DE4218532A1 - Verfahren und Einrichtung zur Selektion von Laserübergängen bei Mikrokristall-Lasern - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Selektion von Laserübergängen bei Mikrokristall-LasernInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur
Selektion von Laserübergängen bei Mikrokristall-Lasern gemäß dem Ober
begriff des Anspruchs 1.
Mikrokristall-Laser werden vornehmlich als von Laserdioden gepumpte
Festkörperlaser ausgebildet und zeichnen sich durch eine extrem kurze
Resonatorlänge aus, die durchwegs kleiner als 2 mm ist. Solche Mikro
kristall-Laser sind beispielsweise durch die DE 40 39 455.7,
DE 40 41 131.1 und DE 41 01 521.5 der Anmelderin bekannt geworden.
Aus letztgenannter Druckschrift ist bekannt, daß Mikrokristall-Laser auf
drei elektronischen Laserübergängen simultan emittieren können, wobei
die Laserübergänge nicht zu verwechseln sind mit longitudinalen Moden,
denn die Laser emittieren im sogenannten longitudinalen Single-mode-Be
trieb auf drei Übergängen. Detailliert wird ein Verfahren zur Selektion
dieser Übergänge beschrieben, die mittels Polarisationsdrehung des
Pumplichtes sowie Polarisationsanalyse der Laserstrahlung durchgeführt
wird, so daß wahlweise ein, zwei oder drei Laserlinien letztlich resul
tieren.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß zu seiner Realisierung eine hohe
Anzahl von optischen Elementen im Laseraufbau erforderlich sind, was
natürlich bei der Fertigung solcher Systeme in den notwendigen kleinen
Dimensionen erhebliche Schwierigkeiten bereitet und stark die Wirt
schaftlichkeit beeinträchtigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Einrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, womit eine
relativ einfache und wirtschaftliche Realisierung einer eindeutigen und
langzeitstabilen Selektion der Laserlinien ermöglicht wird und dies im
wahlweise Ein-, Zwei- oder Drei-Linienbetrieb.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen
gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen
des Verfahrens und der Einrichtung zur Durchführung desselben angegeben,
und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläu
tert. Diese Erläuterungen werden durch die Figuren der Zeichnung er
gänzt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schemabild der Ausbildung eines Mikrokristall-Lasers zur
Durchführung des Verfahrens in einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein Diagramm bezüglich des Fluoreszenzspektrums eines
Nd:YAG-Festkörper-Laserkristalls,
Fig. 3 ein Diagramm einer zu erwartenden Laseremission in Abhängigkeit
von der Kristall-Temperatur für verschiedene Resonatorlängen -
hier für monolithischen Aufbau - in Nd:YAG,
Fig. 4 ein Diagramm einer zweiten zu erwartenden Laseremission gemäß
Fig. 3,
Fig. 5 ein Diagramm einer dritten zu erwartenden Laseremission gemäß
Fig. 3,
Fig. 6 ein Diagramm experimenteller Ergebnisse nach dem vorgeschla
genen Verfahren,
Fig. 7a-c Diagramme eines Temperaturtuning über drei Temperaturen mit
einem Nd:YAG-Mikrokristall-Laser.
Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, daß durch gezielte Tempe
rierung des Mikrolaser-Kristalls in Abhängigkeit von Wirtsmaterial und
Resonatorlänge die Laserlinien selektiert werden, wobei durch gezielte
Wahl des Arbeitspunktes relativ kleine und stromsparende Temperier
elemente (z. B. Peltierelemente) Verwendung finden.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Aufbauskizze eines Mikrokristall-La
sers, der sich aus einer Pumplaserdiode 11, die auf einem Kühler 15
montiert ist, einer Ankoppeloptik 12, einem - in diesem Falle monoli
thischen - Laserkristall 13 sowie einem Element zur Temperaturkontrolle
- beispielsweise einem Peltierelement 14 zusammensetzt. Durch die
Druckschrift vom Sigman - "Lasers", Univ. Science Books, California
1986, S. 57 und S. 466 ist es bekannt, daß monolithische oder halbmonoli
thische Mikrokristall-Laser mit hinreichend kurzem laseraktiven Medium
in der Nähe eines Spiegels und in einem hinreichend kurzen Resonator im
longitudinalen Einmodenbetrieb arbeiten. Auf solche Laser bezieht sich
das nachfolgend beschriebene Verfahren, wobei erwähnt werden muß, daß
der Einfachheit halber in der Beschreibung von monolithischen Resona
toren ausgegangen wird, das Verfahren sich jedoch auch auf halbmonoli
thische und andere Single-mode-Mikrokristall-Laser bezieht.
