DE4200204A1

DE4200204A1 - Selbstverdoppelnder mikrolaser

Info

Publication number: DE4200204A1
Application number: DE4200204A
Authority: DE
Inventors: George Jefferies Dixon
Original assignee: BP Corp North America Inc
Current assignee: BP Corp North America Inc
Priority date: 1991-01-07
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1992-07-09
Also published as: JPH05211370A; FR2676147B1; GB2252867A; FR2676147A1; GB9200135D0; US5070505A; GB2252867B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Laser. Insbesondere be trifft die vorliegende Erfindung diodengepumpte harmonische Festkörper-Generatoren.

Diese Anmeldung ist eine "Continuation-In-Part" einer Pa tentanmeldung des Titels "Internally-Doubled, Composite-Cavity Laser", welche am 30. April 1990 unter der Seriennummer 07/5 16 459 angemeldet wurde.

In den letzten vergangenen Jahren hat es auf dem Gebiet der diodengepumpten frequenzverdoppelten Festkörperlaser einen enormen Fortschritt gegeben. Eine Vielzahl von Anwendungsmög lichkeiten bei der optischen Datenspeicherung, Reprographie und bei medizinischen Instrumenten hat den raschen Fortschritt bei diesen Einrichtungen vorangetrieben. Dabei ergaben sich wesentliche Fortschritte in sowohl der Effizienz der nichtlinearen Konversion als auch in der Elimination der Modenkonkurrenz-Instabilität, die mit der effizienten harmonischen Konversion verbunden ist.

Ein besonders nützlicher diodengepumpter Festkörperlaser ist ein Mikro-Laser. Ein Mikro-Laser ist ein diodengepumpter Fest körperlaser mit monolithischem oder zusanmengesetztem Resona tor, welcher einen relativ kurzen Resonator aufweist, wobei die den Resonator bildenden reflektierenden Oberflächen auf gegenüberliegenden Enden des Lasermateriales oder auf be nachbarten Materialien ausgebildet sind.

Das US-Patent Nr. 48 47 851 von Dixon offenbart einen kompak ten, diodengepumpten Festkörperlaser, gemäß dem der Diodenpumpstrahl an das Laserverstärkungsmaterial, welches 63% der optischen Pumpstrahlung innerhalb einer Weglänge von weniger als 500 µm absorbiert, anstoßgekoppelt oder nah gekoppelt ist. Optische Linsen werden für die Kopplung nicht benötigt.

J.J. Zayhowski und A. Mooradian beschreiben in "Single-fre quency Microchip Nd Lasers", Optics Letters, Vol. 14, Nr. 1, Seiten 24-26 (1. 1. 1989), die Konstruktion eines Single- Frequency Mikrochip Lasers, welcher einen monolithischen Mi niatur-"Flat-Flat" Festkörperresonator (beispielsweise mit ei nem 730 µm langen Resonator) verwendet, dessen Modenabstand größer als die Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums ist; und der longitudinal mit dem nah-gekoppelten, unfokus sierten Ausgangstrahl einer Laserdiode gepumpt wird. Mooradian hat desweiteren im US-Patent 48 60 304 einen Mikro-Laser offenbart, welcher ein Verstärkungsmaterial verwendet, das aus einem stoichiometrischen Lasermaterial hergestellt wird, wie beispielsweise aus Nd Pentaphosphat, und der eine Resonatorlänge in dem Bereich von 10 bis 100 µm aufweist.

Frequenzverdopplung oder "Second Harmonic Generation (SHG)" verwendet einen nichtlinearen optischen Kristall, um Laser licht mit einer Wellenlänge zu erzeugen, die ungefähr die Hälfte einer vorherbestimmten Grundwellenlänge beträgt. Ein weitverbreitetes oder bekanntes SHG-Verfahren ist die In tracavity-Verdopplung unter Verwendung von KTP (d. h. Potas sium-Titanyl-Phosphat oder KTiOPO₄) als einen nichtlinearen Kristall. Bis zu 180 mW einer Strahlung von 532 nm ist auf diesem Weg mit einem longitudinal angeordneten, diodenlaserge pumpten Nd : YAG Laser erhalten worden. Konventionelle SHG-Me thoden benötigen entweder zusätzliche (d. h. verlusterzeugende) optische Elemente in dem Laserresonator, oder einen externen (d. h. frequenzabstimmbaren) Resonator. Die Konversion von op tischer Strahlung bei einer Frequenz in optische Strahlung ei ner anderen Frequenz mittels der Wechselwirkung mit einem nichtlinearen optischen Material innerhalb eines optischen Re sonators ist in dem US-Patent 49 33 947 von D. W. Anthon und D. L. Sipes mit dem Titel "Frequency Conversion of Optical Ra diation" beschrieben worden. Ein diodengepumpter Laser, wel cher einen harmonischen Generator aufweist, ist von Robert Byer, G. J. Dixon and T. J. Kane im US-Patent 47 39 507 und in einem Artikel von Byer "Diode Laser-Pumped Solid-State La sers", Science, Vol. 239, 12. Februar 1988, Seite 745 beschrieben worden.

Ein einfaches Verfahren für SHG eines diodengepumpten Lasers verwendet selbstverdoppelnde Lasermaterialien, wie Nd : MgO : LiNbO₃ oder NMLN [vgl. T. Y. Fan et al, Journal of Opti cal Society of America (B), 3,140 (1980)] oder mit seltenen Erden wie Thulium dotiertes Lithiumniobat (LiNbO₃); oder die substituierte stoichiometrische Neodymzusammensetzung, Neodym- Yttrium-Alumiumborat (NYAB) oder Nd : YAB oder Nd_xY_1-xAl₃(BO₃)₄. Dorozhkin et al, Sov. Phys. Lett. 7, 555 (1981) und J. T. Lin, Lasers and Optronics, 8 (7), 61 (1989). NYAB ist selbstverdoppelnd für den Typ-I der harmonischen Erzeugung. Andere selbstverdoppelnde Materialien enthalten Nd : LaBGeO₄ und Cr : KTP.

