DE4219169A1

DE4219169A1 - Laseranordnung

Info

Publication number: DE4219169A1
Application number: DE4219169A
Authority: DE
Inventors: Richard Prof Dr Wallenstein
Original assignee: Individual
Current assignee: WALLENSTEIN, RICHARD, PROF. DR., 67271 NEULEININGE
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2012-06-12
Also published as: DE4219169C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung zur Erzeugung ab stimmbarer, schmalbandiger kohärenter Strahlung mittels eines optisch-parametrischen Oszillators.

Optisch-parametrische Oszillatoren sind seit 1965 bekannt (J.A. Giordmaine und R.C. Miller, Phys. Lett. 14, 973, 1965). Theore tische und experimentelle Untersuchungen zum optisch-parametri schen Oszillator (OPO) liegen ebenfalls vor (S.E. Harris, Proc. IEEE 57. 2096, 1969; R.L. Byer, in Treatise in Quantum Electro nics, herausgegeben durch H. Rabin und C.L. Tang (Academic, New York, 1973) S. 587-702, siehe auch Y.X. Fan und R.L. Byer in SPIE Proceedings Vol. 461, 27, 1984).

Der optisch-parametrische Oszillator (OPO) ist eine Quelle kohärenter Strahlung, die bei hoher Leistung über einen sehr weiten Wellenlängenbereich abstimmbar ist.

Seit einigen Jahren stehen für optisch-parametrische Oszillato ren als nichtlineare Materialien Beta-Bariumborat (BBO) und Lithiumborat (LBO) zur Verfügung. Diese Materialien zeichnen sich durch hervorragende optische und mechanische Eigenschaften aus, letzteres betrifft insbesondere den Schwellenwert für eine mechanische Zerstörung des Materials durch die Strahlung, der gegenüber früheren Materialen sehr stark verbessert wurde. Mit BBO- und LBO-Kristallen ausgerüstete OPO sind Quellen kohären ter Strahlung, die im ultravioletten, sichtbaren und im nahen Infrarotbereich abstimmbar sind. Solche OPO-Systeme haben bei Pulsbetrieb eine hohe Spitzenleistung, eine höhere mittlere Leistung pro Zeiteinheit sowie einen guten Wirkungsgrad.

Für einen konstanten Betrieb benötigt der OPO hochwertige Kristalle und eine beugungsbegrenzte Pumpquelle des single- axial-mode-Typs. Als Pumpquelle werden insbesondere die zwei ten, dritten, vierten und fünften Harmonischen des Nd:YAG- Lasers verwendet (vgl. A. Fix, T. Schröder und R. Wallenstein, Laser und Opto-Elektronik, 23, 106/1991). Als Pumpquelle sind auch XeCl-Excimerlaser bekannt.

Die Bandbreite der Ausgangsstrahlung eines optisch-parametri schen Oszillators hängt ab von der Wellenlänge, den Parametern des Resonators, der Bandbreite der Pumpstrahlung sowie der Pumpleistung. Im Stand der Technik sind auch bereits Mittel bekannt, die Bandbreite von mit optisch-parametrischen Oszilla toren erzeugter Strahlung zu reduzieren, beispielsweise mittels eines Fabry-Perot-Interferrometers oder anderer, im OPO-Reso nator angeordneter wellenlängenselektiver Elemente.

Dieser Stand der Technik ist jedoch mit Nachteilen behaftet, insbesondere einer schwierigen Justierbarkeit des Lasersystems, einer aufwendigen Synchronisierung sowie einer geringen Effi zienz.

Die US-PS 43 49 907 beschreibt ein System zur Erzeugung von durchstimmbaren Pikosekunden-Laserimpulsen im infraroten Spek tralbereich. Die dort gezeigte Anordnung ist für die Erzeugung von Laserimpulsen mit Längen im Nanosekunden-Bereich unbrauch bar. Der Grund liegt darin, daß für Pikosekunden-Impulse die Zerstörschwellen der Kristalle wesentlich höher sind als für Nanosekunden-Impulse. In der US-PS 43 49 907 sind Pumpinten sitäten von 5 bis 20 GW/cm² angegeben. Solche Leistungsdichten würden bei Nanosekunden-Impulsen die Kristalle BBO und LBO so fort zerstören.