Die Monolithischen Resonatoren zeichnen sich dadurch aus, daß die
Laserspiegel direkt auf dem laseraktiven Medium aufgebracht sind und
somit der Resonator selbst durch den beschichteten Mikrokristall gebil
det wird.
Die Fig. 2 zeigt qualitativ das Fluoreszenzspektrum von Nd:YAG. Insbe
sondere bei kurzen Resonatoren und im longitudinalen Einmodenbetrieb
kommt es hier zur simultanen Emission von drei Laserlinien dadurch, daß
jeweils eine der Resonatormoden in der Nähe eines der drei Verstär
kungs-Maxima zu liegen kommt, ohne daß diese sich aufgrund höherer Moden
durch sogenanntes "mode-competition" gegenseitig stören können. Der
Laser emittiert nun im allgemeinen auf allen drei Linien gleichzeitig.
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt nun darauf ab, mittels des mit dem
Laserresonator in thermischem Kontakt stehenden Elementes zur Tempera
turüberwachung - beispielsweise eines Peltierelementes - die Temperatur
des Resonators so einzustellen, daß durch die Längenausdehnung des
Resonators einerseits und die Änderung der Brechungszahl des Mediums
andererseits die optische Weglänge derart eingestellt wird und somit das
Resonator-Modenspektrum in einer Weise verschoben wird, daß unter
bestimmten Verstärkungslinien keine Resonatorlinie zu liegen kommt.
Hierfür ist von besonderer Bedeutung zum einen der Abstand der Resona
tormoden, zum anderen die Lage und insbesondere die Breite der Verstär
kungslinien. Für den Laserbetrieb ist jedoch nicht die volle Fluores
zenz-Linienbreite von Bedeutung, sondern nur ein eingeschränkter Bereich
hierin, da aufgrund des Schwellenverhaltens von Laserstrahlung diese in
Abhängigkeit von Pumpstärke und Resonatorverlusten erst ab einem be
stimmten Verstärkungsbetrag auftritt (sogenannte Laserschwelle). Insbe
sondere bei cw-Lasern mit geringen Pumpleistungen kann sich hier eine
signifikante Einschränkung der tatsächlich für den Laserbetrieb zur
Verfügung stehenden Verstärkungs-Linienbreite ergeben.
Sind nun die Maxima der Verstärkungslinien λ₁gain, λ₂gain
und λ₃gain bekannt, sowie die zugehörigen Fluoreszenzlinienbreiten
Δλ₁f, Δλ₂f und Δλ₃f, so lassen sich die tatsächlich
für den Laserbetrieb relevanten Verstärkungslinienbreiten als
Δλ₁ = k₁ · Δλ₁, analog Δλ₂ = k₂ · Δλ₂ und
Δλ₃ = k₃ · Δλ₃ schreiben.
Die optische Resonatorlänge schreibt sich zu
1opt = 1mech·n (1)
wobei "1mech" die mechanische Resonatorlänge und "n" der Brechungs
index des Mediums ist. Die mechanische Resonatorlänge 1mech unterliegt
unter thermischem Einfluß der Längenausdehnung und der Brechungsindex
einer spezifischen Änderung, so daß man die optische Resonatorlänge als
Funktion der Temperatur wie folgt angeben kann:
1opt (T) = 1mech·(1+αT-25))·(n+dn/dT·(T-25)) (2)
hierbei "T" in Grad C.
