsleistung von 275 mW erhalten.

Dies entspricht einer Gesamtkonversions-Effizienz von unge­ fähr 0,36%. Diese Konversionseffizienz ist erheblich nied­ riger als die, die mit intracavity SHG oder einer externen resonanten Diodenverdopplung erhalten wird.

Resonante Steigerung des Signals in einen optischen Mischer mit einzelnem Eingang gemäß der Lehre der vorliegenden Er­ findung ist bislang nicht für möglich gehalten worden, da das Verstärkungs- bzw. das lasende Material bei der Signal­ wellenlänge streng absorbierend ist. Es ist angenommen wor­ den, daß dieses Phänomen eine resonante Steigerung des Si­ gnaleingangs ausschließen würde. Es ist nun in Übereinstim­ mung mit der vorliegenden Erfindung entdeckt worden, daß ein Verstärkungsmedium effizient mittels einer resonant gesteigerten Laserdiode gepumpt werden kann.

Genauer gesagt ist gemäß der vorliegenden Erfindung entdeckt worden, daß wenn ein single-mode Laser räumlich und spektral in einen optischen Resonator durch einen Spiegel angepaßt wird, welcher eine Transmission aufweist, die gleich den Verlusten in dem Resonator von einem Umlauf sind, das Intra­ cavity-Feld um das reziproke dieser Transmission relativ zu dem Eingangsstrahl vergrößert wird. In einem resonant ge­ pumpten Laser plaziert man ein Verstärkungsmedium innerhalb des Resonators, welcher eine Absorption pro Umlauf (round trip) bei der Eingangswellenlänge aufweist, die über die anderen Intracavity-Verluste dominiert. Allgemein wird eine Absorption zwischen 2% und 10% pro Durchgang adäquat sein, um diese Bedingung zu erfüllen, obwohl sowohl größere als auch kleinere Absorptionen eingesetzt werden können. Wenn die Eingangstransmission dann an den Verlust pro Umlauf impedanzangepaßt wird, wird ein Leistungsaufbau von ungefähr gleich dem reziproken Pumpabsorptionsverlust innerhalb des Resonators auftreten. Die in dem Verstärkungsmedium absorbierte Leistung ist gleich dem Produkt dieser Intracavity-Leistung und der Absorption pro Umlauf in dem Verstärkungsmedium. Wenn die Absorption des Verstärkungsmediums der dominante Verlustmechanismus ist, wird die absorbierte Pumpleistung ungefähr gleich der in den Resonator einfallenden Leistung. Daher wird es möglich, nahezu 100% der einfallenden Leistung in dem Verstärkungsmedium zu absorbieren und simultan die Ein­ gangsleistung innerhalb des Laserresonators zu steigern. In einem "Up-Converter" mit einzelnem Eingang gemäß der vorlie­ genden Erfindung kann das obige Verfahren verwendet werden, um eine signifikante Signalsteigerung in einer Einrichtung mit einzelnem Eingang zu erreichen. Die maximale Signalstei­ gerung in dieser Ausführungsform der Erfindung ist geringfü­ gig niedriger als die der oben beschriebenen Ausführungsform mit zwei Eingängen, und zwar in Folge der Absorption des La­ serverstärkungsmediums, aber eine signifikante Steigerung der Konversionseffizienz kann nach wie vor erreicht werden. Ein spezifisches Beispiel eines signalresonanten Summenfre­ quenz "Up- Konverters" mit einzelnem Eingang gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Der Ausgang eines 808 nm-Diodenlasers mit einzelner Frequenz, welcher als 35 und 36 dargestellt ist, wird spektral und räumlich in einem Resonator modemangepaßt, der resonant sowohl bei 808 nm als auch bei 1064 nm Strahlung ist. Das Verstärkungsmedium 47 ist eine dünne Platte eines mit 0,2% dotierten Nd:YAGs, der eine Absorption pro Umlauf bei der Signalwellenlänge von ungefähr 10 % aufweist. Der Einzelfre­ quenz Diodenlaser (single frequency diode laser) 35 und 36 ist an den resonanten Resonator mittels Techniken angepaßt, die dem Fachmann bekannt sind und die beispielsweise in G. J. Dixon, C. E. Tanner und C. E. Wiemann, Opt. Lett., 14, 731 (1989) beschrieben sind.