Bei der US-PS 43 49 907 wird kein optisch-parametrischer Oszil lator benutzt. Ein Oszillator besteht nämlich nach seiner wis senschaftlichen Definition stets aus einem verstärkenden Medium (hier der Kristall), einem Resonator und einer Rückkoppelein richtung. Das System gemäß der US-PS 43 49 907 ist kein Oszil lator, sondern ein sogenannter Wanderwellenverstärker (travel ing wave amplifier) für die parametrische Fluoreszenz. Betreibt man das System gemäß der US 43 49 907 mit Laserimpulsen im Bereich von Nanosekunden, so müssen die Leistungsdichten der Pumpstrahlen deutlich geringer sein als 1 bis 10 GW/cm² (den Zerstörschwellen von BBO und LBO, je nach Material). Wanderwel lenverstärker der in der US-PS 43 49 907 beschriebenen Art sind jedoch bei Leistungsdichten im Bereich von deutlich weniger als 1 bis 10 GW/cm² für BBO und LBO unwirksam, da zu ineffizient. Auch ist das Spektrum der mit diesem bekannten System erzeugten Strahlung ein Kontinuum. Es wird ein möglichst breites Spektrum erzeugt (1000 cm^-1). Die Breite des vom Gitter selektierten Spektrums wird nur vom Gitter bestimmt sowie vom Abstand des Gitters zum zweiten Kristall. Die erzielte Bandbreite beträgt 15 cm^-1.

Weiterhin ist bei einem Vergleich mit der vorliegenden Erfin dung zu beachten, daß beim Stand der Technik gemäß der US-PS 43 49 907 kein sogenanntes "Seeden" eines zweiten Oszillators erfolgt. Vielmehr wird bei diesem Stand der Technik als Ver stärker ein optisch-parametrischer Wanderwellenverstärker be nutzt. Zwischen Seeden und Verstärken bestehen grundsätzliche Unterschiede: (1) Beim "Seeden" ist die Ausgangsleistung unab hängig von der Eingangsleistung. Eine Variation der Seedlei- stung um vier Größenordnungen (10er Potenzen) ändert weder die Bandbreite noch die Ausgangsleistung des geseedeten OPO. Damit erhält man den Effekt einer Stabilisierung der Ausgangslei stung. (2) Die Seedleistung ist um Größenordnungen kleiner als die Eingangsleistung, die für einen Wanderwellenverstärker be nötigt wird.

Die Veröffentlichung DANESHVAR-HOSSEINI, H., et al.: "A micro processor-controlled laser grating system for laser tuning" in GB-Z.: Optics and Laser Technology, June 1982, S. 137-142, be schreibt ein resonatorinternes Gitter. Bei einer solchen Anord nung bestimmt allein das Gitter die spektrale Breite.

Die Veröffentlichung LOKAI, P. et al.: Typ-I-Frequenzverdoppe lung und Frequenzmischung in β - Ba-B₂O₄ in DE-Z.: Laser und Optoelektronik, Nr. 3/1987, S. 296-300, beschreibt die Ver wendung von BBO und LBO als nichtlineares Material für die Frequenzkonversion. Entsprechendes gilt auch für die Veröffent lichung Recent Developments of Lithium Triborate (LBO) in DE-Z.: Laser Magazin, 3/90, S. 52-53.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung zur Erzeugung abstimmbarer, schmalbandiger kohärenter Strahlung mittels optisch-parametrischer Oszillatoren zu schaffen, die einfach justierbar und über einen weiten Bereich einfach ab stimmbar ist sowie eine hohe Effizienz und Stabilität aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die spektrale Bandbreite der Ausgangsstrahlung eines ersten op tisch-parametrischen Oszillators mittels eines wellenlängense lektiven Elementes reduziert und danach in einen zweiten optisch-parametrischen Oszillator als Injektions-Anregungs strahlung (injection seeding) eingegeben wird.

