DE4205587A1 - Frequenzverdoppelter single-frequency laser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Laser im allgemeinen; insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung diodenlaser­ gepumpte frequenzverdoppelte Festkörperlaser.

Intracavityverdoppelte Nd:YAG-Laser sind als Quellen für grünes Licht seit mehr als 20 Jahren vorgeschlagen und viele derartige Einrichtungen sind in den vergangenen Jahren hergestellt und analysiert worden. Typische Einrichtungen bestehen aus einem Nd:YAG-Stab, einem Brewster- Polarisationselement und einem Typ-Iphasenangepaßten (phasematched) Kristall wie Ba₂ NaNb₅ O₁₅ oder LiIO₃. Ver­ schiedene Beispiele dieses Typs von Einrichtung sind in dem Buch von Koechner, Solid State Laser Engineering, Springer- Verlag, 2. Auflage, 1988 gezeigt. Es ist beobachtet worden, daß diese Einrichtungen grundsätzlich weniger stabil sind, wenn der nichtlineare Kristall sich in dem Resonator befin­ det, als wenn er sich außerhalb von ihm befinden würde. Ver­ schiedene vorsichtige Erklärungen, die Modenschwebung oder thermische Effekte umfassen, sind vorgeschlagen worden, aber keine definitive Studien sind durchgeführt worden. Es wurde oft angenommen, daß der nichtlineare Kristall einfach ein nichtlinearer Verstärker für Fluktuationen ist, die schon in dem unverdoppelten Laser vorhanden waren. Die Stabilität war nicht das einzige Problem in Verbindung mit diesen Ein­ richtungen; Kristallschäden und andere Materialprobleme be­ grenzten die Leistungsfähigkeit dieser Einrichtungen.

Das Interesse an intracavityverdoppelten Lasern ist in den 80er Jahren wieder aufgefrischt, nachdem neue nichtlineare Materialien und diodenlasergepumpte Techniken verfügbar wur­ den. Ein neues nichtlineares Material war KTiOPO₄, Kaliumti­ tanylphosphat oder KTP, ein hoch-nichtlineares Material, welches viele der mechanischen, thermischen und optischen Probleme nicht mehr aufwies, die mit früheren Materialien verbunden waren. Die Phasenanpassung bei KTP ist vom Typ II, so daß einfache Brewster-Platten-Polarisatoren, die im Zu­ sammenhang mit den früheren Materialien verwendet wurden, nicht mehr geeignet waren.

Die Verwendung von Typ-II-nichtlinearen Kristallen (wie bspw. KTP) für die Intracavity-Erzeugung der zweiten har­ monischen (SHG) führt zu einer Vielzahl von polarisationsbe­ zogenen Problemen. Das Plazieren eines doppelbrechenden Kristalls in einer nichtpolarisierten Lasercavity erzeugt oft unerwünschte Effekte, da die Kristallachse zwei orthogo­ nale Polarisationen definiert, die, im allgemeinen, in sowohl ihrer optischen Weglänge als auch in ihren Verlusten differieren. Unterschiede in der Weglänge führen zu zwei schwach gekoppelten Sätzen von resonanten Resonatorfrequen­ zen, welche oft zu einem unberechenbaren Modensprungverhal­ ten und Ausgangsrauschen führen. Darüber hinaus tendieren beliebige Unterschiede in den relativen Verlusten für jede Polarisation zu einem Laserausgang zu führen, der entlang einer Achse des Kristalles polarisiert ist. Da für den Typ II der Frequenzverdopplung Strahlung benötigt wird, welche entlang zwei Kristallachsen polarisiert ist, wird eine nur entlang einer Achse polarisierte Ausgangsstrahlung die Ef­ fizienz des SHG-Prozesses verhindern oder wenigstens vermin­ dern. Verzögerungsplatten (retardation plates) sind verwen­ det worden, um die Polarisationen innerhalb des Resonators zu steuern. Das Erzeugen von Rauschen ist nicht angesprochen worden. Typische Beispiele findet man in den folgenden US- Patenten: 44 13 342 von Cohen et al.; 41 27 827 und 39 75 693 von Barry et al.; 46 17 666; 46 37 026; 40 48 515 und 46 18 957 von Liu.

Baer scheint der erste gewesen sein, der einen diodenlaser­ gepumpten Nd:YAG-Laser baute, welcher mit KTP intracavity­ verdoppelt wurde, vergleiche z. B. die US-Patente: 46 53 056; 46 56 635; 47 01 929; 47 56 003 und 48 72 177. Eine früher von Baer benetzte Cavity bestand aus einem endgepumpten Nd:YAG-Stab, einem KTP-Kristall und einem gekrümmten Reflek­ tor und wies keine polarisationssteuernden Elemente auf. Baer berichtete von den folgenden Ergebnissen: (1) Wenn der Laser ohne ein Intracavity-Etalon betrieben wurde, zeigte er optisches Rauschen mit einer Frequenz im Bereich von unge­ fähr 10 Kilohertz bis zu mehreren 100 Kilohertz; (2) wenn ein Etalon hinzugefügt wurde, um die Anzahl der oszillieren­ den Moden auf zwei zu reduzieren, sind wohl definierte Os­ zillationen in der optischen Leistung beobachtet worden; und (3) wenn der Laser mittels eines Etalons gezwungen wurde, im Single-Mode-Betrieb zu laufen, war die Ausgangsleistung sta­ bil, aber der Laser erzeugte eine nur sehr geringe grüne Ausgangsleistung. Baer interpretierte seine Ergebnisse mit­ tels einem Ratengleichungsmodell, welches sowohl Summenfre­ quenzerzeugung und Kreuzsättigungseffekte (cross saturation effects) berücksichtigte. Baer glaubte, daß die Laser-Ampli­ tuden-Fluktuationen auftauchten, weil das System zwei nichtlineare Rückkoppelungsmechanismen aufwies, welche mit zwei verschiedenen Zeitskalierungen arbeiteten. Er schloß daraus, daß die Oszillationen ein grundlegendes Hindernis für einen befriedigenden Multimodenbetrieb des intracavi­ tyverdoppelten Lasers darstellten.

Spätere Ausführungsformen von Baer enthielten zusätzlich Brewster-Platten-Polarisierer, welcher in einem Winkel von 45° zu der Achse des KTPs orientiert war, um gleiche Leistung in den zwei Kristallpolarisationen zu ermöglichen. Dieses Design litt unter der Tatsache, daß im allgemeinen eine Brewster-Platte und ein doppelbrechender Kristall in einem optischen Resonator mit geringen Verlusten nicht kom­ biniert werden können. Die linearen Polarisationen, die durch die Brewster-Platte hindurchtreten, werden mittels des KTP in eine elliptische Polarisation transformiert, die einen erheblichen Verlust beim Hindurchtreten durch die Brewster-Platte erfährt.

Nur in dem Spezialfall (welcher von Baer weder beschrieben noch diskutiert wurde), in dem der KTP als eine halbzahlige Wellenplatte (half-integral waveplate) fungiert, werden die Resonatorverluste gering sein. Da KTP stark doppelbrechend ist, temperaturabhängige Brechungsindizes aufweist, typischerweise wenige Millimeter lang ist, wird ein Verdoppelungskristall aus KTP als eine temperaturvariable Verzögerungsplatte mehrfacher Ordnung wirken. Im allgemeinen muß, damit Eigenmoden geringer Verluste in einem Laserreso­ nator existieren können, welcher eine Brewster-Platte und ein doppelbrechendes Element enthält, das doppelbrechende Element eine volle oder halbe Wellenplatte (full or half wave plate) sein. Daher hängt der Erfolg bei der Herstellung eines optischen Resonators mit geringen Verlusten bei einer gegebenen Wellenlänge kritisch von der genauen Kontrolle der Kristallänge und der Resonatortemperatur ab. Es existiert ein empfindliches Verhältnis zwischen der Kristallänge, der Resonatortemperatur und den Polarisationsverlusten.

