DE4244688A1 - Festkörperlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser mit einem Festkör­ perlaserkristall gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Druckschrift DE 40 32 323 A1 sind Laser bekannt, bei denen ein auf der Basis von doppelbrechenden Kristallen realisiertes Lyot-Filter im Resonator eines langen Laserresonators mit mehreren verstärkten Reso­ natormoden zur Selektion von longitudinalen Moden im Resonator verwendet wird, so daß der Laser nur auf einer einzigen Frequenz emittiert.

Aus "Optics Letters", Vol. 14 No. 1, Jan. 1, 1989, sowie aus der DE 40 39 455 A1 der Anmelderin sind Mikrokristall-Laser bekannt, welche über eine hinreichend kurze Resonatorlänge verfügen, so daß sich nur eine einzige longitudinale Mode ausbilden kann. Hierbei muß der longitu­ dinale Modenabstand des Resonators größer als die halbe Verstärkungs­ bandbreite des Lasermediums sein.

In Siegman, "Lasers" - Univ. Science Books, California 1986, S. 57 und 466, sind Laser beschrieben, bei denen das obige Kriterium dadurch ent­ schärft ist, daß das Lasermedium in der Nähe eines Laserspiegels positi­ oniert wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist durch die Patentanmeldung P 41 01 521.5 der Anmelderin bekannt geworden, dessen Mikrokristall-La­ ser auch auf Übergänge anschwingen kann, welche eine geringere Verstär­ kung als andere Übergänge aufweisen. Bei allen bekannten Ausführungsfor­ men treten jedoch Probleme mit der Wellenlängenstabilisierung besonders für Langzeiten auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen frequenzstabilisierten Laser aufzuzeigen, bei welchem die Differenzfrequenz der orthogonal zu­ einander polarisierten aufgespaltenen Frequenzkomponenten der einzigen longitudinalen Mode zur Messung der Frequenzabweichung des Lasers bzw. als Regelsignal zu dessen Stabilisierung verwendet wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen aufgezeigt und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbei­ spiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterun­ gen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels für einen Festkörper­ laser mit einem im y-cut geschnittenen Nd:MgO:LiNbO₃-Kristall,

Fig. 2 ein Schemabild einer Ausführungsform, bei der zwischen zwei Kri­ stallen ein Aktuatorelement angeordnet ist.

In der Fig. 1 ist ein nach vorstehend beschriebenem Aufbau konzipierter Laser skizziert. Eine Laserdiode 1 (oder eine andere Pumpquelle) pumpt über eine Glasfaser 2 - welche hier optional ist - einen Kristall 3, der hier beispielsweise Nd:MgO:LiNbO₃ ist, und welcher hier im sogenannten x- oder y-cut geschnitten und orientiert ist. In der Figur sind aus Übersichtlichkeitsgründen alle Fokussieroptiken weggelassen. Die Laser­ spiegel 4 und 5 sind monolithisch auf die entsprechenden Kristallflächen aufgedampft. Während der stärkste Anteil der Laserstrahlung bei dieser beispielhaften Anordnung als Nutzstrahl am Ausgang zur Verfügung steht, wird der am anderen Ende des Kristalls ausgekoppelte Anteil der Laser­ strahlung geringer Intensität mit einem dichroitischen Spiegel 9 umge­ lenkt und mittels eines Polarisationsteilers 10 die beiden Polarisati­ onsrichtungen σ und π aufgespalten. Der eine der beiden Strahlen wird mittels einer λ/2-Platte 6 in seiner Polarisation um 90° gedreht, so daß beide Polarisationen parallel in eine Y-förmige Glasfaserweiche 7 eingekoppelt werden können. Die beiden Laserstrahlen werden kollinear auf einer Photodiode 8 abgebildet, an welcher die Differenzfrequenz der beiden Strahlen an deren Ausgang abgegriffen und analysiert werden. Durch weitere Auswertung der Differenzfrequenz wird die Temperatur und somit die Wellenlänge des Lasers bestimmt. Eine aktive Nachführung des Lasers kann beispielsweise durch Nachführung des Arbeitspunktes T₀ er­ folgen, so daß die Differenzfrequenz konstant gehalten wird. Dies führt zu einer Stabilisierung der Laserwellenlängen auf einen konstanten Wert.