Von Selbstfrequenzverdopplung unter Verwendung von mit Blitz lampen gepumpten NYAB ist bereits berichtet worden. V. G. Di mitriev et al, "Simultaneous Emission at the Fundamental Fre quency and the Second Harmonic in an Active Nonlinear Medium: Neodymium Doped Lithium Metaniobate", Soviet Technical Physics Letters, Vol. 5 (11), Seite 590 (1979). Rotes Licht bei einer Wellenlänge von 660 nm ist aus einer optischen Pumpstrahlung von 1320 nm erhalten worden. Von dem ersten Farbstofflaser ge pumpten grünen NYAB Laser ist von Lu 1986 berichtet worden, Baosheng Lu et al, Chinese Physics Letters, 3 : 413.

Die Charakteristiken von NYAB als ein diodengepumptes Laserma terial sind untersucht worden, Wang und Stone, Topical Meeting on Advanced Lasers, Session TuB4, 6. März 1990. Wang und Stone verwendeten einen (3×3×4) mm Kristall aus NYAB, welcher mit tels eines GaAlAs Laser Dioden Arrays mit einer Ausgangslei stung von 500 mW gepumpt worden ist, sowie eine 200 mm Kolli mationslinse und eine Strahlformlinse. Ein externer Auskop pelspiegel, welcher im Abstand von 7,5 cm von der vorderen Fa cette des Kristalls angeordnet war, ist des weiteren verwendet worden.

Kürzlich wurde vom CW Betrieb von diodenlasergepumpten NYAB berichtet, Schutz und Wallenstein, "Self-frequency doubling Nd : YAB laser pumped by a diode laser", 23. Mai 1990, paper CWC4, CLEO-90, Anaheim California. In dieser Einrichtung enthielt der Laserresonator nur einen beschichteten NYAB- Kristall und einen Auskoppler. Mit einem 1-Watt-Diodenlaser als Pumpquelle erzeugte ein 25 mm langer Laserresonator 10 mW einer 532 nm Strahlung. Mit einer optimierten Auskopplung für die Grundwelle ist 180 mW bei einer Wellenlänge von 1,064 µm erzeugt wurden. Noch kürzlicher ist berichtet worden, daß eine US-Patentanmeldung für eine Vorrichtung eingereicht wurde, die von J. T. Lin und B. Lu erfunden wurde und die eine optische Faser verwendet, um den Ausgangsstrahl eines 1-Watt- Diodenlasers in einen (3×3×3) mm NYAB Plankonvexkristall zu koppeln, um so einen grünen 80 mW Ausgangsstrahl zu erzeugen, J. T. Lin "Doubled Jeopardy: The Blue-Green Race′s New Players", Lasers and Optronics, Dezember 1990, Seite 34. Duale Hochreflektoren sind auf der einen Seite des Kristalls verwendet worden, um einen Verlust des harmonischen Ausgangsstrahles zurück in Richtung der Pumpquelle zu verhindern. Zusätzlich ist die gegenüberliegende Seite für eine hohe Transmission bei der Wellenlänge der Harmonischen beschichtet worden. Schließlich ist kein Versuch gemacht worden, um die Beschichtungsphase zu kontrollieren, die für die Steigerung des SHG-Ausgangs kritisch ist.

Eine US-Patentanmeldung, die am 30. Aprilil 1990 unter der Seri ennummer 07/5 16 459 eingereicht wurde, mit dem Titel "Inter nally-Doubled, Composite-Cavity Laser" und die auf den Abtre tungsempfänger der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, beschreibt Mikro-Laser mit zusammengesetzten Resonatoren, die, gemäß einer Ausführungsform, ein Verstärkungsmedium, ein dün nes Etalon eines nichtlinearen Kristalls und eine Wellenplatte zur Polarisationskontrolle enthalten. Die effektive Nichtli nearität des Etalons ist erheblich erhöht worden, indem seine Oberflächen beschichtet wurden, um einen harmonischen Subreso nator zu bilden. In diesem Mikrolaser sind der nichtlineare Kristall und das Verstärkungsmedium separate Elemente, welche benachbart zueinander angeordnet sind. Weitere Größenverminde rungen könnten möglich sein, wenn das Verstärkungsmedium und der nichtlineare Kristall unter Verwendung eines selbstfre quenzverdoppelnden (SFD)-Kristalls, wie NYAB, kombiniert wer den. Indessen haben andere aber vorgetragen, daß eine resonante Steigerung der Erzeugung der zweiten Harmonischen in NYAB aufgrund der hohen Absorption bei 522 µm unmöglich sein sollte, Schutz, "Miniature Self-Frequency-Doubling CW Nd : YAB Laser Pumped by a Diode-Laser", Optics Communications, Vol. 77 (2.3), 15. Juni 1990, Seite 221.

Daher wurde ein kleiner, nah-gekoppelter diodengepumpter selbstverdoppelnder Festkörpermikrolaser bislang noch nicht realisiert, obwohl die Praktikabilität von selbstverdoppelnden Lasermaterialien erkannt worden ist. Die weitere Vereinfachung und Miniaturisierung ist indessen nötig, um diese Laser für die Massenproduktion geeignet zu machen, was darüberhinaus auch zu einer Verminderung der Kosten pro Einheit führen würde. Die Technik würde für einen selbstverdoppelnden Mikro- Laser, welcher mit geringen Kosten hergestellt werden kann und welcher sich für die Massenproduktion eignet, vielfache Anwendungsmöglichkeiten finden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mi niaturisierten, selbstverdoppelnden, resonant gesteigerten La ser bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laservorrichtung nach dem Anspruch 1 bzw. 5 bzw. 12 bzw. 14 gelöst.