Auch Andere haben versucht, einen Festkörperlaser herzustel­ len, welcher nichtlineare Kristalle oder lasendes Material verwendet, um grünes Licht aus infrarotem Licht unter Aus­ nutzung der Prinzipien der Erzeugung der zweiten harmoni­ schen zu erzeugen. Die folgenden US-Patente sind beispiel­ haft für die vielen Praktiken, mittels denen versucht wurde, eine handhabbare Vorrichtung herzustellen: 36 24 549 von Geusic et al.; 37 50 670 von Palanos et al.; 36 19 637 von Godo et al. und 48 56 006 von Yano et al.

Kürzlich offenbarte Anthon et al. einen Intracavity-fre­ quenzverdoppelten Laser (US 49 33 947, übertragen auf die AMOCO Corporation), welcher eine verbesserte Amplitudensta­ bilität aufwies. Dies ist im wesentlichen dadurch erreicht worden, daß das "Spatial- Hole- Burning" oder das "Lochbren­ nen" in dem lasenden Material eliminiert wurde und dadurch, daß der optische Resonator des Lasers bei einer Temperatur gehalten wurde, die zu einer im wesentlichen rauschfreien Erzeugung von optischen Strahlen führte.

Obgleich es ein ziemlich vollständiges, allgemeines Ver­ ständnis der Theorie des frequenzverdoppelnden Prozesses zu geben scheint, muß ein zuverlässiger, diodenlasergepumpter frequenzverdoppelter Festkörperlaser seine vollständige Ak­ zeptanz auf dem Markt erst noch finden. Zuvor litten derar­ tige Laser noch unter einer Vielzahl von Problemen. Diese Probleme umfaßten Fluktuationen in der Ausgangsleistung während des Anlaufens, eine Ausgangsleistung, welche signi­ fikant über die Zeit und in Abhängigkeit von Temperatur­ änderungen variierte, nicht wiederholbare Ausgangsleistungen bei sich ändernden Resonatortemperaturen; mehrere (bspw. zwei oder drei) simultan laufende spektrale Moden; diffe­ rierende Polarisationen in den spektralen Moden ohne ein festes Verhältnis zwischen ihnen; eine nicht definierte In­ frarot(IR)-Polarisation; spektrale Moden und Ausgangs­ leistungen, die sich änderten, wenn der Laser erschüttert wurde oder leicht vibrierte; und ein Laserbetrieb (d. h. die Ausgangsleistung und die spektralen Moden), welcher unge­ bührlich empfindlich auf herkömmlich auftretende Änderungen in den Charakteristiken des pumpenden Diodenlasers reagiert.

Naheliegenderweise wäre ein zuverlässiger und betriebssiche­ rer frequenzverdoppelter Single-Frequency-Laser in der Pho­ toindustrie willkommen. Noch wichtiger wäre aber die Bereit­ stellung einer Miniaturstrahlungsquelle für sichtbares grü­ nes Licht, unter Verwendung einer Festkörper-Diodenlaser- Quelle als Quelle für infrarote optische Pumpstrahlung.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige Quelle für frequenzverdoppeltes Laserlicht mit im wesentlichen Single-Frequency-Eingenschaften bereitzu­ stellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laservorrichtung gemäß dem Anspruch 1 bzw. 6 bzw. 10 bzw. 11 und durch ein Verfah­ ren zur Erzeugung von grünem oder blauem Licht bei im we­ sentlichen einer einzelnen Frequenz nach Anspruch 17.

Im einzelnen wird diese Aufgabe gemäß der vorliegenden Er­ findung durch einen Laser gelöst, welcher aufweist: ein la­ sendes Material, welches angepaßt ist, um bei einer vorher­ bestimmten Wellenlänge in Antwort auf optische Pumpstrahlung zu lasen, und welches ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist; einen Eingangsspiegel, um lasendes Licht im wesentlichen in Richtung des hinteren Endes des lasenden Ma­ teriales zu reflektieren; einen Ausgangskoppler, um Laser­ licht im wesentlichen in Richtung des Eingangsspiegels zu reflektieren, und um wenigstens einen Teil des Laserlichtes bei einer Harmonischen der vorherbestimmten Wellenlänge durch sich hindurch zu lassen; Vorrichtungen, welche zwi­ schen dem Eingangsspiegel und dem Ausgangskoppler angeord­ net sind, um, das "Spatial Hole Burning" in dem lasenden Ma­ terial im wesentlichen zu eliminieren, während Laserlicht bei der vorherbestimmten Wellenlänge produziert wird; Pola­ risationsvorrichtungen, welche angeordnet sind, um das Licht bei der vorherbestimmten Wellenlänge von dem lasenden Mate­ rial zu empfangen, um das lasende Licht von dem lasenden Ma­ terial zu polarisieren; und Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische, die angeordnet sind, um das polarisierte Laserlicht zu empfangen, und die optische Achsen aufweisen, welche relativ zum polarisierten Licht für die Phasenanpas­ sung orientiert sind, um das polarisierte Laserlicht in eine Harmonische der vorherbestimmten Wellenlänge zu konvertie­ ren.

Das zuvor beschriebene Lasersystem arbeitet - wenn KTP als Erzeugungsvorrichtung für die zweite Harmonische verwendet wird und wenn mit nah-infrarotem Licht gepumpt wird - als eine stabile Quelle für grünes Licht. Es ist herausgefunden worden, daß der Single-Frequency-Laser der vorliegenden Er­ findung eine präzise Leistungsquelle ist, da er in einer wohldefinierten einzelnen spektralen Mode mit konsistenter Polarisation arbeitet. Darüber hinaus ist die Leistung hoch, das "Spatial- Hole- Burning" ist eliminiert, die Ausgangslei­ stungsvariationen in Folge von Änderungen der Resonatortem­ peratur sind wiederholbar und die IR-Polarisation ist unab­ hängig von der Resonatortemperatur und dem Mode wohl defi­ niert. Darüber hinaus ändert sich die Modenverteilung nicht, wenn der Laser leicht vibriert, berührt wird, oder wenn die Pumpmoden sich ändern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein diodengepumpter Festkörperlaser bereitgestellt, welcher eine stabile und zu­ verlässige Quelle grünen Lichtes darstellt.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines stabilen grünen Lasers, welcher eine Laserdiode, einen mit seltenen Erden dotierten Kristall und ein frequenzverdoppelndes Material in einem gemeinsamen Re­ sonator verwendet.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines stabilen und zuverlässigen diodenlaser­ gepumpten Festkörperlasers, welcher Nd:YAG und KTP verwendet und welcher die sich aus dem "Spatial- Hole- Burning" erge­ benden Probleme nicht aufweist und welcher als Ausgang eine Single- Frequency- Spektralmode aufweist.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines frequenzverdoppelnden Lasersystems, welcher einen Resonator aufweist, der das Verdoppeln sicher­ stellt und der einen polarisierten Modenbetrieb verhindert, in dem die oszillierenden Moden im Wettbewerb stehen (mode competition).

Schließlich liegt ein Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Kombination von Lyot- Filterprinzipien und den Prinzi­ pien der Erzeugung der zweiten Harmonischen, um einen fre­ quenzverdoppelten Single-Frequency-Laser zu erzeugen.

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

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des grünen Single-Fre­ quency-Lasers, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung von Fig. 1; und

Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer Variation der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform.

Obgleich die vorliegende Erfindung in verschiedenen Ausfüh­ rungsformen anwendbar ist, sind in der beigefügten Zeichnung und in der folgenden Beschreibung nur drei spezifische Aus­ führungsformen der Erfindung beschrieben. Indessen wird dar­ auf hingewiesen, daß die vorliegende Offenbarung als eine Erläuterung der Prinzipien der Erfindung betrachtet wird und daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die spezi­ fisch dargestellten Ausführungsformen zu begrenzen.