Die Subtraktion minus 25°C ergibt sich daher, daß die mechanische Länge
und der Brechungsindex bei 25°C definiert sind. Die Modenzahl "q" der
Resonatormode, welche den jeweiligen Verstärkungsspitzen am nächsten zu
liegen kommen und welche daher zur Laseremission führen, errechnet sich,
wie folgt
q1 (T) = round ((2/λ1)·1opt (T)) (3)
Dies gilt für die 1. Verstärkungsspitze und analog dazu ergibt sich für
die anderen:
q2 (T) = round ((2/λ2)·1opt (T)) (4)
q3 (T) = round ((2λ3)·1opt (T)) (5)
Mit "round" wird hier auf eine - auf einen ganzen Wert des Klammerergeb
nisses - aufgerundete Zahl Bezug genommen.
Hieraus ergibt sich nun eine Laseremission auf den drei Übergängen zu:
λ₁ (T) = 2/q1 (T)·1opt (T) (6)
λ₂ (T) = 2/q2 (T)·1opt (T) (7)
λ₃ (T) = 2/q3 (T)·1opt (T) (8)
Hierbei kann der Effekt des sogenannten "frequency pulling" ohne
Beeinträchtigung des Ergebnisses vernachlässigt werden, wenn die Resona
torgüte bei Mikrokristall-Lasern mehrere Größenordnungen größer ist als
die Güte der Fluoreszenzlinie, wie aus der bereits zitierten Literatur
"Lasers" bekannt ist. Die temperaturabhängige Laseremission ist also
lediglich durch die Temperatur des Resonators festgelegt, nicht durch
eine temperaturbedingte Verschiebung der Laserniveaus.
Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt daher vor, Resonatoren zu verwen
den, deren Güte dieser Relation genügen, da ein frequency-pulling keine
gezielte Selektion ermöglicht, und man die Resonatortemperatur so wählt,
daß die Resonatormoden für ein, zwei (je nach Festkörperlasermaterial
auch mehrere) Moden außerhalb der effektiven Linienbreite δλ zu
liegen kommen, so daß diese Übergänge nicht lasern können. Ein Ausfüh
rungsbeispiel hierfür ist der Fig. 3 zu entnehmen.
In diesem Diagramm ist die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung
aufgetragen gegen die Resonatortemperatur. Man erkennt deutlich im
Bereich von 10°C bis ca. 12°C den Laserbetrieb auf zwei Übergängen, von
12°C bis etwa 27°C auf drei, von 27°C bis ca. 33°C wieder auf drei
Übergängen. Von 33°C bis ca. 46°C emittiert der Laser dagegen lediglich
auf einem einzigen Übergang, da keine der Resonatormoden bei dieser
Temperatur innerhalb der effektiven Linienbreite der beiden anderen
Niveaus zu liegen kommt. Hier darf auch auf den Modensprung bei ca. 38°C
besonders hingewiesen werden. Über 46°C setzt zunächst Zwei-, sodann bis
ca. 63°C wieder Dreilinienbetrieb ein, ab 64°C emittiert der Laser
wiederum nur auf zwei Übergängen. Zur Information seien nachstehend die
Zahlenwerte für diese Rechnung angegeben, diese waren hierbei:
λ1 = 1061,9 nm, λ2 = 1064.47 nm und λ3 = 1064,91 nm;
Δλ1 = 3,7 cm-1, Δλ2 = 4 cm-1 und Δλ3 cm-1;
n = 1,8119, α = 6,96·10-6, dn/dT = 7,3·10-6.
Mit k1 = 0,2, k2 = 0,7, k3 = 0,4 ergeben sich Verstärkungsband
breiten von 22, 84 und 36 GHz. Die Resonatorlänge war 730 µm.