Im einzelnen wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch einen Laser gelöst, welcher einen selbstverdoppelnden Kristall aufweist, der zwei gegenüberliegende lichtreflektierende Ober flächen hat und der angeordnet ist, um optische Pumpstrahlung aus Laserdiodenquellenvorrichtungen zu empfangen; sowie Reso nanzvorrichtungen, die den Oberflächen zugeordnet sind, um re sonant gesteigertes phasenangepaßtes Laserlicht bei einer Grundwellenlänge und Laserlicht bei einer Harmonischen der Grundwellenlänge zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Quelle ein Laserdiodenarray, das mit dem selbstverdoppelnden Kristall nah-gekoppelt "(close-coupled)" ist, wobei der selbstverdop pelnde Kristall ein dünnes, flaches Plättchen mit zwei gegen überliegenden und beschichteten Oberflächen ist, für die phasenangepaßte (phase matched) harmonische Resonanz.

In einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Laser ein Etalon aus NYAB, welches eine Dicke zwischen 0,2 und 0,5 mm aufweist, sowie zwei gegenüberliegende, im wesentlichen flache Oberflächen, von denen eine Oberfläche mit einer hohen Transmission für 804 nm und einer hohen Reflektion für 532 nm und 1064 nm beschichtet ist, und von denen die andere Oberfläche für eine hohe Re flektion bei 1064 und für eine 1%-ige bis 20%-ige Transmission bei 532 nm beschichtet ist.

Einige Vorteile des beschriebenen Laserdesigns betreffen seine Einfachheit, die Abwesenheit von Pumpoptiken und seine kleine Größe. Zusätzlich eignet er sich für die Massenproduktion und weist bereits inherent ein einfacheres und kostengünstiges Design auf.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein di odengepumpter Laser bereitgestellt, welcher einen selbstver doppelnden Kristall mit polierten und beschichteten Oberflä chen aufweist, die einen Resonator für den Kristall bilden.

Gemäß eines weiteren Merkmals der vorliegenden Erfindung wird ein Laser bereitgestellt, welcher einen selbstverdoppelnden Kristall mit einer Dicke im Submillimeterbereich enthält.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein resonant gesteigerter Mikro-Laser bereitgestellt, der Neodym-Yttrium-Aluminiumborat enthält.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das in der US-Patentanmeldung "Internally-Doubled, Composite- Cavity Laser" beschriebene Konzept dahingehend erweitert, daß auch elektrooptische Verstärkungsmaterialien mitumfaßt werden.

Schließlich liegt ein Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zu offenbaren, mittels der eine nütz liche und effiziente harmonische Leistung aus einem monolithi schen Mikro-Laser mit einem einzelnen Kristall erhalten wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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

Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Liniendiagramm eines monolithischen, selbstverdoppelnden Mikro-Lasers, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 2A und 2B zwei alternative Ausführungsformen des Lasers von Fig. 1;

Fig. 3 einen zusammengesetzten dreistückigen Resonatorwürfel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine zweistückige stabile Resonatorausführung der vor liegenden Erfindung;

Fig. 5 ein zweistückiges Resonatordesign, welches ein konvexes Teil für die Phasenkontrolle und Stabilisierung auf weist.

Während die vorliegende Erfindung in vielen verschiedenen For men anwendbar ist, sind in der Zeichnung einige besondere Aus führungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt, die im fol genden im einzelnen beschrieben werden. Indessen wird aber darauf hingewiesen, daß die vorliegende Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung dient und daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die dargestellten bestimmten Ausführungsformen zu beschränken.

Laserstrahlung, welche von einem lasenden Material in einem optischen Resonator erzeugt worden ist, kann entweder von longitudinalen Single- Mode-Charakter sein, oder sie kann aus zwei oder mehr longitudinalen Moden von im wesentlichen derselben Frequenz oder Wellenlänge bestehen. Wenn die longitudinale Modenstruktur nicht im einzelnen spezifiziert ist, soll im folgenden unter der Bezugnahme auf Laserstrahlung einer bestimmten Frequenz alle die longitudinalen Moden ver standen werden, die im wesentlichen dieselbe Frequenz haben, die von dem lasenden Material erzeugt worden sind, und die von dem optischen Resonator getragen werden.

In Fig. 1 besteht der Laser 10 aus einem Verstärkermaterial 12 in der Form eines Plättchens oder eines dünnen Etalons, wel ches aus einem selbstverdoppelnden Material hergestellt ist und welches optisch mittels einer Quelle 14 gepumpt wird, und zwar vorzugsweise mittels einer nah-gekoppelten Quelle mit ei nem infraroten (IR) Ausgangsstrahl. Geeignete optische Pumpvorrichtungen oder Quellen umfassen Laserdioden, Lichte mittierende Dioden (inkl. Superlumineszenzdioden und Superlumineszenzdiodenarrays) sowie Laserdiodenarrays zusammen mit zusätzlichen Verpackungen oder Strukturen; sie sind aber nicht auf sie begrenzt. Für die vorliegenden Zwecke soll die Bezeichnung "optische Pumpvorrichtung" beliebige Kühlbleche, thermoelektrische Kühler und Verpackungen mitumfassen, die einer Laserdiode, einer lichtemittierenden Diode und einem Array aus Laserdioden oder lichtemittierenden Dioden zugeordnet sind. Beispielsweise sind derartige Einrichtungen gemeinhin an wärmebeständige und leitende Kühlbleche angefügt und sind in einem Metallgehäuse untergebracht. Für einen effizienten Betrieb ist die von der optischen Pumpvorrichtung oder Quelle 14 emittierte Pumpstrahlung wünschenswerterweise an ein geeignetes Absorptionsband des lasenden Materials angepaßt.