Erfindungsgemäß werden also zwei optisch-parametrische Oszil latoren verwendet und das wellenlängenselektive Element wird bevorzugt zwischen den Resonatoren der beiden optisch-para metrischen Oszillatoren angeordnet. Eine Anordnung des wellen längenselektiven Elementes in einem Resonator kann vermieden werden.

Bevorzugt ist als wellenlängenselektives Element zumindest ein Gitter, insbesondere ein Reflexionsgitter, vorgesehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die spektrale Bandbreite der Ausgangsstrahlung des ersten optisch-parametrischen Oszillators auf 0,05 bis 2 cm^-1, bevor zugt sogar auf 0,1 bis 1 cm^-1 eingeengt und so als sogenannte "injection seeding"-Strahlung in den zweiten optisch-parame trischen Oszillator eingegeben (zum "injection seeding" vgl. den oben zitierten Aufsatz von A. Fix, T. Schröder und R. Wallenstein).

Die Erfindung lehrt auch einen optisch-parametrischen Oszilla tor zur Erzeugung kohärenter Strahlung mit Wellenlängen um 1,9 µm. Dieser Wellenlängenbereich ist insbesondere für medizini sche Anwendungen von Interesse, da Wasser hier ein Absorptions maximum aufweist. Wird ein optisch-parametrischer Oszillator mit der Fundamentalen eines Nd : YAG-Lasers gepumpt und wird überdies ein wellenlängenselektives Element im Oszillator vor gesehen, insbesondere derart, daß zumindest einer der Spiegel des Resonators schmalbandig reflektierend ausgestaltet wird, so erzeugt der Oszillator eine Signalwelle im Bereich von 1,9 µm.

Die Erfindung lehrt für die Erzeugung von Laserimpulsen im Nanosekunden-Bereich. Die verwendeten Leistungsdichten der Pumpstrahlung liegen maximal, je nach verwendeten Kristallen, bei 0,1 bis 0,3 GW/cm².

Im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist der Begriff "Oszilla tor" so zu verstehen, daß er aus einem verstärkenden Medium (hier der Kristall) und einem Resonator besteht. In diesem Sinne ist ein Wanderwellenverstärker kein Oszillator.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch das Prinzip eines optisch-parametrischen Oszillators und

Fig. 2 eine Laseranordnung aus zwei optisch-parametrischen Oszillatoren, die eine abstimmbare, schmalbandige Strahlung erzeugen.

Gemäß Fig. 1 weist ein optisch-parametrischer Oszillator 10 einen aus Spiegeln 14, 16 gebildeten Resonator auf, in dem ein Beta-Bariumborat- oder ein Lithiumborat-Kristall 18 in bekann ter Weise angeordnet ist (vgl. die eingangs genannten Litera turstellen). Der Kristall ist zum Abstimmen des optisch-para metrischen Oszillators 10 in bezug auf die Achse A des Resona tors um den Winkel α drehbar.

Gepumpt wird der optisch-parametrische Oszillator 10 gemäß Fig. 1 mit kohärenter Pumpstrahlung 20, die bevorzugt die Fun damentale oder eine Harmonische eines Nd : YAG-Lasers ist.

Die Ausgangsstrahlung 22 des optisch-parametrischen Oszillators 10 besteht aus einer sogenannten Signalwelle 22b und einer sogenannten Idler-Welle 22a. Wegen des Energieerhaltungssatzes gilt für die Frequenzen der Pumpstrahlung sowie der erzeugten Signalwelle und der Idlerwelle: ω_P=ω_S+ω_I.

In Abhängigkeit von der Pumpstrahlung 20 und dem Drehwinkel α des BBO- oder LBO-Kristalls haben die Signalwelle und die Idlerwelle unterschiedliche Wellenlängen.

Fig. 2 zeigt eine Laseranordnung mit zwei optisch-parametrischen Oszillatoren 10, 12.