Die mechanische Resonatorlänge geht hierbei sehr deutlich in die Rech
nung ein. Bereits eine Änderung der Resonatorlänge um 0,1 µm ent
spricht einer Verschiebung der Temperaturachse um 12,4°C. Allerdings
setzt bei dieser Länge periodisch nach 37,5°C ein Modensprung ein, das
Verhalten des Lasers ändert sich zyklisch mit dieser Periode, so daß die
Länge im kleinen Bereich um die angenommene Länge nur mit 0,3 µm
eingeht. Ein Regelbereich der Temperaturkontrolle des Resonators von
etwa 38°C ermöglicht somit, unabhängig von der exakten Resonatorlänge,
die gezielte Einstellung des Laserbetriebes auf ein, zwei oder drei
Übergänge.
Um einen gegebenen Mikrokristall-Laser nach dem hier vorgeschlagenen
Verfahren in der Zahl und Art seiner Übergänge zu selektieren, bietet es
sich nun an, bei 25°C ein Spektrum der Wellenlängen aufzunehmen und
diese Wellenlängen als λ1, λ2 und λ3 anzunehmen. Auf diese
Weise wird die tatsächliche Resonatorlänge und somit die Temperaturskala
absolut geeicht, und das zu erwartende Verhalten ergibt sich nach oben
angegebener Rechnung.
Andererseits kann der Keilfehler des Laserkristalls, allerdings in etwas
aufwendiger Weise zu realisieren, dazu ausgenutzt werden, die Länge des
Resonators auf unter 10 nm Änderung (im Bereich vom 0-0,3 µm) einzu
stellen, so daß Rechnung und tatsächliche Emission mit einem Fehler im
Bereich von 1°C übereinstimmen.
Die Fig. 4 zeigt ein zu Fig. 3 analoges Diagramm, allerdings für eine
Resonatorlänge von 0,9 mm (ebenfalls monolithisch in Nd:YAG). Man
erkennt deutlich, daß hier der Bereich, in welchem nur ein Übergang
anschwingt, deutlich eingeschränkt ist.
Fig. 5 zeigt dasselbe für einen 0,5 mm langen Mikrokristall. Bemerkens
wert ist hier, daß beim Modensprung der einen Resonatormode die nächste
Mode den zweiten Übergang zur Emission bringt.
Fig. 6 zeigt ein ähnliches Diagramm für einen 0,3 mm langen Mikro
kristall. Der Laser läßt sich durch die Wahl der Resonanztemperatur in
einem weiten Bereich auf eine Laseremissionslinie zwingen. Für gewisse
Anwendungen läßt sich ein solcher Mikrokristall-Laser auch über einen
weiten Temperaturbereich durch die Resonatoränderung in der Wellenlänge
abstimmen. In einem Temperaturbereich zwischen ca. 9°C und 15°C ist
keine Emission möglich, weder auf der einen noch einer anderen Linie.
Die Fig. 7a bis 7c zeigen Messungen an einem Nd:YAG-Mikrokristall-La
ser mit 730 µm Resonatorlänge. Die Messungen zeigen eine gute Überein
stimmung im Rahmen der Meßgenauigkeit mit der Berechnung gemäß Fig. 3:
Dreilinienbetrieb bei 21°C (a), Einlinienbetrieb bei 42°C (b) und
Zweilinienbetrieb bei 62°C. Im Diagramm der Fig. 3 tritt letzteres zwar
erst bei Temperaturen größer als 64°C auf, da die im Experiment gemesse
ne Temperatur am Kristallrand jedoch immer etwas unter der tatsächlich
am Punkte der Laseremission herrschenden Temperatur liegt, ist ein
Fehler von 2°C innerhalb der Meßgenauigkeit noch gut akzeptabel.
Zusammenfassend ist vorstehend ein Verfahren aufgezeigt, bei dem mittels
gezielter Kontrolle der Resonatortemperatur von Mikrokristall-Lasern die
bei solchen Lasern auftretende simultane Emission von mehreren Laser
übergängen durch die temperaturinduzierte Verschiebung der Resonator-Mo
den zu selektieren. Hierbei spielt der Effekt der temperaturbedingten
Verschiebung der elektronischen Laserniveaus eine untergeordnete Rolle.