Im Hinblick auf Fig. 1 ist ein grüner Single-Frequency-Laser 10 dargestellt, welcher aufweist: eine Quelle 12 optischer Pumpstrahlung, ein lasendes Material 14, einen Eingangsspie­ gel 16, einen Ausgangskoppler 18, zwei λ/4-Platten 20 und 22, ein polarisierendes Element 24 und ein nichtlineares op­ tisches Material oder Element 26 zur Erzeugung der Harmoni­ schen (das alternativerweise auch als "Frequenzverdoppler" bezeichnet wird). Eine Temperaturregelung 28 wird verwendet, um einen thermoelektrischen Kühler 30 für die Quelle 12 und ein Heizelement oder einen Kühler 32 und 33 für den Laserre­ sonator zu regeln.

Die Quelle 12 stellt optische Pumpstrahlung für das lasende Material 14 bereit. Eine Fokussierungsvorrichtung oder Linse 11 (bspw. ein optisches Element, welches einen Gradienten- Brechungsindex oder GRIN aufweist, eine Ballinse, eine asphärische Linse, eine Kombination von Linsen, etc.) kann verwendet werden, um den Ausgang der Quelle 12 auf das la­ sende Material 14 zu fokussieren. Dieses Fokussieren führt zu einer hohen Pumpintensität und einer damit verbundenen hohen Photon-zu-Photon-Konversionseffizienz in dem lasenden Material 14. Jede Anzahl von Kombinationen von Quellen und lasenden Materialien kann verwendet werden.

Vorzugsweise ist die Quelle 12 ein lichtemittierender Halb­ leiter, wie bspw. ein Diodenlaser oder ein Diodenlaserarray, und das lasende Material 14 ist ein nicht doppelbrechender Kristall wie ein mit einer seltenen Erde dotierter Granat als aktives Material (bspw. Nd:YAG), oder ein Kristall, der ein aktives Material mit seltenen Erden enthält, die eine stoichiometrische Komponente des lasenden Wirtsmaterials sind (wie bspw. Lithium-Neodym-Tetraphosphat (LNP) oder Neo­ dym-Pentaphosfat (NPP)).

Wenn erwünscht, kann die Ausgangsoberfläche der Halbleiter­ lichtquelle 12 in einem "nah-gekoppelten" oder in einem "an­ stoß-gekoppelten" Verhältnis zur Eingangsoberfläche des la­ senden Materials 14 ohne Verwendung einer Fokussierungsvor­ richtung 11 plaziert werden. Für den hiesigen Zweck bedeutet "anstoß-gekopppelt" eine Koppelung, die ausreichend nah ist, daß ein divergierender Strahl von optischer Pumpstrahlung, der von der Halbleiterlichtquelle 12 ausgeht, ein Modenvolu­ men innerhalb des lasenden Materials 14 mit einem hinrei­ chend kleinen transversalen Querschnittsbereich pumpt, so daß im wesentlichen nur der transversale Single-Mode-Laser­ betrieb in dem lasenden Material 14 unterstützt wird (d. h. nur der TEM₀₀-Mode-Betrieb).

Sehr geeignete lasende Materialien 14 für den anstoß-gekop­ pelten Betrieb umfassen Neodym-dotiertes YAG oder Nd:YAG, Gadolinium-Galliumgranat (Gd₃Ga₅O₁₂) oder GGG, und Gadoli­ nium-Scandium-Galliumgranat (Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂) oder GSGG, und insbesondere LNP oder NPP. Als spezifisches Beispiel stellt Neodym-dotiertes YAG ein sehr geeignetes lasendes Material für die Verwendung in Kombination mit einer optischen Pumpvorrichtung dar, welche Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 800 nm produziert. Wenn Neodym-dotiertes YAG mit Licht dieser Wellenlänge gepumpt wird, kann es Licht emit­ tieren, das eine Wellenlänge von ungefähr 1064 nm aufweist.

Die genaue geometrische Form des lasenden Materials 14 kann erheblich variieren. Beispielsweise kann lasendes Material stabförmig oder von rhomboedrischer Form sein, wenn ge­ wünscht. Darüber hinaus kann, wenn gewünscht, eine endge­ pumpte Faser eines lasenden Materials verwendet werden. Sehr geeignete Fasern für diesen Zweck umfassen optische Glasfa­ sern, welche mit Ionen einer seltenen Erde, wie bspw. mit Neodym, dotiert sind; sie sind aber nicht auf sie be­ schränkt. Die Länge einer derartigen Faser kann leicht ju­ stiert werden, so daß im wesentlichen die gesamte optische Pumpstrahlung absorbiert wird. Wenn eine sehr lange Faser benötigt wird, kann sie bspw. auf eine Spule gewickelt wer­ den, um die Gesamtlänge des Lasers der vorliegenden Erfin­ dung zu minimieren.

Eine sehr geeignete Quelle 12 optischer Pumpstrahlung be­ steht aus einem Gallium-Aluminium-Arsenid-Laserarray, wel­ ches Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 800 nm emit­ tiert und das an einem Kühlkörper befestigt ist. Derartige Laserdioden sind dem Durchschnittsfachmann hinreichend be­ kannt und können von einer Vielzahl von Herstellern bezogen werden (z. B. Spectra-Diode Laboratories, SONY, Laser Diode Inc., Siemens, etc.). Das Kühlblech kann passiven Charakters sein. Indessen kann das Kühlblech aber auch einen thermo­ elektrischen Kühler 30 umfassen, um das Laserdiodenarray 12 bei einer konstanten Temperatur zu halten und dadurch den optimalen Betrieb des Laserdiodenarrays bei einer konstanten Wellenlänge zu gewährleisten. Die Temperatur einer Laserdi­ odenquelle 12 kann mittels Regelelektroniken 28 reguliert werden. Separate Steuerungen für die Temperaturregelung der Quelle 12 und des gepumpten Laserresonators können verwendet werden. Vorsorglich wird darauf hingewiesen, daß während des Betriebes die optische Pumpvorrichtung oder Quelle 12 natür­ lich mit einer geeigneten Leistungsversorgung verbunden ist. Elektrische Leitungen von dem Laserdiodenarray 12, die zu einer Leistungsversorgung führen, sind aus Übersichtlich­ keitsgründen in der Zeichnung nicht dargestellt.

Ein Laserresonator, der eine sich longitudinal erstreckende Achse 34 aufweist, wird mittels dem Eingangsspiegel 16 und dem Ausgangskoppler oder Spiegel 18 gebildet. Beide Spiegel sind hoch reflektierend (bspw. 99% oder mehr, HR) bei der Wellenlänge (d. h. der Grundwelle oder λF) des lasenden Ma­ terialstabs 14 (bspw. bei 1064 nm für Nd:YAG). Der Eingangs­ spiegel 16 ist beschichtet, um Licht von der Quelle 12 zu transmittieren (bspw. hochtransmittierend (HT), ungefähr 85% oder mehr), und um hoch reflektierend bei der Wellenlänge der Grundwelle (bspw. bei 800 nm für Nd:YAG) zu sein.

Der Ausgangskoppler 18 ist ein Spiegel, der beschichtet ist, um bei der Harmonischen der Wellenlänge des Lichtes, das von dem lasenden Material oder Stab 14 emittiert worden ist (bspw. 532 nm (grün) für Nd:YAG, das bei 1064 nm last), HT zu sein.

Das Ausgangsspiegel 18 und der Eingangsspiegel 16 sind kon­ ventionellen Charakters und können bspw. geeignete konven­ tionelle Beschichtungen auf geeigneten Substraten enthalten.

Licht von dem lasenden Material oder Stab 14 wechselwirkt mit dem nichtlinearen optischen Material 26, um die Frequenz des Lichtes des lasenden Materials zu verdoppeln. Materia­ lien, welche nichtlineare optische Eigenschaften aufweisen, sind wohl bekannt. Beispielsweise offenbart das für Bierlein et al. erteilte US-Patent Nr. 39 49 323, daß nichtlineare optische Eigenschaften bei Materialien auftreten, die die Formel MTiO(XO₄) aufweisen, wobei "M" wenigstens eines von K, Rb, Ti und NH₄ ist; und "X" wenigstens eines von P oder As ist, mit der Ausnahme, wenn NH₄ anwesend ist, dann ist "X" nur P. Diese allgemeine Formel umfaßt Kalium-Titanyl- Phosphat (KTP), oder KTiOPO₄, ein besonders geeignetes nichtlineares Material.