Der erste optisch-parametrische Oszillator 10 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten. Er wird gepumpt mittels eines Nd : YAG-Lasers (nicht gezeigt), der die Pumpstrahlung 20 erzeugt. Die Aus gangsstrahlung 22 wird mittels optischer Elemente 24, 26 auf geweitet und auf ein Reflexionsgitter 28 gegeben. Die Ausgangs leistung des ersten optisch-parametrischen Oszillators 10 be trägt typischerweise 10 mJ/10 nsec. Die Bandbreite beträgt 2 nm und die spektrale Energiedichte etwa 5 mJ/nm.

Die spektrale Bandbreite der Ausgangsstrahlung 22 des ersten optisch-parametrischen Oszillators 10 beträgt typischerweise 0,2 bis 3 nm (8 bis 120 cm^-1 bei 500 nm).

Das als Monochromator wirkende Gitter 28 reduziert die spektra le Bandbreite der von ihm reflektierten Strahlung auf 0,1 bis 1 cm^-1. Diese Strahlung mit reduzierter Bandbreite wird gemäß dem Pfeil 30 durch ein optisches Elemente 32 fokussiert und durch eine Spaltblende 34 geschickt und anschließend mittels eines weiteren optischen Elementes 40 wieder parallel ausgerich tet und an einem Spiegel 42 entsprechend dem Pfeil 44 reflek tiert. Die mittels des optischen Elementes 32 fokussierte Strahlung passiert im Fokus die Spaltblende 34, die links und rechts des zentralen Durchlasses zwei weitere Öffnungen 36, 38 aufweist, hinter denen jeweils photoelektrische Dioden angeord net sind, um eine Justierung des Systems zu vereinfachen. Die Spaltbreite der Spaltblende 34 bestimmt die Bandbreite der Laseranordnung und ist deshalb einstellbar. Die Justierung und Abstimmung des Systems erfolgt durch Drehung des Gitters 28 und ein Nachziehen der Kristalle der optisch-parametrischen Oszilla toren (auch des weiter unten näher beschriebenen zweiten Oszil lators 12). Bei diesen Einstellarbeiten sind die photoelektri schen Elemente (nicht gezeigt) hinter den Löchern 36, 38 der Spaltblende 34 hilfreich, d. h. die Einstellung des Winkels der Kristalle erfolgt so, daß kein Dioden-Signal entsteht oder beide Dioden gleiches Signal erzeugen.

Die Strahlung reduzierter Bandbreite passiert einen teildurch lässigen Spiegel 46 und tritt als sogenannte injection-seeding- Strahlung in den zweiten optisch-parametrischen Oszillator 12 ein, dessen Spiegel mit dem Bezugszeichen 52, 56 und dessen Kristall mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet ist.

Neben der injection-seeding-Strahlung wird auch entsprechend dem Pfeil 48 eine weitere Pumpstrahlung in den zweiten optisch- parametrischen Oszillator 12 eingegeben, wobei die Pumpstrah lung vom gleichen Nd : YAG-Laser stammen kann wie die Pumpstrah lung 20 des ersten optisch-parametrischen Oszillators. Am Aus gang des zweiten optisch-parametrischen Oszillators 12 erschei nen dann eine Signalwelle und eine Idlerwelle, wobei insbeson dere die Signalwelle über einen weiten Frequenzbereich abstimm bar und sehr schmalbandig ist.

Der zweite optisch-parametrische Oszillator 12 wird bevorzugt gezielt dejustiert, um die Finesse (Güte) des Resonators zu verringern, so daß keine Modenselektivität herrscht. Die De justierung erfolgt bevorzugt durch geringfügiges Verkippen eines Resonatorspiegels 52, 56.

Der Monchromator (Gitter 28) ist so ausgewählt, daß für eine Bandbreite von 0,1 cm^-1 die erforderliche Energie 12,5 µJ. beträgt. Für das in dem zweiten optisch-parametrischen Oszil lator 12 vorgesehene "injection seeding" sind Energien von 10 nJ ausreichend. Das "injection seeding" ist von anderen An wendungen her dem Fachmann bekannt. Ihm liegt folgendes Prinzip zugrunde: während des Einschwingvorganges eines optischen Os zillators (Laser, optisch-parametrischer Oszillator) wird spon tan erzeugtes Licht verstärkt. Auf diese Weise wird ein Licht feld aufgebaut. Erreicht der Oszillator die Schwelle für "Os zillation", so bestimmt der Resonator selbst im wesentlichen die spektrale Bandbreite und Wellenlänge. Dabei erfolgt die Verstärkung und damit die Oszillation natürlich nur im Verstär kungsbereich des verstärkenden Mediums.