Obwohl die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt werden sollte, besteht eine besonders geeignete optische Pumpquelle 14 aus wenigstens einer Galliumaluminiumarsenid GaAlAs-Laserdiode, welche Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 804 nm emittiert und welche an einem Kühlkörper befestigt ist. Der Kühlkörper kann passiven Charakters sein.

Indessen kann der Kühlkörper aber auch einen ther moelektrischen Kühler oder andere Temperaturregulationsvor richtungen enthalten, um die Laserdiodenquelle 14 bei einer konstanten Temperatur zu halten und um dadurch den optimalen Betrieb einer Laserdiode bei einer konstanten Wellenlänge zu gewährleisten. Vorsorglich wird darauf hingewiesen, daß während des Betriebes einer Laserdiodenpumpvorrichtung diese natürlich mit einer geeigneten Leistungsversorgung verbunden ist. Elektrische Leitungen, der Kühlkörper und beliebige Steuerungen zu oder von der Laserdiode, die zu der zugeordneten Leistungsversorgung geführt werden, sind aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt.

Als konventionelle Quellen sind lichtemittierende Dioden und Laserdioden sind verfügbar, welche als eine Funktion ihrer Zusammensetzung Ausgangsstrahlung einer Wellenlänge in dem Bereich von ungefähr 630 nm bis ungefähr 1600 nm erzeugen, wobei jede dieser Einrichtungen, welche optische Pumpstrahlung einer Wellenlänge produziert, die sich für das Pumpen eines lasenden Materials eignet, als Quelle 14 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Beispielsweise kann die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung aus einer auf GaInP basierenden Einrichtung von ungefähr 630 nm bis ungefähr 700 nm durch die Variation der Zusammensetzung der Einrichtung variiert werden. Auf ähnliche Art und Weise kann die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung einer auf GaAlAs basierenden Einrichtung von ungefähr 750 bis ungefähr 900 nm durch die Variation der Zusammensetzung der Einrichtung variiert werden. Auf InGaAsP basierende Einrichtungen können verwendet werden, um Strahlung in dem Wellenlängenbereich von ungefähr 1000 bis 1600 nm bereitzustellen.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 ist gemäß einer bevorzug ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Verstär kungsmaterial 12 aus einem Etalon aus NYAB hergestellt und weist zwei gegenüberliegende, flache und parallele Oberflächen 12a und 12b auf. Es ist so orientiert, daß die Oberflächen 12a und 12b senkrecht zu der Ausbreitungsachse der phasenangepaßt- Erzeugten bei der Wellenlänge sind, bei der das selbstverdoppelnde Material last (typischerweise für NYAB bei 1064 nm oder 1340 nm), sowie ihrer Harmonischen. NYAB kann aus einer Vielzahl von Quellen bezogen werden (beispielsweise von CSK Co. Ltd. aus Culver City, California, JTT Company aus Winter Springs, Florida, und von Hoya Optics Inc. aus Fremont, California). Vorzugsweise ist die Absorption für einen Umlauf (round trip absorption) bei der harmonischen Wellenlänge weniger als ungefähr 25%. Im allgemeinen gilt, daß je länger die Entfernung "D" zwischen den reflektierenden Oberflächen 12a und 12b des NYAB ist, desto geringer hat die Konzentration von Neodym zu sein.

Vorzugsweise ist die Ausgangsoberfläche der Halbleiterlicht quelle 14 in einem anstoß-gekoppelten Verhältnis mit der Ein gangsoberfläche 12a des Verstärkungsmediums oder des Etalons 12 angeordnet, ohne dabei Fokussiervorrichtungen oder Linsen zu verwenden. Die Bezeichnung "anstoß-gekoppelt" wie sie hier verwendet wird ist so definiert, daß eine Kopplung gemeint ist, welche ausreichend nah ist, so daß ein divergenter Strahl optischer Pumpstrahlung, der von der Halbleiterlichtquelle 14 ausgeht, ein Modenvolumen innerhalb des lasenden Materials mit einem hinreichend kleinen transversalen Querschnittsbereich pumpt, so daß in dem Etalon 12 während des Laserbetriebs im wesentlichen nur eine einzelne transversale Mode getragen wird (d. h. der TEM₀₀ Modenbetrieb). Vorzugsweise wird die optische Pumpstrahlung in das lasende Etalon 12 in einer Richtung übergeben, die im wesentlichen entlang eines longitudinalen optischen Pfades läuft. Das Ergebnis ist eine reine Festkörper-Miniatureinrichtung, welche eine sichtbare Ausgangsstrahlung bei einem Leistungspegel aufweist, der über ein mW hinausgeht.

Alternativerweise kann eine Fokussiervorrichtung oder eine Ab bildungsvorrichtung verwendet werden, um ein Laserdiodenarray in das selbstverdoppelnde Verstärkungsmaterial 12 abzubilden.

Diese Ausführungsform 10a ist in Fig. 2a dargestellt. Eine Abbildungsvorrichtung 15 wie beispielsweise eine Linse dient dazu, den Ausgang einer Single-Stripe-Laser-Diode oder eines Diodenarrays 14 auf die Eingangsoberfläche 12a eines Würfels 12 aus NYAB zu fokussieren. Die Fokussierung führt zu einer hohen Pumpintensität und einer damit verbundenen hohen Photon zu -Photon Konversionseffizienz in dem lasenden Material 12.