Vorzugsweise ist das frequenzverdoppelnde Material 26 KTP. KTP weist einen der höchsten nichtlinearen optischen Koeffi­ zienten auf. KTP ist ein biaxiales Material, das Achsen hat, welche vorzugsweise für das Typ-II-Phase-Matching angeordnet werden (bspw. so, daß seine Z-Achse senkrecht zu der Refe­ renzachse 34 des Resonators ist, und unter ungefähr 45° zu einer Seite einer Ebene, die entlang der Referenzachse liegt (d. h. einer Ebene, die mit der Ebene der Zeichnung und der Richtung der Polarisation koinzident ist, die durch das Po­ larisationselement 24 eingeführt wurde)).

Nichtlineare optische Materialien wie bspw. KTP weisen die Eigenschaft auf, Licht einer vorherbestimmten oder Grund­ wellenlänge in Licht einer Harmonischen des Lichtes zu kon­ vertieren (d. h. Licht einer Frequenz ω wird in Licht der zweiten Harmonischen 2ω konvertiert, oder nah-infrarotes Licht bei einer Wellenlänge von 1064 nm wird in grünes Licht bei einer Wellenlänge von 532 nm konvertiert). Andere nicht­ lineare optische Materialien, die sich für die Frequenzver­ doppelung eignen, umfassen Kalium-Dihydrogen-Phosphat (KDP) oder KH₂ PO₄; AmmoniumDihydrogen-Phosphat (ADP) oder NH₄ H₂ PO₄; Ammonium-Dihydrogen-Arsenat (ADA) or NH₄ H₂ AsO₄; Zäsium-Dideuterium-Arsenat (CDA) oder CsH₂ AsO₄; Beta-Barium- Borat (BBO) oder ß-BaB₂ O₄; Lithium-Triborat (LBO) oder LiB₃ O₅; sowie KTiOAsO₄, Lithium-Jodad (LIO) oder LiIO₃, LiNbO₃, KNbO₃, HIO₃, KB₅ O₈-4H₂ O, KLiNbO₃, und organische Ma­ terialien wie Urea. Eine Übersicht über die nichtlinearen optischen Eigenschaften einer Anzahl von verschiedenen einaxialen Kristallen ist veröffentlich worden in Sov. J. Quantum Electron, Vol. 7, Nr. 1, Januar 1977, Seiten 1-13. Nichtlineare optische Materialien sind auch von S. Singh in dem CRC Handbook of Laser Science and Technology, Vol. 111, M.J. Weber, Ed., CRC Press, Inc., Boca Raton, Fla., 1986, Seiten 3-228 zusammengefaßt worden.

Die Übertragung von optischer Strahlung einer Frequenz in optische Strahlung einer anderen Frequenz durch Wechselwir­ kung mittels eines nichtlinearen optischen Materials ist wohlbekannt und ist sehr intensiv untersucht worden. Bei­ spiele für eine derartige Übertragung umfassen die Erzeugung der Harmonischen, optisches Mischen und die parametrische Oszillation. Die Erzeugung der zweiten Harmonischen oder "Frequenzverdoppelung" ist vielleicht das bekannteste und wichtigste Beispiel der nichtlinearen Optik, gemäß der ein Teil der Energie einer optischen Welle einer Winkelfrequenz durch einen nichtlinearen optischen Kristall wandert und in Energie einer Welle mit einer Winkelfrequenz von 2ω konver­ tiert wird. Die Erzeugung der zweiten Harmonischen ist von A. Yariv in Quantum Electronics, zweite Auflage, John Wiley & Sons, New York, 1975, auf den Seiten 407-434, und von W. Koechner in Solid State Laser Engineering, Springer-Ver­ lag, New York, 1976 auf den Seiten 491-524 zusammengefaßt worden.

Von elektromagnetischen Wellen, welche eine Frequenz im op­ tischen Bereich aufweisen und die sich durch einen nichtli­ nearen Kristall ausbreiten, glaubt man, daß sie Polarisati­ onswellen induzieren, die Frequenzen gleich der Summe und der Differenz der anregenden Wellen haben. Eine derartige Polarisationswelle kann Energie in eine elektromagnetische Welle der gleichen Frequenz transferieren. Der Fachmann weiß, daß die Effizienz des Energietransfers von einer Pola­ risationswelle in die entsprechende elektromagnetische Welle eine Funktion von: (a) der Größe des Polarisationstensors der zweiten Ordnung des optischen Materials ist (da dieses Tensorelement die Amplitude der Polarisationswelle be­ stimmt); und (b) der Entfernung ist, über die die Polarisa­ tionswelle und die abgestrahlte elektromagnetische Welle im wesentlichen in Phase bleiben können, oder über die sie für den nichtlinearen Übertragungsprozeß phasenangepaßt sind.

Ein bekanntes Verfahren zur Erzielung einer derartigen Pha­ senanpassung in einem nichtlinearen optischen Material nutzt die Tatsache aus, daß die Dispersion (die Änderung des Brechungsindexes mit der Frequenz) verschoben werden kann, indem die natürliche Doppelbrechung eines uniaxialen oder biaxialen Kristalls verwendet wird. Derartige Kristalle wei­ sen zwei Brechungsindizes für eine gegebene Ausbreitungs­ richtung auf, die den zwei erlaubten orthogonal polarisier­ ten Ausbreitungsmoden entsprechen. Demnach ist, bei einer geeigneten Wahl der Polarisation, der Ausbreitungsrichtung und der Orientierung der Kristallachsen, es oft möglich, eine Phasenanpassung in einem doppelbrechenden nichtlinearen optischen Kristall zu erzielen. Der Ausdruck "Phasenanpas­ sungsachse", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Linie oder eine Richtung durch einen nichtlinearen op­ tischen Kristall, entlang der die im wesentlichen phasenan­ gepaßte Konversion einer gegebenen Eingangsstrahlung in eine gegebene Ausgangsstrahlung für wenigstens bestimmte Polari­ sationen der Eingangsstrahlung erlaubt ist. Typ-I-Phasenan­ passung verlangt, daß die einfallenden Wellen, welche in den nichtlinearen optischen Materialien wechselwirken, die glei­ che Polarisation haben. Typ-II-Phasenanpassung verlangt, daß die einfallenden Wellen, die in dem nichtlinearen optischen Material wechselwirken, orthogonale Polarisationen aufwei­ sen.

KTP ist ein frequenzverdoppelndes Material, das Typ-II-pha­ senangepaßt werden kann. Ein derartiges Material 26 wird vorzugsweise temperaturabgestimmt, so daß es eine effektive Länge von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellen­ länge der Grundwelle annehmen kann (bspw. λF/2, λF, 3λF/2, etc., wobei λF die Wellenlänge ist, bei der der lasenden Stab 14 last und 12 = λF/2 ist, wobei die Wellenlänge der Harmonischen ist). Ein Heizelement 32 und konventionelle Regelelektroniken 28 können für diesen Zweck verwendet wer­ den. In einem kurzen Resonator kann die Temperaturregulie­ rung der Laserdiodenquelle 12 die Temperatur des frequenz­ verdoppelnden, nicht linearen optischen Materials 26 beein­ flussen. Vorzugsweise wird ein zuvor eingeführter Tempera­ turgradient detektiert und aufrecht erhalten. Ein Heizele­ ment 33, welches sich benachbart zu dem lasenden Stab 14 be­ findet, sowie ein weiteres Element 32, welches sich benach­ bart zu dem Frequenzverdoppler 26 befindet, können verwendet werden, um einen gewünschten Temperaturgradienten einzufüh­ ren und aufrecht zu erhalten. Eine umsichtige Auswahl und Anordnung der Temperatursensoren wird die Temperaturrück­ kopplung und Nebensprechen zwischen dem Quellenkühler 30 und den Resonatorgradienten-Heizelementen 33 und 32 minimieren.