Die Eingangsfläche 42 des nichtlinearen KTP-Kristalls 43 ist für eine hohe Reflektivität bei 1064 nm und für eine 10%ige bis 11%ige Transmission bei 800 nm beschichtet. Die innere Fläche 50 des Kristalls 43 weist eine antireflektierende Beschichtung für 1064 nm und 808 nm und eine hohe Transmissionsbeschichtung bei dem 459 nm Ausgangs der Summenfrequenz 49 auf. Die innere Fläche 44 des Krümmungsspiegels 46 ist hochreflektierend bei sowohl 808 nm als auch bei 1064 nm und hochtransmittierend bei 459 nm, unter einem Einfallswinkel von 45°. Die 1064 nm- Beschichtung auf dem Spiegel ist so entworfen, um eine ausreichende Polarisationsanisotropie aufzuweisen, um das 1064 nm-Intracavity-Feld zu zwingen, in einer einzelnen Polarisation zu laufen. Die äußere Oberfläche 45 des Spiegels 46 weist eine antireflektive Beschichtung für 459 nm bei einem 45°-Einfallswinkel auf. Das ND:YAG Verstärkungsmedium 47, das eine Kristalldicke von 400 µm aufweist, ist eben und parallel poliert und weist anti­ reflektierende Beschichtungen auf beiden Flächen bei sowohl 1064 als auch 808 nm auf. Der Resonatorspiegel 48 ist mit einem 2,5 cm Krümmungsradius konkav und ist für sowohl 808 nm als auch für 1064 nm-Strahlung hochreflektierend beschichtet.

Diese Einrichtung kann einen Aufbau der Pumpstrahlung, d. h. das Verhältnis von zirkulierender Pumpleistung innerhalb des Resonators zu auf den Resonator auftreffender Pumpleistung, von ungefähr 10 haben, was zu einer Erhöhung der Signalkonversionseffizienz um eine Größenordnung bezüglich einer nicht signalresonanten Einrichtung führt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Daher kann bei einem Eingang von 275 mW eine Ausgangsleistung von eher 10 mW als 1 mW erwartet werden, wie sie in der nicht signalresonanten Einrichtung beobachtet wurde, die in dem Baumert et al. Patent beschrieben wurde. Die entsprechende Eingangskonversionseffizienz beträgt 3,6%. Bei dem 100 mW- Eingangsleistungspegel, welcher gegenwärtig aus einem Single-Quantum Well-Diodenlaser erhalten werden kann, kann man für eine Einrichtung, die gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, einen Ausgangsleistungspegel erhalten, der 1,3 mW übersteigt.

Wie bei der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung mit zwei Eingän­ gen gibt es auch eine Anzahl von verschiedenen Ausführungs­ formen des grundlegenden Up-Convertors mit einzelnem Eingang. Beispielsweise eliminiert die in Fig. 4 dargestellte Ringresonatorkonfiguration den Bedarf nach einer optischen Isolierung. In der Ringresonatorausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Ausgang einer Single- Mode-Signalquelle räumlich in einen Ringresonator modemangepaßt, der das Ver­ stärkungsmedium und den nichtlinearen Kristall enthält.

Rückreflexionen von dem Eingangsspiegel werden eleminiert, da er nicht kolinear mit dem einfallenden Strahl ist. Das Verkippen der Oberflächen der Intracavity-Komponenten unter einem Winkel zu der Ausbreitungsrichtung des Intracavity- Strahles eleminiert effektiv die Rückreflexionen, die den einzelnen Laser destabilisieren könnten.

Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung der in Fig. 4 dargestellte Up Konverter verwendet, um Strahlung mit Wellenlängen von 808 nm und 1064 nm in einem nichtlinearen Kristall, wie beispielsweise KTP, zu summieren. Diese Ein­ richtung ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung, da sie mechanische Einfachheit mit einem Ein- Richtungs-Ausgangsstrahl kombiniert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist der Ausgang eines Single- Mode GaAlAs-Diodenlasers, dargestellt als 52 und 53, eine Strahlung 54 bei 808 nm. Die Strahlung 54 wird mittels einer aspherischen Linse 55 kollimiert, welche eine hohe numerische Apertur aufweist. Optional kann ein Strahlzirkulator 56 verwendet werden, um den elliptischen Ausgang 54 des Diodenlasers in einen kreisförmigen Strahl zu konvertieren, der effektiv an den TEM₀₀-Mode des Ringresonatormodems angepaßt werden kann. Die Fokussierlinse 57 wird verwendet, um den kollimierten Ausgang des Diodenlasers (52 und 53) an den Grundmode des signalresonanten Summenfrequenzmischers anzupassen. Der Mischer besteht aus einem 5 mm langen Stab eines niedrig dotierten ND:YAG-Lasermaterials 59, welcher eine Absorption pro Durchgang (single pass absorption) von ungefähr 4,5% bei dem Spitzenwert des 808 Nd-Absorptionsbandes aufweist.

Die Oberflächen dieses Stabes sind unter einem kleinen Winkel relativ zu der Richtung des Eingangsstrahles gekippt, so daß Rückreflexionen von der Oberfläche nicht zurück zu dem Diodenlasereingang abgebildet werden. Der ND:YAG- Stab 59 ist in einem Permanentmagneten 58 untergebracht, der eine Rotation infolge des magnetooptischen Faraday-Effekts von linear polarisiertem Licht bewirkt, das durch ihn hindurchtritt. Eine gekippte Wellenplatte 60, welche eine effektive Retardierung einer 1/2 Welle bei 1064 nm und einer vollen Welle bei 808,5 nm aufweist, wird zwischen dem ND:YAG-Stab 59 und dem KTP-Kristall 61 plaziert. Sie wird positioniert, so daß der zu den Achsen des KTP- Kristalls 61 und des ND:YAG- Stabes 59 parallele Strahl durch sie hindurchtritt, wohingegen die gewinkelte Reflexion von dem KTP-Kristall 61 dies nicht tut. Der kombinierte Effekt der Faraday-Rotation in dem ND:YAG-Stab 59 und der Wellenplatte 60 erzeugt eine Nettopolarisationsrotation von 0° in eine Richtung und eine von 0 verschiedene Rotation in der anderen Richtung. Dieser Effekt, gekoppelt mit der anisotropen Reflexion von den beschichteten Reflektoren und der gesamtinternen Reflexion auf den internen Oberflächen des KTP-Kristalls 61 zwingt den Laser, in einer einzelnen Richtung parallel zu der Ausbeutungsrichtung der 808 nm- Eingangsstrahlung 54 zu oszillieren. Die Polarisation des 808 nm Intracavity-Feldes wird durch die Faraday-Rotation in dem Nd:YAG-Stab 59 leicht beeinflußt, aber die dadurch erzeugten Verluste sind, wenn mit den Absorptionsverlusten in dem Nd:YAG-Verstärkungskristall 59 verglichen werden, nicht signifikant. Der 5 mm lange KTP-Kristall 61 wird mit einer leicht gewinkelten Oberfläche 63 und einer 2 cm konvexen Ausgangsoberfläche 64 poliert. Eine der langen Sei­ ten des Kristalls, Seite 65, wird auch poliert, um als in­ terne, totalreflektierende Oberfläche für die Ringlasermoden bei sowohl 1065 nm als auch bei 808 nm zu fungieren. Diese Moden sind als eine gestrichelte Linie innerhalb des in Fig. 4 dargestellten Resonators gezeigt. Da es keine Rückre­ flexionen zu der Laserdiode gibt, ist die optische Isolie­ rung für den Diodenlaser nicht länger nötig.