Eine solche Anordnung kann außerdem dazu verwendet werden, mittels ther­ misch induzierter Doppelbrechung einen abstimmbaren, monolithischen Zweiwellenlängen-Laser zu realisieren. Sollte kein weiterer Nutzstrahl des Lasers benötigt werden, wird die Trennung der Linien mittels des Polarisators 10 und die anschließenden Aufbauten auf der Ausgangsseite des Laserkristalls vorgenommen.

Auf dieser Konzeption baut die Erfindung auf und beschreibt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 skizziert ist und eine Konzeption zeigt, die analog zu der vorhergehenden ist, wobei hier zwischen zwei Kristallen 61 und 62 mit parallel orientierten Kristallachsen ein Aktua­ torelement 63 - beispielsweise eine dünne Piezoscheibe oder eine PVDF- Folie - eingebracht ist. Dies erlaubt, das Regelsignal der Elektronik (Abweichung der Wellenlänge durch den Temperatureinfluß) so zurückzufüh­ ren, daß die Resonatorlänge entsprechend so geändert wird, daß die Wel­ lenlänge λ₀ oder λ_e konstant gehalten wird. Hierbei ist also nicht nur die Kenntnis über die Abweichung der Wellenlänge bekannt, der Laser kann auch auf dieses Abweichungssignal hin sehr schnell nachge­ stellt werden. Aus einer Bandbreite der Regelung von 20 MHz begrenzt durch die Kapazität des Aktuatorelements, ergeben sich Regelzeiten im Bereich von 100 ns.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß eine Vielzahl von laseraktiven dop­ pelbrechenden oder nicht laseraktiven doppelbrechenden Kristallen für eine erfindungsgemäße Anordnung verwendet werden können. Besonders ge­ eignet sind hierbei Vertreter der optisch einachsigen Kristalle, welche in einer Ebene parallel zur optischen Achse und einer weiteren Kristall­ achse geschnitten sind, wie beispielsweise LiNbO₃, LiTaO₃ und viele andere. Beschränkt man sich auf sehr kurze Resonatoren von einigen 100 µm Länge, so können auch optisch zweiachsige Kristalle verwendet wer­ den, da bei diesen kurzen Resonatorlängen der Winkel zwischen den Aus­ breitungsrichtungen beider Polarisationsrichtungen (walk-off) vernach­ lässigt werden kann.

Claims (5)

1. Festkörperlaser mit einem beispielsweise diodengepumpten Festkör­ per-Laserkristall von hinreichender Kürze, der an zumindest einem der bei­ den Laserspiegel positioniert ist und sich so Laserbetrieb auf einer Ion­ gitudinalen Mode ausbildet und der Laserkristall aus einem optisch doppel­ brechenden laseraktiven Material besteht, welches in definierter Weise zu seinen kristallographischen Achsen so geschnitten und poliert ist, daß die longitudinale Mode aufspaltet in zwei senkrecht zueinander polarisierte Frequenzkomponenten und so Laserstrahlung mit Polarisation parallel zweier senkrecht zueinander stehenden Kristallachsen simultan emittiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkristall in einem definierten Tem­ peraturbereich ΔT um einen Arbeitspunkt T₀ thermisch stabilisiert wird, sowie die emittierte Laserstrahlung auf einem nichtlinearen Element - beispielsweise einer Laserdiode - so überlagert wird, daß eine Diffe­ renzfrequenz erzeugt und daraus ein Signal abgeleitet wird, welches der Differenz der beiden Laserwellenlängen proportional ist.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt T₀ so nachgeregelt wird, daß die Laseremission bei im Zeit­ mittel konstanter Wellenlänge erfolgt.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei doppelbrechende, laseraktive Materialien derart geschnitten, zu­ einander positioniert und kontaktiert sind, daß ihre optischen Achsen par­ allel liegen und zwischen diesen zur aktiven Änderung der Gesamtresonator­ länge ein dünnes Aktuatorelement - wie beispielsweise Piezokeramik oder PVDF-Folie - eingebracht ist.

4. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein doppelbrechendes Kristallmaterial mit einem isotropen laseraktiven Festkörpermaterial so optisch kontaktiert wird, daß das dop­ pelbrechende Material innerhalb des Laserresonators positioniert und auf der einen Seite mit einem Laserspiegel beschichtet ist und auf der anderen Seite eine Antireflexionsschicht aufweist.

5. Festkörperlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kristallmaterialien in thermischem Kontakt zueinander stehen.