Die Fokussierungsvorrichtung kann beliebige konventionelle Einrichtungen wie beispielsweise eine Gradientenindex (d. h. GRIN)-Linse, eine Kugellinse, eine aspherische Linse, oder eine Kombination von Linsen umfassen. Irgendeine Art von Temperatursteuerung oder Abstimmung 17 kann nötig sein, um die harmonische Übertragung in dem Etalon 12 zu optimieren und um die Dispersion der Schichten auf den zwei Oberflächen 12a und 12b zu kontrollieren.

In Fig. 1 ist die Eingangsfläche 12a des Etalons 12 (d. h. die Fläche, welche der Quelle 14 am nahesten ist) mit einem Dielektrikum beschichtet, um eine hohe Reflektion (HR) bei 1064 nm und 532 nm zu erhalten. Die gegenüberliegende Fläche 12b ist mit einem Dielektrikum für hohe Reflektion bei 1064 nm (d. h. der Grundwellenlänge) und für eine 1%-ige bis 20%-ige Transmission bei 532 nm (d. h. der Wellenlänge der Harmonischen) beschichtet, um einen Ausgangskoppler zu bilden.

Typische Reflektivitäten bei 532 nm für einen 0,5 mm dicken Kristall aus NYAB mit einer 6%-igen Nd Dotierungskonzentra tion sind HR auf der Pump- oder Eingangsoberfläche 12a, und 1% bis 20% auf der Ausgangsoberfläche 12b. Infolge der hohen Reflektivität der Beschichtungen auf den polierten Oberflächen 12a und 12b des Etalons 12 weist der Laser 10 einen ver gleichsweise geringen Schwellwert für den Betrieb auf.

Die Eingangsfläche 12a des Etalons 12 ist desweiteren für hohe Transmission (HT) bei der Pumpwellenlänge (beispielsweise bei ungefähr 800 µm) der Quelle 14 beschichtet, um es der Pump strahlung zu erlauben, das selbstverdoppelnde lasende Material oder den Kristall, daß das Etalon 12 bildet, zu erreichen.

Vorzugsweise ist der Ausgangskoppler (d. h. die Ausgangsspiege loberfläche 12b) an die harmonische Absorption in dem selbst verdoppelnden Verstärkungsmaterial 12 impedanz- angepaßt. Dies ist in NYAB nicht unerheblich und wird auf weniger als 20% für Etalons 12 abgeschätzt, die 0,2 mm bis 0,5 mm lang sind.

Die harmonische Resonanz erhöht die "effektive Nichtlineari tät" des Verstärkungskristalls 12 um die reziproke Quadratwur zel des Gütefaktors Q des harmonischen Resonators. Dies führt zu einer erheblichen Erhöhung der harmonischen Konversion zu brauchbaren Ausgangswerten und zu einer erheblichen Verbesserung des Ausgangs für eine gegebenen Gesamtlänge oder -größe.

Um einen befriedigenden Einsatz dieses Lasers 10 zu gewährleisten, sollte man sich darum bemühen, eine genaue Kontrolle der Phasen der harmonischen und der infraroten Fel der an den zwei Reflektoren oder Spiegeln zu erreichen, die auf den zwei Oberflächen 12a und 12b entstehen. Dielektrische Schichten sind verwendet worden, um dieses Ergebnis zu erhal ten. Für eine maximale harmonische Ausgangsleistung sollte das Feld der Harmonischen mit dem Feld der Grundwelle nach der Re flektion in Phase bleiben. (...the harmonic field should remain phased with the fundamental field after reflection...). Derartige Beschichtungen können entworfen und erhalten werden, obwohl sie mit den heute verfügbaren Techniken etwas teurer und schwerer herzustellen sind als konventionelle Beschichtun gen, in denen die Phase nicht kontrolliert wird. Die bevor zugte Ausführungsform der Erfindung basiert auf einem dünnen Etalon aus NYAB mit Flächenbeschichtungen, um sowohl einen hoch-reflektierenden Resonator für den Infrarotlaser als auch einen impedanzangepaßten Resonator bei der zweiten Harmoni schen zu erzeugen, um die Ausgangsleistung im sichtbaren auf brauchbare Werte zu erhöhen.

Beispiel

Ein Prototyp Mikro-Laser 10, welcher die Prinzipien der vor liegenden Erfindung verwendet, benutzt einen Würfeletalon 12 aus NYAB, der die Dimensionen von 500 µm×3 mm×3 mm auf weist. Zwei gegenüberliegende Flächen werden beschichtet, um bei 1064 nm und bei 531 nm auf der Eingangsfläche 12a HR zu sein, und um eine Reflektivität von 80% bei 531 nm auf der Ausgangsfläche 12b zu haben. Das Etalon 12 wird mittels einer Ti : Saphir Laserquelle 12 gepumpt, die bei 804 nm läuft. Für eine Eingangsleistung von 490 mW ist eine Ausgangsleistung von 18 mW bei 531 nm in einem TEM₀₀ Mode beobachtet worden. Obwohl drei Moden in dem IR-Bereich gelaufen sind, war der SHG-Aus gang single frequency, und das Rauschen war sehr gering.

