DE4218532C2 - Verfahren und Einrichtung zur Selektion von Laserübergängen bei Mikrokristall-Lasern - Google Patents

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 A1, DE 40 41 131 A1 und DE 41 01 521 A1 der Anmelderin bekanntgeworden.

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-Betrieb 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 resultieren.

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.

Aus der Druckschrift "Optics-Letters", Jan. 1, 1989, Seiten 24-26, ist ein Verfahren zur Selektion von Laserübergängen bekannt, bei dem das Emissionsspektrum eines Mikrokristall-Lasers mit nur einer Linie bei einer Pumpleistung von max. 40 mW offenbart ist. Die Auslegung des Resonators ist so gehalten, daß nur eine Resonatormode innerhalb des Verstärkungsbereichs dieser einzigen Laserlinie fällt. Für die Beobachtung weiterer Laserlinien und deren Unterdrückung sind die dort aufgezeigten Maßnahmen nicht geeignet.

Aus "Optics Letters", July 15, 1991, S. 1089-1091, ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwei Moden in das Verstärkungsprofil fallen und mittels Temperaturtuning eine Mode in die Mitte des Verstärkungsprofils geschoben wird, so daß weitere Moden außerhalb der Verstärkungsbandbreite Laserlinien an der Emission hindern. Auch hier handelt es sich um ein Verfahren bei dem lediglich von der Emission nur einer einzigen Laserlinie ausgegangen wird.

Die Beobachtung weiterer simultaner Laserlinien ist erstmals in der Druckschrift "Laser in der Technik", Springer-Verlag, Berlin, "Vorträge des 10. Int. Kongresses Laser 91" S. 599 bis 603 veröffentlicht worden. Von diesem gattungsgemäßen Stand der Technik geht die nachstehend beschriebene Erfindung aus.

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 λ₁^gain, λ₂^gain und λ₃^gain bekannt, sowie die zugehörigen fluoreszenzlinienbreiten Δλ₁^f, Δλ₂^f und Δλ₃^f, so lassen sich die tat­ sächlich für den Laserbetrieb relevanten Verstärkungslinienbreiten als Δλ₁ = k₁· Δλ₁, analog Δλ₂ = k₂· Δλ₂ und Δλ₃ = k₃ · Δλ₃ schreiben.

Die optische Resonatorlänge schreibt sich zu

1^opt = 1^mech · n (1)

wobei "1^mech" die mechanische Resonatorlänge und "n" der Brechungs­ index des Mediums ist. Die mechanische Resonatorlänge 1^mech 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:

1^opt (T) = 1^mech · (1+α(T-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)·1^opt (T)) (3)

Dies gilt für die 1. Verstärkungsspitze und analog dazu ergibt sich für die anderen:

q₂ (T) = round ((2/λ₂)·1^opt (T)) (4)

q₃ (T) = round ((2λ₃)·1^opt (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)·1^opt (T) (6)

λ₂ (T) = 2/q₂ (T)·1^opt (T) (7)

λ₃ (T) = 2/q₃ (T)·1^opt (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 = 3 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 = λ^gain/Δλ^gain.

Claims (11)

1. Verfahren zur Selektion von Laserübergängen bei einem Mikrokristall-Laser eines Festkörper-Lasermaterials mit mehreren benachbarten Laserübergängen im Wellenlängenabstand von typisch einigen nm und möglicher simultaner Emission hierin, dessen Verstärkungslinienbreiten so mit der Resonatorlänge in Beziehung stehen, daß der Frequenzabstand der Resonatormoden für einen zu selektierenden Laserübergang größer als die volle Breite der effektiven Verstärkungslinien der zu unterdrückenden Laserübergänge ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mikrokristall-Laserresonators so eingestellt wird, daß aufgrund der temperaturbedingten Modenverschiebung die Emissionslinien der Laserstrahlung dadurch selektiert werden, daß durch die spektrale Verschiebung der Moden im Verstärkungsbereich des zu selektierenden Laserübergangs nur eine Resonatormode verstärkt wird, jedoch keine Resonatormode innerhalb der effektiven Linienbreite der zu unterdrückenden Laserübergänge liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte des Mikrokristall-Laserresonators um mindestens zwei Größenordnungen über dem Quotienten aus Wellenlänge und effektiver Verstärkungslinienbreite einer der Laserübergänge liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur-Einstellbereich des Laserresonators eine Mindestgrenze aufweist, die durch den vollen Bereich zwischen zwei Modensprüngen definiert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem eingeschränkten Temperatureinstellbereich eine Verschiebung des der Änderung der Emissionseigenschaften entsprechenden Temperaturbereichs dadurch vorgenommen wird, daß die Länge des Laserkristalls durch Verschiebung unter Ausnützung des Keilfehlers geringfügig verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Justierung des Resonators aktiv im Laserbetrieb durchführbar ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperaturbereich der Emission des Lasers eines einzelnen Übergangs eine temperaturinduzierte Abstimmung der Laseremission durchgeführt wird.

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 Laserübergänge 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 Widerstände - als auch um kombinierte Kühl-Heizelemente - beispielsweise Peltierelemente - oder Kombinationen hieraus handelt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch gezielte Wahl des verfahrensmäßigen Arbeitspunktes die Temperierelemente klein und stromsparend ausgebildet sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelbereich der Temperaturkontrolle des Resonators auf ca. 38°C festgelegt wird.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte des Mikrokristall-Lasers um mindestens zwei Größenordnungen über dem Quotienten aus Wellenlänge und effektiver Verstärkungslinienbreite eines der Laserübergänge liegt.