Es müssen keine Elemente in den Strahlengang des Lasers gebracht werden.
Um "frequency-pulling-Effekte" zu vermeiden, ist es vorteilhaft die
Resonatoren so auszulegen, daß deren Güte mehrere Größenordnungen - zwei
bis drei Zehnerpotenzen - höher liegt als die Güte der effektiven
Verstärkungs-Linienbreiten, berechnet aus Q = λgain/Δλgain.
Claims (11)
1. Verfahren zur Selektion von Laserübergängen bei Mikrokristall-La
sern, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur von single-mode,
multi-line Mikrokristall-Laserresonatoren so eingestellt wird, daß
aufgrund der temperaturbedingten Modenverschiebung die Emissionslinien
von Laserstrahlung dadurch selektiert werden, daß nur die zu selektie
renden Laserübergänge λ vorgegebener Verstärkungs-Linienbreiten Δλ
einer Resonatormode zugeordnet werden, wobei die Güte des Mikrokristall-
Resonators so gewählt ist, daß sie um mindestens zwei Größenordnungen
über dem Quotienten aus Wellenlänge und effektiver Verstärkungslinien
breite einzelner oder mehrerer Laserübergänge liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Temperatur-Einstellbereich des Laserresonators eine Mindestgrenze
erfährt, die durch Überstreichung eines vollen Bereichs zwischen zwei
Modensprüngen erzielt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei einem eingeschränkten Temperatureinstellbereich der Resonator so
justiert wird, daß unter Ausnutzung des Keilfehlers des Laserkristalls
eine Verschiebung des der Änderung der Emissionseigenschaften entspre
chenden Temperaturbereiches vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Justierung des Resonators bei der Herstellung oder aktiv im Laserbetrieb
durchführbar ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß im Temperaturbereich der Emission des Lasers auf einem
einzelnen Übergang eine temperaturinduzierte Abstimmung der Laseremis
sion durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Resonatortemperatur so gewählt wird, daß die Resonatormo
den für ein, zwei oder noch mehrere Moden außerhalb der effektiven
Linienbreite Δλ liegen.
7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Laserresonator oder Laserkristall (13)
auf einem separaten, vom Temperierelement (15) der Laserdiode (11)
getrennten und getrennt ansteuerbaren Temperierelement (14) angeordnet
ist, das eine gezielte und unabhängige Einstellung der Resonator- oder
Kristalltemperatur ermöglicht und zur gezielten Selektion der Laserüber
gänge verwendbar ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es
sich bei den Temperierelementen (14, 15) sowohl um Kühlelemente -
beispielsweise Mikrokühler - oder Heizelemente - beispielsweise Wider
stände -, als auch um kombinierte Kühl-Heizelemente - beispielsweise
Peltierelemente - oder Kombinationen hieraus handelt.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß durch gezielte Wahl des verfahrensmäßigen Arbeitspunktes
die Temperierelemente klein und stromsparend ausgebildet werden.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Regelberelch der Temperaturkontrolle des Resonators
auf ca. 38°C festgelegt wird.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die verwendeten Resonatoren eine Güte aufweisen, die zwei
bis drei Zehnerpotenzen höher liegt als die Güte der effektiven Verstär
kungs-Linienbreite.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19924218532 DE4218532C2 (de) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | Verfahren und Einrichtung zur Selektion von Laserübergängen bei Mikrokristall-Lasern |
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DE19924218532 DE4218532C2 (de) | 1992-06-05 | 1992-06-05 | Verfahren und Einrichtung zur Selektion von Laserübergängen bei Mikrokristall-Lasern |
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DE4218532A1 true DE4218532A1 (de) | 1993-12-09 |
DE4218532C2 DE4218532C2 (de) | 1996-07-11 |
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ID=6460443
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 1992-06-05 DE DE19924218532 patent/DE4218532C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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DE4218532C2 (de) | 1996-07-11 |
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Owner name: DAIMLER-BENZ AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 80804 M |
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