Benachbarte longitudinalen Moden (in einem Abstand von 4 A) waren scheinbar orthogonal polarisiert; scheinbar war nur eine Infrarotmode innerhalb der engen Akzeptanzbandbreite und hatte die korrekte Polarisation für die Typ-I Phasenanpassung in NYAB. Die Phasenabstimmung (phase matching) ist mittels der Temperatur fein abgestimmt worden. Ein FWHM von 3°C für den SHG-Ausgang ist beobachtet worden, im Gegensatz zu 0,2°C für den intern verdoppelten Dreikomponentenwürfellaser, der nun von dem US-Patent beansprucht wird. Ein vollständige Abwesenheit von Moden-Konkurrenz Rauschen ist in dem 10 bis 500 kHz-Bereich beobachtet worden, wie der Ausgang bei einer einzelnen Frequenz andeutet.

Alternativerweise kann das selbstverdoppelnde lasende Material 12 auch in der Form eines stabilen Resonators vorliegen, an stelle eines ebenen parallelen Würfels oder Etalons. Ein sta biler Resonator würde ein Verstärkungsmaterial verwenden, wel ches wenigstens eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Obgleich diese Ausführungsform eines harmonisch resonanten selbstver dopplenden Lasers mittels heutiger Techniken in hinreichender Qualität schwerer herzustellen ist, als das ebene Design, kann es in einigen Fällen zu verbesserten Betriebseigenschaften führen.

Fig. 2B zeigt ein Beispiel eines monolithischen selbstverdop pelnden Lasers 10b mit stabilem Resonator und harmonischer Re sonanz. Der einzige Unterschied zwischen dieser Ausführungs form und der von Fig. 1 liegt in der Tatsache, daß wenigstens eine Fläche 12b des Kristalls 12 konvex poliert ist, um den stabilen Resonator zu bilden. Die Beschichtungen sind mit den zuvor für den planen parallelen Würfelresonator beschriebenen identisch. Diese Struktur kann mittels Nah- Kopplung einer Diodenpumpquelle 14 oder mittels Fokussierung von ihr mit ei ner Linse, wie in Fig. 2A dargestellt, gepumpt werden.

Zusätzlich zu den in den Fig. 1, 2A und 2B dargestellten monolithischen Designs sollten auch Multikomponenten oder zu sammengesetzte Designs betrachtet werden. Beispiele sind in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellt. In diesen Ausführungsfor men ist ein zweites (oder drittes) Element in den Resonator eingefügt. Dieses Element kann entweder mit dem selbstverdop pelnden Verstärkungskristall 12 optisch kontaktiert werden, oder es kann im Abstand von ihm angeordnet sein. Man könnte die Verwendung einer derartigen zweistückigen Struktur in einem Laser mit stabilem Resonator (vgl.Fig. 2B) bevorzugen, um es dem gekrümmten Spiegel 12B zu erlauben, separat von dem NYAB Verstärkungselement hergestellt zu werden. Das zusätzliche Element kann auch dazu verwendet werden, die relativen Phasen der Harmonischen und der Grundwelle in dem Resonator zu kontrollieren.

Ein Drei-Komponenten-Würfeldesign 10c ist in Fig. 3 darge stellt. Die zwei zusätzlichen Elemente 19 und 20 können ver wendet werden, um die relativen Phasen der Grund- und der har monischen Welle zu kontrollieren und/oder den Resonator zu stabilisieren. Die Drei-Komponenten-Struktur ist der allge meine Fall und man kann sie auf eine zweistückige Struktur vereinfachen, indem man eines der zwei Endstücke 19 und 20 entfernt.

In Fig. 3 weist der selbstverdoppelnde Kristall 12 e-strahl verdampfte Al₂O₃ "Schienen" 22 und 23 auf, welche ungefähr 1 bis 2 µm dick sind und welche benachbart zu den äußeren Kanten der gegenüberliegenden Oberflächenf 12a und 12b des NYAB Eta lons angeordnet sind. Diese Schienen separieren die benachbar ten beschichteten Oberflächen 20b, 12a und 12b, 19a der einzelnen Plättchen 20, 12 und 19 voneinander, während sie die Ausrichttoleranzen des zusammengesetzten Mikrolasers 10c auf rechterhalten.

Der Mikrolaser 10c kann zusammengefügt werden, indem die drei Plättchen 20, 12 und 19 nach geeigneter Ausrichtung zusammen gepreßt werden. Die Parallelität der zwei Enden 20a und 19b des zusammengesetzten Resonators ist durch die Parallelität der einzelnen Stücke und der Tatsache garantiert, daß die Ab standsschienen 22 und 23 diese Parallelität bewahren, während sie die beschichteten Oberflächen leicht separieren.

Die Leichtigkeit mit der die Parallelität erhalten wird und die Leichtigkeit des Zusanmenbaus sind zwei Vorteile, die die Massenproduktion dieser Ausführungsform der Erfindung erleich tern.

Zusätzlich zu der Phasenkontrolle ist es auch möglich, eine oder beide der Endstücke 19 und 20 zu verwenden, um einen sta bilen Resonator zu erzeugen. Es gibt wenigstens zwei Wege, um dies zu erreichen. Einer davon ist, die äußere Oberfläche ei nes Elementes konvex zu gestalten, wodurch ein sphärischer Spiegel auf der äußeren Oberfläche des Resonators erzeugt wird. Der andere ist, das Element aus einem planen parallelen Plättchen eines Gradientenindexmaterials herzustellen, daß als ein sphärischer Spiegel fungiert. Der Vorteil des GRIN Spie gelelmentes liegt in der Tatsache, daß eine ebene Komponente einfacher hergestellt werden kann, als eine mit einer gekrümmten Oberfläche.

Im einzelnen zeigt die Fig. 4 einen Zwei-Komponenten selbst verdoppelenden Laser 10d, welcher einen GRIN Spiegel 15, zur Phasenkontrolle und Stabilisierung des Resonators aufweist.

