DE4219169C2 - Laseranordnung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung zur Erzeugung ab
stimmbarer, schmalbandiger kohärenter Strahlung mittels
optischer parametrischer Oszillation.
Optisch-parametrische Oszillatoren sind seit 1965 bekannt (J.A.
Giordmaine und R.C. Miller, Phys. Rev. Lett., Vol. 14, 973,
1965). Theoretische und experimentelle Untersuchungen zum
optisch-parametrischen Oszillator (OPO) liegen ebenfalls vor
(S.E. Harris, Proc. IEEE, Vol. 57, 2096, 1969; R.L. Byer in Quantum
Electronics: A Treatise, herausgegeben durch H. Rabin und C.L.
Tang (Academic Press, New York, 1975) S. 587-702, siehe auch Y.X. Fan
und R.L. Byer in SPIE, 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 Optoelektronik, 23, 106/1991). Als Pumpquelle sind
auch XeCl-Excimerlaser bekannt (EBRAHIMZADEH, M. et al.: "An
Excimer-Pumped β-BaB₂O₄ Optical Parametric Oscillator Tunable
from 354 nm to 2.370 µm" in US-Z.: IEEE Journal of Quantum
Electronics, Vol. 26, No. 7, July 1990, S. 1241-1252).
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-P´rot-Interferometers 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 4 349 907 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 4 349 907 sind Pumpinten
sitäten von 5 bis 20 GW/cm² angegeben. Solche Leistungsdichten
würden bei Nanosekunden-Impulsen die Kristalle BBO und LBO so
fort zerstören.
Gemäß der US 4 349 907 wird auch kein optisch-parametrischer
Oszillator benutzt. Ein Oszillator besteht nämlich nach seiner
wissenschaftlichen Definition stets aus einem verstärkenden
Medium (hier der Kristall), einem Resonator und einer Rückkoppel
einrichtung. Das System gemäß der USA 4 349 907 ist kein
Oszillator, sondern ein sogenannter Wanderwellenverstärker
(traveling wave amplifier) für die parametrische Fluoreszenz.
Betreibt man das System gemäß der US 4 349 907 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 4 349 907 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
4 349 907 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-BaB₂O₄" 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.
Die Veröffentlichung TANAKA, Y. et al.: "Broadly Tunable,
Repetitive, Picosecond Parametric Oszillator" in NL-Z.: Optics
Communications, Vol. 25, No. 2, 1978, S. 273-276, beschreibt
einen abstimmbaren optischen parametrischen Oszillator, der im
Picosekundenbereich betrieben wird, wobei der Oszillator
synchron gepumpt wird.
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.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch
gekennzeichnet.
Danach werden also zwei optisch-parametrische Oszil
latoren verwendet, und das wellenlängenselektive Element wird
zwischen den Resonatoren der beiden optisch-parat
metrischen Oszillatoren angeordnet. Eine Anordnung des wellen
längenselektiven Elementes in einem Resonator kann vermieden
werden.
Als wellenlängenselektives Element kann zumindest ein
Gitter, insbesondere ein Reflexionsgitter, vorgesehen sein.
Bevorzugt wird die spektrale Bandbreite der Ausgangsstrahlung des ersten
optisch-parametrischen Oszillators auf 0,1 bis 1 cm-1 eingeengt
und so als "injection seeding"-Strahlung in den zweiten optisch
parametrischen Oszillator eingegeben (zum "injection seeding"
vgl. den oben zitierten Aufsatz von A. Fix, T. Schröder und R.
Wallenstein).
Die Erfindung lehrt 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: ωP = ωS + ωI.
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 den Bezugszeichen 52, 56 und dessen
Kristall mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet sind.
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 Monochromator (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-P´rot-Interferometer 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-P´rot 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 zeigt, 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-parametrischen Oszillatoren arbeiten
ohne resonatorinternes Gitter.
Claims (1)
- Laseranordnung zur Erzeugung abstimmbarer, schmalbandiger kohären ter Strahlung (53) durch optische parametrische Oszillation, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Band breite der Ausgangsstrahlung (22) eines ersten optischen parame trischen Oszillators (10) mit Pulslängen im Nanosekundenbereich mittels eines wellenlängenselektiven Element (28, 34) auf 0,05 bis 2 cm-1 oder auf eine einzelne Mode reduziert wird, wobei die spektrale Bandbreite der einzelnen Mode kleiner als 0,03 cm-1 ist, und daß die Strahlung danach in einen zweiten optischen parametrischen Oszillator (12) als Injektions-Anregungsstrahlung (injection seeding) eingegeben wird.
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1992
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