Wird während des Einschwingvorganges Strahlung geeigneter Wel lenlänge in den Resonator "injiziert", so wird dieses Licht verstärkt, d. h. die Oszillation beginnt früher und das vom Oszillator erzeugte Licht entspricht im wesentlichen (hinsicht lich Wellenlänge und Bandbreite) dem injiziertem Licht. Dies gilt für homogen verbreiterte Verstärkungsmedien.

Die erfindungsgemäß durch Kombination zweier optisch-parametri scher Oszillatoren und Zwischenschaltung eines Monochromators durch "injection seeding" erzeugte kohärente Laserstrahlung ist einfach über einen sehr weiten Bereich (UV, sichtbar, IR) ab stimmbar, wobei die Bandbreite mittels des Spaltes einfach ein stellbar ist.

Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung ist das Spektrum der erzeugten Strahlung kein Kontinuum, sondern besteht aus Linien, die den Resonatormoden entsprechen. Die Gitteranordnung selek tiert daher ein oder mehrere Moden. Statt eines Gitters wäre auch ein Fabry-Perot-Interferrometer verwendbar. Wird eine kurze Resonatorlänge gewählt, z. B. ein 2 mm langer Resonator mit resonatorinternem Kristall, so beträgt der Modenabstand etwa 1,5 cm^-1. Ein Gitter oder ein Fabry-Perot selektiert dann auf einfache Weise eine einzelne Mode, so daß nach diesem wel lenlängenselektiven Element einmodige OPO-Strahlung zur Ver fügung steht. Die spektrale Breite dieser Mode ist kleiner als 0,03 cm^-1. Die spektrale Breite wird dabei nicht vom Gitter, sondern vom OPO-Resonator bestimmt.

Die vorstehende Beschreibung beinhaltet außerdem ein Verfahren, wie die Wellenlänge der Seedstrahlung kontinuierlich geändert werden kann, ohne daß die Länge des Resonators des zweiten OPO geändert werden muß. Die hier vorgesehenen optisch-parametri schen Oszillatoren arbeiten ohne resonatorinternes Gitter.

Claims

1. Laseranordnung zur Erzeugung abstimmbarer, schmalbandiger kohärenter Strahlung (58) mittels eines optisch-parametrischen Oszillators (10, 12), dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Bandbreite der Ausgangsstrahlung (22) eines ersten optisch- parametrischen Oszillators (10) mittels eines wellenlängense lektiven Elementes (28) reduziert und danach in einen zweiten optisch-parametrischen Oszillator (12) als Injektions-Anre gungsstrahlung (injection seeding) eingegeben wird.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als wellenlän genselektives Element (28) ein Gitter, insbesondere ein Re flexionsgitter, vorgesehen ist.

3. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Bandbreite der Ausgangsstrahlung des ersten optisch-parame trischen Oszillators (10) auf mindestens 0,05 bis 2 cm^-1, vor zugsweise auf 0,1 bis 1 cm^-1, reduziert wird.

4. Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite optisch-parametrische Oszillator (12) so dejustiert wird, daß er nicht modenselektiv oszilliert.

5. Optisch-parametrischer Oszillator zur Erzeugung kohärenter Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 1,7 bis 2,1 µm, ins besondere bei 1,9 µm, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch-para metrische Oszillator mit der Fundamentalen eines Nd : YAG-Lasers gepumpt wird und zumindest ein wellenlängenselektives Element (14, 16) aufweist.

6. Optisch-parametrischer Oszillator gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als wellenlängen selektives Element zumindest einer der Spiegel (14, 16) des optisch-parametrischen Oszillators (10) schmalbandig reflek tierend mit einer Bandbreite von 0,05 bis 0,15, insbesondere 0,1 µm, ausgebildet ist.