Fig. 5 zeigt ein Zwei-Komponenten-Design 10c, welches ein konvexes Element 19′ aus Quarzglas aufweist. Diese Ausfüh rungsformen zeigen, daß das zusätzliche Element 15′ oder 19′ auf jedes Ende des Verstärkungsmediums 12 aufgebracht werden kann. Jeder dieser Multikomponentenresonatoren 10c, 10d oder 10e kann mittels nah-Kopplung gepumpt werden, oder mittels Abbildung der Diodenlaserpumpquelle mit Hilfe einer Linse (vgl. Fig. 2A).

Aus der obigen Beschreibung wird dem Fachmann klar, daß ver schiedene Variationen, Alternativen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Demnach ist diese Be schreibung nur als illustrierend gedacht und dient dem Zweck, die Lehre, wie die Erfindung auszuführen ist, dem Fachmann zu erläutern. Verschiedene Änderungen können durchgeführt werden, Materialien können substituiert werden, und verschiedene Merk male der Erfindung können einzeln verwendet werden.

Beispielsweise kann die genaue geometrische Form des lasenden Materials 14 variiert werden (beispielsweise kann das Etalon 12 von kreisförmiger oder rechteckiger Form sein). Wenn gewünscht, kann das Etalon 12 mit dem Ende einer optischen Faser gepumpt werden. Darüberhinaus kann das Etalon 12 aus sowohl organischen als auch anorganischen selbstverdoppelnden lasenden Materialien gebildet sein. Zusätzlich kann eine Lambda-Viertel-Platte oder eine ähnliche Einrichtung in der Nähe des Ausgangsendes des Lasers plaziert werden, um einen Single- Mode- Ausgang bei einer einzelnen Frequenz zu erhalten. Daher wird darauf hingewiesen, daß verschiedene Modifikationen, Alternativen, Variationen etc. durchgeführt werden können, ohne den Gegenstand der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, alle derartigen beteiligten Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche mit zu umfassen.

Zusammenfassend kann also festgehalten werden, daß ein Mikro- Laser beansprucht wird, der aus einem festen dünnen Etalon eines selbstverdoppelnden Kristalls gebildet wird, welcher zwei gegenüberliegende Flächen aufweist und welcher relativ zu einer nah-gekoppelten und diodengepumpten Quelle optischer Strahlung angeordnet ist, zur resonant gesteigerten, phasenangepaßten harmonischen Erzeugung entlang einer Ausbreitungsrichtung, welche im wesentlichen senkrecht zu den zwei Flächen des Etalons ist.

Claims

1. Laser, mit:
einem aktiven Medium, das einen selbstverdoppelnden Kristall enthält, welcher zwei gegenüberliegende Flächen aufweist;
Laserdiodenquellenvorrichtungen zum Pumpen des Kri stalls; und
Resonanzvorrichtungen, die den Flächen zugeordnet sind, um von dem Kristall emittiertes Laserlicht bei einer Grundwellenlänge und einer Harmonischen der Grundwellenlängen resonant zu steigern und phasen anzupassen, wobei die Resonanzvorrichtungen einen Ausgang bei der Harmonischen haben, der im allgemei nen mehr reflektierend als transmittierend ist.

2. Laser nach Anspruch 1, worin der selbstverdoppelnde Kristall mittels einer Laserdiodenquelle gepumpt wird, die mit einer der Flächen nah-gekoppelt ist,; und worin die Resonanzvorrichtungen eine Beschich tung auf der einen Fläche für hohe Reflektion bei der Grundwellenlänge und der harmonischen Wellen länge und eine Beschichtung auf der gegenüberliegen den Fläche für hohe Reflektion bei der Grundwellen länge und etwas Transmission bei der harmonischen Wellenlänge aufweisen.

3. Laser nach Anspruch 2, welcher des weiteren Ab standsvorrichtungen aufweist, um die gegenüberlie gende Fläche des Plättchens von der einen Fläche des selbstverdoppelnden Kristalls zu separieren.

4. Laser nach Anspruch 1, worin der Abstand zwischen den Flächen derartig ist, daß die Absorption der Harmonischen der Grundwellenlänge bei einem Durch gang sich in dem Bereich von 20% oder weniger be findet.

5. Mikro-Laser mit:
einer Schicht eines selbstverdoppelnden Verstärkungsmediums, die zwei gegenüberliegende Flächen aufweist, und die Laserlicht bei einer Grundwellenlänge emittiert, wenn sie optisch gepumpt wird;
Laserdiodenpumpvorrichtungen, die benachbart zu ei ner der Flächen angeordnet sind und die mit dem Ver stärkungsmedium nah-gekoppelt sind, um das Verstär kungsmedium optisch zu pumpen; und
Resonanzvorrichtungen, die von wenigstens eine der zwei gegenüberliegenden Flächen getragen werden, um einen hochreflektierenden Resonator bei der Grund wellenlänge und einen imped-anzangepaßten Resonator bei einer Harmonischen der Grundwellenlänge zu bil den, wobei die Resonanzvorrichtungen einen Ausgang bei der Harmonischen aufweisen, der im allgemeinen mehr reflektierend als transmittierend ist.

6. Mikro-Laser nach Anspruch 5, worin das Verstärkungs medium eine Dicke in dem Bereich von 0,01 mm bis 0,99 mm aufweist und eine Neodymkonzentration hat, so daß die Absorptionsverluste bei einem Umlauf bei der Wellenlänge der Harmonischen geringer sind als ungefähr 25%.