Alternativerweise kann das frequenzverdoppelnde Material 26 in einem Gehäuse untergebracht werden, um es von der Quelle 12 zu isolieren. Indem man den Frequenzverdoppler bei dieser bevorzugten Länge hält, wird polarisiertes Licht der Grund­ wellenlänge eine Phasenverschiebung eines ganzzahligen Viel­ fachen von 180° jedesmal dann erfahren, wenn es durch den Frequenzverdoppler hindurchtritt.

Die zwei λ/4-Platten 20 und 22 fungieren vorwiegend als Vorrichtungen, um das "Spatial- Hole- Burning" in dem lasen­ den Material zu eliminieren, indem sie eine Zirkularpolari­ sation der Resonatorstrahlung bewirken und dadurch einen Re­ sonator mit optisch verdrillten Moden erzeugen (twisted mode optical cavity). Die Technik der verdrillten Moden zur Er­ zeugung einer axial einheitlichen Energiedichte in einem La­ serresonator wird von V. Evtuhov et al., Appl. Optics, Vol. 4, Nr. 1, Seiten 142-143 (1965) beschrieben. Vergleiche darüber hinaus Draegert, "Efficient Single-Longitudinal Mode Nd:YAG Laser", IEEE J. Quant. El., QE-8, 235 (1972).

Beliebige bekannte Vorrichtungen, um das "Spatial- Hole- Burning" in dem lasenden Material im wesentlichen zu elimi­ nieren, können bei der Durchführung der vorliegenden Erfin­ dung verwendet werden.

Beispielsweise kann das "Spatial- Hole- Burning" durch die Verwendung von Wanderwellen, einem ringähnlichen optischen Resonator, oder mittels mechanischer Bewegung oder durch elektrooptische Phasenmodulation eliminiert werden. Im vor­ liegenden Fall ist die λ/4-Platte 22, welche neben dem Po­ larisationselement 24 angeordnet ist, mit einer Achse (bspw. ihrer schnellen Achse (fast axis)) unter ungefähr 450 zu ei­ ner Ebene orientiert, die die Richtung der durch das Polari­ sationselement 24 eingeführten Polarisation entlang der Re­ ferenzachse 34 enthält. Diese gleiche λ/4-Platte 22 ist desweiteren mit der optischen Achse des Frequenzverdopplers 26 ausgerichtet.

Vorzugsweise sind die Wellenplatten identisch und entspre­ chende Achsen der Wellenplatten sind "gekreuzt" oder mit entsprechenden Achsen unter rechten Winkeln zueinander und der Referenzachse 34 angeordnet (bspw. ist die schnelle Achse der Wellenplatte 22 senkrecht zu der schnellen Achse der Wellenplatte 20). Es können Quarzwellenplatten 20 und 22 mit einer Dicke von 1,01 mm verwendet werden. Die λ/4-Plat­ ten 20 und 22 werden benachbart zu gegenüber liegenden Sei­ ten des lasenden Stabes 14 angeordnet. Dies führt zu einem stehenden Wellenmuster in dem Resonator, das an den Resona­ torendspiegeln 16 und 18 linear polarisiert ist. Die Mode ist in dem Laserstab 14 zirkular polarisiert; dies führt zu einer stehenden Welle, bei der sich der elektrische Feldvek­ tor durch das Verstärkungsmedium oder den Laserstab hindurch dreht, wodurch keine stehenden Wellenknoten innerhalb des Verstärkungsmediums entstehen.

Die Funktion des Eingangsspiegels 16 kann erhalten werden, indem eine Wellenplatte 20 mit geeignet reflektierenden Be­ schichtungen (bspw. mit Antireflex-(AR) bei 800 nm, und HR bei ungefähr 1064 um auf der einen Seite, und AR bei 1064 und 800 um auf der anderen Seite) beschichtet wird. Dies vermindert die Anzahl der Komponenten und die Gesamtkosten.

Die letzte Komponente des Lasers 10 ist ein Polarisationse­ lement 24. Vorzugsweise ist das Polarisationselement 24 eine Brewster-Platte, deren Ebene sich unter dem Brewster-Winkel der Platte zu der Referenzachse 34 befindet. Das Polarisa­ tionselement 24 führt eine Polarisationsrichtung innerhalb des Laserresonators ein, welche, gemäß der Orientierung in Fig. 1, sich in der Ebene der Zeichnung befindet. Die zwei λ4-Platten 20 und 22 erzeugen, zusammen mit einem nicht dop­ pelbrechenden lasenden Material (bspw. Nd:YAG) ein Feld von zirkular polarisiertem Licht, welches sich addiert, wenn es vom einen Ende zum anderen Ende des resonanten Laserresona­ tors läuft. Die Polarisation kann auch mittels Beschichtun­ gen auf Spiegeln, einem dielektrischen Polarisierer, oder anderen geeigneten Polarisationsvorrichtungen erzielt wer­ den. Eine "Brewster-gewinkelte Oberfläche" an einem Ende des lasenden Stabes 14 kann verwendet werden, wenn λ/4-Platten zum Steuern des "Spatial- Hole- Burning" nicht benötigt wer­ den.

Die Kombination des polarisierenden Elementes 24 und eines doppelbrechenden frequenzverdoppelnden Materials 26, das eine effektive Länge aufweist, die ein ganzzahliges Vielfa­ ches der halben Wellenlänge der Grundwellenlänge ist, funk­ tioniert in einer Art und Weise, die der Funktionsweise ei­ nes Lyot-Filters (d. h. einem Lyot-Ohman-Filter) für Laser­ strahlung ähnelt, die in einem Resonator hin und her reflek­ tiert wird. Ein Lyot-Filter ist ein monochromatischer Pola­ risator. Da das Spatial- Hole- Burning mittels zwei λ/4- Platten 20 und 22 kontrolliert wird und eine einheitliche Intensität zwischen den zwei λ/4-Platten mittels dem Pola­ risationselement 24 erzielt wird, ist das von diesem Resona­ tor ausgehende Licht im wesentlichen von einer einzelnen Frequenz.

Um die Anzahl der oszillierenden Moden zu begrenzen, d. h. um den TEM₀₀-Mode aufrecht zu erhalten, kann eine Apertur­ scheibe "D" zwischen dem Laserstab 14 und dem frequenzver­ doppelnden Element 26 eingefügt werden. Gemäß einer Ausfüh­ rungsform, in der der Frequenzverdoppler 26 KTP ist und einen Querschnitt von ungefähr 1,5 mm² aufweist, ist eine Apertur mit einem Durchmesser von ungefähr 0,762 mm (0,03 Inch) verwendet worden. Dem Durchschnittsfachmann ist klar, daß die Aperturscheibe an beliebigen Stellen innerhalb des Resonators angeordnet werden kann und daß ihre Größe eine Funktion des Pumpquerschnittsbereichs, der Spiegelradien und der Resonatorlänge ist.