Die Eingangsfläche 66 des Nd:YAG- Stabkristalls 59 ist eben poliert und für ungefähr 10% Transmission bei 808 nm und hohe Reflexion bei 1064 nm beschichtet. Die Intracavity- Fläche 67 ist eben und leicht bezüglich der Intracavity-Mode gewinkelt. Die Fläche 67 ist antireflektierend bei sowohl 808 nm als auch bei 1064 nm beschichtet, genau wie auch die beiden Oberflächen der Wellenplatte 60. Der Nd:YAG-Stab 59 ist in einem permanenten Magneten 58 untergebracht, der eine Faraday- Rotation der Polarisation des durch ihn hindurchtretenden Lichtes erzeugt. Die Intracavity- Oberfläche 63 des KTP-Kristalls 61 ist bezüglich der Intracavity-Mode gewinkelt und auf ähnliche Art und Weise bei sowohl 808 nm als auch 1064 nm antireflektierend beschichtet. Die 2,2 cm konvexe Ausgangsoberfläche 64 ist für hohe Reflektivität bei sowohl 808 nm als auch bei 1064 nm und für hohe Transmission bei 459 nm beschichtet. Der KTP-Kristall 61 ist orientiert, um für die Summenfrequenz phasenangepaßt zu sein, die aus dem 808 nm Pumpstrahl und dem 1064 nm Laser erzeugt wird.

In Betrieb oszilliert der Laser bei 1064 nm in einer Rich­ tung, die parallel zu der Ausbreitungsrichtung des 808 nm- Intracavity-Feldes ist. Es kann erwartet werden, daß der Verzicht auf die Magneten und die Wellenplatte zu einer Zwei-Richtungs-Oszillation führt. Obwohl ein Summenfrequenz­ ausgang auch in diesem Fall möglich ist, kann die Modenkon­ kurrenz zwischen den sich in entgegengesetzter Richtung aus­ breitenden Modem des Lasers zu der Erzeugung von Instabi­ litäten in dem Laserausgang führen.

Es gibt eine Anzahl von Techniken, um die Ausgangswellen­ länge des Diodenlasers an eine Resonanz des Resonators anzu­ koppeln (to lock). Da die Wellenlängen der Laserdiode durch den Eingangsstrom gesteuert werden können, ist ein schneller elektronischer Servokreis, der den Injektionsstrom justiert, um eine Modenanpassung aufrecht zu erhalten, durch die vor­ liegende Erfindung mit umfaßt. Ein langsamerer Kreis durch Kontrolle der Temperatur des externen Resonators kann ver­ wendet werden, um langsame Langzeitdriften der Resonator­ länge zu kompensieren. Passive "locking"- Techniken des Typs, wie sie in G. J. Dixon, C. E. Tanner und C. E. Wieman, Opt. Lett, 14, 731 (1989) beschrieben wurden, können auch bei diesem Resonator vorteilhaft verwendet werden.

In einem passiv- gelockten Laser wird ein kleiner Betrag der Resonatorstrahlung als optisches Rückkopplungssignal zu ei­ ner Laserdiode 53 zurückgeführt. Der genaue Betrag der benö­ tigten Rückkopplung wird eine Funktion der verwendeten La­ serdiode sein. Beispielsweise wird der Typ der Facettenbe­ schichtung auf der Laserdiode - wenn vorhanden - einen Einfluß auf den Betrag der benötigten optischen Rückkopplung haben.

Indessen wird typischerweise weniger als 5% der Resona­ torstrahlung als Rückkopplung bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung benötigt werden.

Wenn nötig, kann die Phase der optischen Rückkopplung zur Laserdiode 53 mittels konventioneller Vorrichtungen justiert werden, um das resonante Feld innerhalb des Resonators zu maximieren. Beispielsweise kann die Phasenjustage der opti­ schen Rückkopplung durchgeführt werden, indem der Abstand zwischen dem externen optischen Resonator und dem Diodenla­ ser 1 mittels eines piezoelektrischen Elementes geändert wird, indem die Temperatur der Struktur, welche diese beiden Komponenten separiert, geändert wird, oder indem ein elektrooptisches Element eingeführt wird, welches einen feldabhängigen optischen Pfad zwischen dem externen optischen Resonator und dem Diodenlaser 53 aufweist.

Die optische Rückkopplung von dem externen Resonator zu der Laserdiode ist wichtig, da sie es leichter macht, die Laser­ diodenfrequenz an die des externen Resonators anzupassen.