7. Mikro-Laser nach Anspruch 5, worin die Resonanzvor richtungen aufweisen:
Beschichtungsvorrichtungen, die auf einer Fläche des Verstärkungsmediums getragen werden, für hohe Re flektion bei der Grundwellenlänge und der Harmonischen der Grundwellenlänge; und
einem plankonvexen optischen Element, welches eine ebene Fläche benachbart zu der gegenüberliegenden Fläche des Verstärkungsmediums aufweist, sowie eine gekrümmte Fläche, welche Vorrichtungen zur hohen Re flektion bei der Grundwellenlänge und Transmission bei der Harmonischen der Grundwellenlänge trägt.

8. Mikro-Laser nach Anspruch 5, welcher des weiteren Vorrichtungen zum Anordnen der gegenüberliegenden Fläche des Verstärkungsmediums im Abstand von der ebenen Fläche des plankonvexen optischen Elementes enthält.

9. Mikro-Laser nach Anspruch 5, worin die Resonanzvor richtungen aufweisen:
eine Beschichtung, die von beiden der Flächen getra gen wird, für eine hohe Reflektivität bei der Grund wellenlänge;
eine Beschichtung, welche von einer der Flächen ge tragen wird, für eine hohe Reflektivität bei der Harmonischen; und
eine Beschichtung, die von der anderen der zwei Flä chen getragen wird und die mit der einen Fläche pha senangepaßt ist, zur Transmission der Harmonischen in der Größenordnung von ungefähr 20% oder weniger.

10. Mikro-Laser nach Anspruch 5, welcher wenigstens ein doppelbrechendes Kristall enthält, welches benach bart zu der anderen der Flächen angeordnet ist, um Licht bei der Harmonischen der Grundwellenlänge zu empfangen.

11. Mikro-Laser nach Anspruch 5, welcher desweiteren we nigstens einen dispersiven Kristall enthält, welcher benachbart zu der anderen der Flächen angeordnet ist, um Licht bei der Harmonischen der Grundwellenlänge zu empfangen.

12. Lasersystem mit:
einem Etalon aus einem selbstverdoppelnden Verstär kungsmedium, welches zwei parallele gegenüberlie gende Flächen aufweist;
Laserdiodenquellenvorrichtungen zum Pumpen des Ver stärkungsmediums mit optischer Pumpstrahlung, um La serlicht bei einer vorher bestimmten Wellenlänge und einer Harmonischen der vorher bestimmten Wellenlänge zu erzeugen;
einem ersten reflektierenden Plättchen, welches eine Fläche für den Empfang der optischen Pumpstrahlung aufweist, und welches eine gegenüberliegende Fläche aufweist, die benachbart zu der einen Fläche des Etalons angeordnet ist, wobei die Flächen des Eta lons transmittierend bei der vorher bestimmten Wel lenlänge sind, und wobei die gegenüberliegende Flä che des Etalons im allgemeinen mehr reflektierend als transmittierend bei der Wellenlänge der Harmonischen ist; und
einem zweiten reflektierenden Plättchen, dessen eine Fläche benachbart zu der gegenüberliegenden Fläche des Etalons angeordnet ist, und das eine gegenüber liegende Fläche aufweist, die hochreflektierend bei der vorher bestimmten Wellenlänge ist, und die hoch transmittierend bei der Wellenlänge der Harmonischen ist.

13. Laser nach Anspruch 12, welcher des weiteren Be schichtungsvorrichtungen enthält, zum Separieren von wenigstens einer der Konbinationen des ersten Plätt chens und des Etalons und der Kombination des Eta lons und des zweiten Plättchens.

14. Lasersystem, mit:

a) einer Quelle optisch kohärenten Lichtes; und
b) einem Plättchen aus einem selbstverdoppelndem Verstärkungskristall, welches - wenn mittels der Quelle gepumpt - dadurch gekennzeichnet ist, daß es bei einer Grundwellenlänge und einer Harmonischen der Grundwellenlänge last, und das zwei Flächen aufweist, wobei eine der Flächen mit der Quelle nah-gekoppelt ist und auf sich Vorrichtungen zum Transmittieren des Lichtes von der Quelle zum Pumpen des Plättchens trägt, und Vorrichtungen zum im wesentlichen reflektieren von optischer Strahlung bei der Grundwellenlänge und einer zweiten Harmonischen der Grundwellenlänge in das Plättchen, wobei die andere der zwei Flächen Vorrichtungen trägt, um im wesentlichen die optische Strahlung bei der Grundwellenlänge in das Plättchen zu reflektieren und zum Transmittieren von Licht bei der harmonischen Wellenlänge aus dem Plättchen in einem Umfang, um übermäßige Absorption in dem Verstärkungskristall zu verhindern, und um einen impedanz-angepaßten optischen Resonator bei der harmonischen Wellenlänge zu erzeugen.

15. System nach Anspruch 14, worin die eine Fläche des Verstärkungskristalls eine optische Beschichtung trägt, welche bei der Wellenlänge der Quelle trans mittierend ist; und worin die Vorrichtung zum Trans mittieren des Lichtes von der Quelle in das Plätt chen eine optische Beschichtung aufweist, welche bei der Grundwellenlänge und bei der zweiten harmoni schen Wellenlänge hoch reflektierend ist.

16. System nach Anspruch 15, worin die Vorrichtungen zum im wesentlichen reflektieren der optischen Strahlung bei der Grundwellenlänge in das Plättchen und zum Transmittieren der Strahlung bei der harmonischen Wellenlänge aus dem Plättchen wenigstens eine opti sche Beschichtung aufweisen, welche bei der Grundwellenlänge hochreflektierend ist und welche bei der Wellenlänge der zweiten Harmonischen um ungefähr 20% oder weniger transmittierend ist.