Die Komponenten der vorliegenden Erfindung können auf ver­ schiedene Art und Weise in einer Vielzahl von Möglichkeiten zusammengesetzt werden. Der Aufbau wird erleichtert, wenn der Laser aus Unteraufbauten zusammengesetzt wird, die bspw. aus einem oberen Unteraufbau bestehen können, welcher um­ faßt: den Ausgangsspiegel 18, den Frequenzverdoppler 26, eine Aperturscheibe "D" (wenn verwendet) und das Polarisa­ tionselement 24; sowie aus einem unteren Unteraufbau, wel­ cher umfaßt: eine GRIN-Linse, zwei λ/4-Platten 20 und 22, und den Laserstab 14. Genauer gesagt wird jeder Unteraufbau gebildet, indem die Komponenten in scheibenähnlichen Haltern befestigt werden, die Halter dann zusammengesteckt und in ihrer Position fixiert werden. Bei dem Aufbau des oberen Un­ teraufbaus werden die Achsen des Frequenzverdopplers 26 un­ ter vorzugsweise 450 zu der Richtung der Polarisation, die durch das Polarisationselement 24 eingeführt wurde, orien­ tiert. Nachdem jeder Unteraufbau hergestellt wurde, werden die zwei Unteraufbauten zusammengesteckt und miteinander fi­ xiert, wobei sicherzustellen ist, daß die Hauptrichtungen oder Achsen des KTPs oder des Frequenzverdopplers 26 des oberen Unteraufbaus so dicht wie möglich (d. h. innerhalb ei­ nes Bogengrades (degree of arc), oder besser) zu den Achsen der λ/4-Platte 22 (d. h. zu dem unteren Unteraufbau) ausge­ richet sind, die benachbart zu dem Polarisationselement 24 angeordnet ist.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Alle der Komponenten dieses Lasers 40 entsprechen den zuvor genannten, mit der Ausnahme, daß ein Polarisationsreflektor oder Faltspiegel 42 (bending mirror) als Ausgangskoppler und ein Doppelbandspiegel 44 verwendet wird, um einen L-förmigen Resonator zu bilden. Der polari­ sierende Reflektor 42 ist bei der Grundwellenlänge für eine Polarisation HR und bei der harmonischen Wellenlänge trans­ mittierend; er dient dazu, das in Fig. 1 gezeigte polarisie­ rende Element 24 zu ersetzen. Der polarisierende Reflektor 42 reflektiert Licht bei der einfallenden Grundwellenlänge auf einem Pfad 46, welcher sich unter einem rechten Winkel zu dem Pfad 48 der einfallenden Strahlung befindet. Dies wird gemacht, um den grünen Ausgang zu maximieren, während destruktive Interferenzeffekte vermieden werden, die durch reflektiertes Licht der zweiten Harmonischen entstehen kön­ nen.

Die Intensität des grünen Ausgangs bei dem polarisierenden Reflektor 42 wird von den relativen Phasen der harmonischen Strahlen bei 532 nm abhängen, die von dem Doppelbandspiegel 44 an dem einen Ende des Frequenzverdopplers 26 abgelenkt werden, und den Strahlen bei 532 nm, die bei dem zweiten Durchgang durch den Frequenzverdoppler erzeugt werden. Wenn sie optimal phasenangepaßt sind, wird der Ausgang viermal so groß sein wie bei einem einzelnen Durchgang. Wenn sie nicht in Phase sind, werden sich die zwei grünen Ausgänge aufhe­ ben, was zu einer verminderten grünen Ausgangsleistung führt. Die Phase des reflektierten Strahles wird sowohl von dem Design des Doppelbandspiegels 44 als auch von dem Ab­ stand zwischen dem Doppelbandspiegel und dem Frequenzver­ doppler 26 abhängen. Das letztere liegt an der Dispersion der Luft. Indem man den Doppelbandspiegel 44 sehr nahe an dem einen Ende des Frequenzverdopplers 26 anordnet, oder in­ dem man die reflektierende Beschichtung direkt auf das eine Ende des Verdopplers aufbringt, kann dieser Abstandseffekt minimiert werden. Phasenerhaltende Beschichtungen sind dem Durchschnittsfachmann bekannt und müssen hier nicht weiter diskutiert werden.

Der Lyot-Filter, der den Frequenzverdoppler 26 und den pola­ risierenden Reflektor 42 (oder das in Fig. 1 gezeigte pola­ risierende Element 24) umfaßt, ist ein stark wellenlängense­ lektives Element. Die für diese zwei Elemente errechnete Transmission ist derart, daß der Laser in befriedigender Art und Weise bei einer einzelnen Frequenz ohne Eliminierung des Spatial- Hole- Burnings betrieben werden kann. Daher kann auf die λ/4-Platten 20 und 22 auch verzichtet werden. Der Verzicht auf die λ/4-Platten 20 und 22 erlaubt den Einsatz des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Designs unter Verwen­ dung von weniger Komponenten. Eine potentielle Schwachstelle des Lyot-Filters liegt in seinem relativ engen freien Spek­ tralbereich; bspw. ist es möglich, daß Moden mit geringen Verlusten bei sowohl 1064 nm als auch bei 1061 nm auftreten. Nichtsdestoweniger kann dieser Schwierigkeit auf wenigstens zwei verschiedene Arten begegnet werden:

• 1) Die λ/4-Platten 20 und 22 können über die Eliminierung des Spatial- Hole- Burnings hinaus weitere Funktionen wahrnehmen. Wenn sie von verschiedener Dicke sind, oder wenn sie mit ihren optischen Achsen ausgerichtet orien­ tiert werden, dann bilden sie innerhalb des Resonators ein zweites doppelbrechendes Element. Darüber hinaus bilden sie, da sie auf der gegenüberliegenden Seite des Resonators bezüglich des Frequenzverdoppler 26 liegen, einen zweiten elementaren Lyot-Filter. Indem man die Längen oder Dicken des doppelbrechenden Materials ge­ eignet wählt, kann der freie Spektralbereich dieses freien Lyot-Filters erheblich größer gemacht werden als der des Lyot-Filters am anderen Ende des Resonators. Dies führt zu einer Situation, in der der KTP-Lyot-Fil­ ter den Effekt des Auswählens einer spezifischen Mode hat, bei der der Laser arbeitet, während der λ/4-Plat­ ten-Lyot-Filter dazu dient, die Oszillation von einigen weiter entfernten unerwünschten Moden (bspw. von solchen bei 1061 nm und 1074 nm) zu verhindern. Daher ist in dieser Konfiguration, und da nur eine Mode mit geringen Verlusten verfügbar ist, kein Bedarf, um direkt oder spezifisch das Spatial- Hole- Burning zu eliminieren. Ein ähnlicher Effekt kann erhalten werden, wenn die Kom­ bination aus zwei λ/4-Platten durch eine einzelne Voll­ wellen- oder λ/4-Platte ersetzt wird.
• 2) Ein nahezu ähnlicher Effekt kann erhalten werden, indem man ein doppelbrechendes lasendes Material unter 45° zu der Achse des Polarisators anordnet. Dies führt zu einem zweiten Lyot-Filter, basierend auf der Länge des Ver­ stärkungsmediums. Ein zweiter Lyot-Filter stellt wahr­ scheinlich einen freien Spektralbereich bereit, der dem bei Verwendung von KTP als Frequenzverdoppler ähnelt. Indessen sollte es durch die Verwendung des Feineinstel­ lungs-Prinzips möglich sein, die zwei Filter bei der gewünschten Wellenlänge koinzident zu bekommen und alles weitere Lasen unterhalb die Verstärkungskurve zu drücken. Dies würde dann einen signifikanten Einfluß auf das Spatial- Hole- Burning haben, da die stehenden Wel­ len und die zwei Polarisationen verschiedene Wellenlän­ gen aufweisen werden. Auch wenn dies für die Verminde­ rung der Restverstärkung nicht so effizient sein mag wie die zwei λ/4-Platten, sollte es sie erheblich ver­ mindern und könnte auch für sich ausreichend sein, um die gewünschten Betriebsbedingungen zu erzielen.