Dies ist eine Konsequenz der Tatsache, daß die Rückkopplung den Diodenlaser zwingt, bei einer Frequenz zu laufen, die die Fabry-Perot-Resonanzbedingung für den externen Resonator erfüllt.

Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß ein Ver­ fahren zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung beansprucht wird, gemäß dem eine optische Intracavity- Mischung in einem Resonator durchgeführt wird, der resonant für die Strahlung ist, die durch das Lasen eines lasenden Materiales erzeugt wird, sowie für eine Eingangsstrahlung.

Claims (15)

1. Verfahren zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, welches die Schritte aufweist:

• a) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer ersten Frequenz W₁ mittels eines lasenden Mate­ riales innerhalb eines optischen Resonators, wobei der optische Resonator bezüglich der Strahlung der ersten Frequenz resonant ist;
• b) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz W₂;
• c) Einführen der Strahlung der zweiten Frequenz in den optischen Resonator, wobei der Resonator bezüglich der Strahlung zweiter Frequenz W₂ resonant ist; und
• d) Wechselwirkenlassen der Strahlung der ersten Frequenz und der Strahlung der zweiten Frequenz innerhalb eines nichtlinearen optischen Materials innerhalb des optischen Resonators, um kohärente optische Strahlung einer dritten Frequenz W₃ zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin ein Teil der Strahlung der zweiten Frequenz W₂ verwendet wird, um das lasende Material optisch zu pumpen und ein anderer Teil der Strahlung der zweiten Frequenz W₂ verwendet wird, um mit der Strahlung der ersten Frequenz W₁ innerhalb des nichtlinearen optischen Materiales zu wechselwirken, um die Strahlung der dritten Frequenz W₃ zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei W₃=W₁+W₂ ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei W₃ gleich der Differenz zwischen W₁ und W₂ ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strahlung der ersten Frequenz durch optisches Pumpen eines lasenden Festkörpermateriales erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das lasende Material neodymdotiertes YLF enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 2, worin das lasende Material neodymdotiertes YAG enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin das nichtlineare optische Material Kalium-Titanyl-Phosphat enthält.

9. Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, mit:

• a) Vorrichtungen zur Erzeugung optischer Strahlung einer ersten Frequenz W₁ innerhalb eines optischen Resonators, welcher resonant für die Strahlung der ersten Frequenz ist;
• b) Vorrichtungen zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz W₂, welche außerhalb des optischen Resonators angeordnet sind, worin der Resonator desgleichen resonant für die Strahlung der zweiten Frequenz ist;
• c) Vorrichtungen zum Einführen der Strahlung der zweiten Frequenz in den optischen Resonator; und
• d) nichtlinearen optischen Vorrichtungen innerhalb des optischen Resonators, die mit der Strahlung der ersten Frequenz und der Strahlung der zweiten Frequenz wechselwirken, um einen kohärenten optischen Strahl einer dritten Frequenz W₃ zu erzeugen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Vorrichtungen zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung der ersten Frequenz ein lasendes Festkörpermaterial enthalten, das mittels optischer Pumpvorrichtungen optisch gepumpt wird, die aus wenigstens einer Einrichtung bestehen, die aus der Gruppe bestehend aus Laserdioden, Laserdiodenarrays, diodengepumpten Festkörperlasern und diodengepumpten Halbleiterlasern ausgewählt wurde.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin das lasende Material neodymdotiertes YLF enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die Vorrichtungen zur Erzeugung der Strahlung der zweiten Frequenz aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Laserdioden, Laser­ diodenarrays, diodengepumpten Festkörperlasern und diodengepumpten Halbleiterlasern besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die nichtlinearen optischen Vorrichtungen aus Kalium Titanyl Phosphat bestehen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die Vorrichtungen zur Erzeugung der Strahlung der zweiten Frequenz die gleichen sind wie die optischen Pumpvorrichtungen und verwendet werden, um sowohl das lasende Material mit der Strahlung der zweiten Frequenz zu pumpen und um die Strahlung der zweiten Frequenz zur Wechselwirkung mit der Strahlung der ersten Frequenz innerhalb der nichtlinearen optischen Vorrichtungen bereitzustellen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin das lasende Material neodymdotiertes YAG enthält.