Fig. 3 zeigt ein Resonatordesign 50, in dem einige dieser Konzepte verwirklicht sind. Die Achsen des KTP-Frequenzver­ dopplers 26 sind unter 45° zu dem polarisierenden Reflektor 52 orientiert, um ein Lyot-Filter zu bilden. Beschichtungen 44 sind, um einen phasenempfindlichen Reflektor zu bilden, direkt auf dem entfernten Ende des Frequenzverdopplers 26 angeordnet, wodurch keine Unbestimmtheit in der Weglänge vorliegt. Wenn der KTP-Frequenzverdoppler 26 parallele End­ oberflächen aufweist, sind beide Oberflächen des KTP-Fre­ quenzverdopplers senkrecht zu dem Strahl, wodurch die Ver­ luste minimiert werden. Im vorliegenden Fall ist der lasende Stab aus Nd:YAG in einer Plan-Plan-Konfiguration und hat ein derartig beschichtetes Ende, daß mit der Beschichtung 44 auf dem KTP-Frequenzverdoppler ein Laserresonator gebildet wird. Die Parallelität des Stabes 14 führt dazu, daß die AR-be­ schichtete Oberfläche senkrecht ist. Im Gegensatz zu Fig. 2 verwendet dieses Resonatordesign 50 einen gekrümmten polari­ sierenden Reflektor 52. Ein Nachteil in der Verwendung eines gekrümmten polarisierenden Reflektors oder polarisierenden Spiegels liegt darin, daß er einen elliptischen Strahl er­ zeugt. Nichtsdestotrotz führt er zu einem einfachen, sich selbst ausrichtenden Resonatordesign. Der polarisierende Re­ flektor kann durch einen ebenen Spiegel ersetzt werden, wenn die Eingangsoberfläche des Nd:YAG-Stabes 14 in geeigneter Weise gekrümmt ist. Eine N2- oder Vollwellen-Platte 54 ist in gestrichelten Linien dargestellt und wird in dem Fall verwendet, in dem ein zweites Lyot-Filter nötig wird. Daher werden die zwei λ/4-Platten (welche in Fig. 1 und 2 verwen­ det werden), durch eine einzelne λ/2- oder Vollwellen- Platte 54 in dem Design von Fig. 3 ersetzt.

Aus der vorangegangenen Beschreibung wird klar, daß ver­ schiedene Variationen, Alternativen und Modifikationen einem Durchschnittsfachmann klar werden. Daher ist diese Beschrei­ bung nur illustrierend gedacht und dient dazu, dem Fachmann das Prinzip der Erfindung zu erläutern. Verschiedene Än­ derungen können durchgeführt werden, Materialien ersetzt werden und nur einzelne Merkmale der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann durch Verwendung von Vorrichtun­ gen (bspw. am Ort "D" in Fig. 1) zur Steuerung des sich rückwärts ausbreitenden grünen Lichtes (mittels bspw. eines Spiegels, welcher zwischen der polarisierenden Vorrichtung 24 und dem Frequenzverdoppler 26 angeordnet ist und welcher auf einer Oberfläche für AR bei 1064 nm und welcher auf der gegenüberliegenden Oberfläche für AR bei 1064 nm und HR bei 532 nm beschichtet ist) die gegebene Polarisation richtungs­ abhängig gemacht werden und die Leistung des Lasers kann im Vergleich zu der einer "Single Pass" -Einrichtung vervier­ facht werden. Zusätzlich kann ein elektrooptischer Effekt zusammen mit einem Lyot-Filter verwendet werden, um den La­ ser dahingehend abzustimmen, daß er mit geringsten Verlusten und im Zentrum der Verstärkungskurve des lasenden Materials arbeitet. Darüber hinaus wird anstelle der Verwendung eines separaten lasenden Materials und eines Frequenzverdopplers ein selbstverdoppelndes lasendes Material (bspw. Tm:LiNbO₃ oder Nd:YAB) in Kombination mit Lyot-Filtervorrichtungen vorgeschlagen. Schließlich kann die vorliegende Erfindung unter Anwendung der gleichen Prinzipien verwendet werden, um genau wie das grüne Licht auch blaues Licht zu erzeugen. Da­ her wird darauf hingewiesen, daß verschiedene Modifikatio­ nen, Alternativen und Variationen durchgeführt werden kön­ nen, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Es ist selbst­ verständlich beabsichtigt, durch die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen mit zu umfassen, die innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen.

Zusammenfassend wird also festgestellt, daß ein Laser offen­ bart wird, der umfaßt: eine Quelle optischer Pumpstrahlung, einen lasenden Stab, einen Eingangsspiegel, zwei λ/4-Plat­ ten, Polarisationsvorrichtungen benachbart zu einer der λ/4-Platten, zur Polarisation des lasenden Lichtes, das von dem Stab abgestrahlt wird, sowie Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische, zur Erzeugung eines Ausgangs mit der doppelten Frequenz, bei der der Stab last, und einen Aus­ gangskoppler.

Claims (19)

1. Ein Laser, mit:

   • a) einem lasenden Material, das bei einer vorherbestimmten Wellenlänge in Antwort auf optische Pumpstrahlung last, und das ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist;
   • b) einem Eingangsspiegel, um lasendes Licht im wesentlichen in Richtung des vorderen Endes des lasenden Materials zu reflektieren;
   • c) einem Ausgangskoppler, um Laserlicht im wesentlichen in Richtung des Eingangsspiegels zu reflektieren, und um wenigstens einen Teil des Laserlichtes bei einer Harmonischen der vorherbestimmten Wellenlänge durch sich hindurchzulassen;
   • d) Vorrichtungen, die zwischen dem Eingangsspiegel und dem Ausgangskoppler angeordnet sind, um im wesentlichen das Spatial- Hole- Burning in dem lasenden Material zu eliminieren, während Licht bei der vorherbestimmten Wellenlänge erzeugt wird;
   • e) Polarisationsvorrichtungen, die angeordnet sind, um das Licht bei der vorherbestimmten Wellenlänge von dem lasenden Material zu empfangen; und
   • f) Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische, die angeordnet sind, um das polarisierte Laserlicht zu empfangen, und die optische Achsen haben, die relativ zu dem polarisierten Licht zur Phasenanpassung orientiert sind, um das polarisierte Laserlicht in eine Harmonische der vorherbestimmten Wellenlänge zu konvertieren, wobei die Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische eine Länge aufweisen, die eine Phasenverzögerung erzeugt, die ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge des Lichtes bei der vorherbestimmten Wellenlänge ist.
2. 2. Laser nach Anspruch 1, worin die Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische aus KTP hergestellt sind und optische Achsen aufweisen, die unter einem Winkel von ungefähr 45° zu einer optischen Referenzachse positioniert sind, die durch die Enden des lasenden Materials hindurchläuft, und die in einer Ebene angeordnet sind, die sich im wesentlichen senkrecht zu der optischen Referenzachse befindet.
3. 3. Laser nach Anspruch 1, worin die Länge der Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische durch Regelung ihrer Temperatur aufrechterhalten wird, um als eine λ/2-Platte bei der Wellenlänge der vorherbestimmten Wellelänge zu fungieren.
4. 4. Laser nach Anspruch 1, worin die Vorrichtungen zum im wesentlichen Eliminieren des Spatial- Hole- Burning zwei λ/4-Platten enthalten, welche benachbart bei gegenüberliegenden Enden des lasenden Materials angeordnet sind, wobei die Wellenplatten optische Achsen aufweisen, welche im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Resonators sind, die durch den Eingangsspiegel und den Ausgangskoppler gebildet sind.
5. 5. Laser nach Anspruch 1, welcher des weiteren Vorrichtungen zur Verminderung des sich rückwärts ausbreitenden Lichtes bei der harmonischen Wellenlänge enthält.
6. 6. Laser, mit:

   • a) einem lasenden Material, das bei einer vorherbestimmten Wellenlänge in Antwort auf optische Pumpstrahlung aus einer Diodenlaservorrichtung last, und das zwei gegenüberliegende Enden hat, durch die eine optische Referenzachse läuft;
   • b) Spiegelvorrichtungen, die zwischen einem Ende des lasenden Materials und den Laserdiodenvorrichtungen und entlang der Referenzachse angeordnet sind, um wenigstens einen Teil der optischen Pumpstrahlung zu dem einen Ende des lasenden Materials zu transmittieren und im wesentlichen lasendes Licht bei der vorherbestimmten Wellenlänge in das lasende Material zu reflektieren;
   • c) polarisierenden Reflektorvorrichtungen, welche benachbart zu dem anderen Ende des lasenden Materials angeordnet sind, um das lasende Licht, das von dem lasenden Material abgestrahlt wird, zu polarisieren, um im wesentlichen das polarisierte lasende Licht auf einen Lichtpfad zu reflektieren, der sich unter einem Winkel zu der optischen Referenzachse befindet, und um wenigstens einen Teil des Laserlichtes bei einer Harmonischen der vorherbestimmten Wellenlänge durch sich hindurchzuführen;
   • d) Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische, die eine effektive Länge haben, die ein halbes ganzzahliges Vielfaches der vorherbestimmten Wellenlänge des Laserlichts ist, um polarisiertes Licht von den polarisierenden Reflektorvorrichtungen zu empfangen, und um das polarisierte Laserlicht in Laserlicht bei einer Harmonischen der vorherbestimmten Wellenlänge zu konvertieren, wobei die Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische durch zwei Brechungsindizes für eine gegebene Ausbreitungsrichtung gekennzeichnet sind;
   • e) einem Spiegel, der auf dem optischen Lichtpfad angeordnet ist, um im wesentlichen Laserlicht von den Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische in einem phasenangepaßten Verhältnis mit dem Licht von dem lasenden Material und in Richtung der polarisierenden Reflektorvorrichtung zu reflektieren.
7. 7. Laser nach Anspruch 6, worin der Spiegel aus einer reflektierenden Beschichtung auf einem Ende der Erzeugungsvorrichtungen für die Harmonische besteht.
8. 8. Laser nach Anspruch 6, worin die polarisierenden Reflektorvorrichtungen ein gekrümmter Spiegel sind.
9. 9. Laser nach Anspruch 7, welcher des weiteren Vorrichtungen enthält, die entlang der Referenzachse angeordnet sind und zwei doppelbrechenden λ/4- Platten entsprechen, die optische Achsen aufweisen, welche sich unter rechten Winkeln zu der Referenzachse befinden, um einen Lyot-Filter zu bilden.
10. 10. Laser, mit:

    • a) nicht-doppelbrechenden lasenden Stabvorrichtungen, die bei einer vorherbestimmten Wellenlänge in Antwort auf optische Pumpstrahlung lasen, und die zwei gegenüberliegende Enden aufweisen, welche eine optische Referenzachse definieren;
    • b) einem Eingangsspiegel zum Transmittieren von wenigstens einem Teil der optischen Pumpstrahlung zu einem Ende der lasenden Stabvorrichtungen, und zum Reflektieren des Lichtes bei der vorherbestimmten Wellenlänge im wesentlichen in Richtung des einen Endes der lasenden Stabvorrichtungen;
    • c) Brewster-Platten-Vorrichtungen, welche entlang der optischen Referenzachse angeordnet sind, zum Polarisieren des Lichtes bei der vorherbestimmten Wellenlänge;
    • d) doppelbrechenden Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische, welche entlang der optischen Referenzachse angeordnet sind, zum Empfangen des polarisierten Lichtes und zum Konvertieren des polarisierten Laserlichtes in eine Harmonische der vorherbestimmten Wellenlänge;
    • e) zwei λ/4-Platten, welche benachbart zu den gegenüberliegenden Enden der lasenden Stabvorrichtung angeordnet sind, und die optische Achsen aufweisen, die relativ zueinander ausgerichtet sind, um zusammen mit den Brewster-Platten-Vorrichtungen als ein Lyot- Filter zu fungieren;
    • f) Vorrichtungen zum Aufrechterhalten der Temperatur der Erzeugungsvorrichtungen für die zweite Harmonische, um zusammen mit der Brewster-Platte als ein zweites Lyot-Filter zu fungieren; und
    • g) einem Ausgangsspiegel, welcher entlang der optischen Referenzachse angeordnet ist, um im wesentlichen Laserlicht bei der vorherbestimmten Wellenlänge in Richtung der Brewster-Platten- Vorrichtungen zu reflektieren, und um wenigstens einen Teil des Lichtes bei der Harmonischen der vorbestimmten Wellenlänge durch sich hindurch zu transmittieren.
11. 11. Single-frequency Laser, mit:
    einem nicht-doppelbrechenden lasendem Material, das bei einer Grundwellenlänge in einem optischen Resonator in Antwort auf eine Quelle optischer Pumpstrahlung last;
    Eliminierungsvorrichtungen für das Spatial- Hole- Burning, welche benachbart zu den Enden des lasenden Materials angeordnet sind, um im wesentlichen das Spatial- Hole- Burning in dem Resonator zu eliminieren;
    Lyot-Filter-Vorrichtungen in dem Resonator, um von dem lasenden Material abgestrahltes lasendes Licht monochromatisch zu polarisieren, und um wenigstens einen Teil des polarisierten lasenden Lichtes in Licht bei im wesentlichen einer harmonischen Wellenlänge zu konvertieren.
12. 12. Laser nach Anspruch 11, worin die Eliminierungsvorrichtungen für das Spatial- Hole- Burning aufweisen:
    eine λ/4-Platte, welche an einem Ende des lasenden Materials angeordnet ist; und
    eine im wesentlichen identische λ/4-Platte, welche an dem gegenüberliegenden Ende des lasenden Materials angeordnet ist.
13. 13. Laser nach Anspruch 12, worin die Lyot-Filter- Vorrichtungen aufweisen: polarisierende Vorrichtungen zum Polarisieren von Licht entlang einer Polarisationsrichtung; und ein phasenangepaßtes, doppelbrechendes, frequenzverdoppelndes Material, dessen Achsen unter spitzen Winkeln zu der Polarisationsrichtung positioniert sind, die durch die Polarisationsvorrichtungen eingeführt wurde, wobei die λ/4-Platte schnelle Achsen aufweist, die sich unter einem Winkel zu der Polarisationsrichtung befinden, wobei das doppelbrechende frequenzverdoppelnde Material eine effektive Länge aufweist, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des Lichtes bei der Grundwellenlänge ist.
14. 14. Laser nach Anspruch 13, in dem das doppelbrechende frequenzverdoppelnde Material temperaturabstimmbar ist, so daß es als ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des Lichtes bei der Grundwellenlänge fungieren kann.
15. 15. Laser nach Anspruch 14, worin die Quelle ein Diodenlaser ist; und der des weiteren enthält: Vorrichtungen zum Regeln der Temperatur des doppelbrechenden frequenzverdoppelnden Materials; und Vorrichtungen zum Regeln der Temperatur des Diodenlasers.
16. 16. Laser nach Anspruch 15, worin die Temperatur des Diodenlasers separat von der Temperatur des doppelbrechenden Materials regelbar ist.
17. 17. Verfahren zur Erzeugung von grünem oder blauem Licht bei im wesentlichen einer einzigen Frequenz, welches die Schritte aufweist:

    • a) Anordnen eines lasenden Stabes in einem optischen Resonator, welcher von zwei Spiegeln gebildet wird und welcher eine Referenzachse definiert;
    • b) Pumpen des Stabes mit Diodenlaservorrichtungen, um Licht bei einer infraroten oder nah­ infraroten Wellenlänge zu erzeugen;
    • c) Polarisieren des Lichtes von dem Stab entlang einer Polarisationsrichtung;
    • d) Verwenden eines frequenzverdoppelnden Kristalls, um das polarisierte Licht in Licht zu konvertieren, dessen Wellenlänge ungefähr die Hälfte der Wellenlänge des Lichtes aus dem Stab ist, wobei das Kristallmaterial optische Achsen aufweist, die zur Phasenanpassung relativ zur Polarisationsrichtung angeordnet sind; und
    • e) Aufrechterhalten des Kristalls bei einer Temperatur derart, daß er eine Phasenverschiebung erzeugt, die ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des polarisierten Lichtes aus dem Stab ist.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, welches des weiteren den Schritt des Eliminierens des Spatial- Hole- Burnings in dem Stab mittels Anordnen einer λ/4-Platte benachbart zu jedem Ende des Stabes aufweist, und Positionieren beider Platten unter rechten Winkeln zu der Referenzachse.
19. 19. Verfahren nach Anspruch 17, worin der Schritt (c) mittels der Verwendung einer im wesentlichen transparenten Platte durchgeführt wird, welche in einer Ebene liegt, die sich unter dem Brewster- Winkel relativ zu der Referenzachse befindet.