DE4244688C2

DE4244688C2 - Festkörperlaser

Info

Publication number: DE4244688C2
Application number: DE4244688A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Phys Heinemann; Axel Dipl Ing Mehnert; Peter Dr Peuser; Nikolaus Dipl Phys Schmitt
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2012-06-27
Also published as: DE4244689C2; DE4244688A1; DE4244689A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser mit einem diodengepumpten Festkörper- Laserkristall gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 2.

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 Resonatormoden zur Selektion von longitudinalen Moden im Resonator verwendet wird, so daß der Laser nur auf einer einzigen Frequenz emittiert.

Aus "Optics Letters", Vol. 14, Nr. 1, 1. Jan. 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 longitudinale Modenabstand des Resonators größer als die halbe Verstärkungsbreite des Lasermediums sein.

In Siegman, "Lasers" - Univ. Science Books, California 1986, S. 57 und 466, sind Laser beschrie ben, bei denen das obige Kriterium dadurch entschärft ist, daß das Lasermedium in der Nähe eines Laserspiegels positioniert wird.

Durch die US-Z.: "Optics Letters", Vol. 12, Nr. 12, Dez. 1987, S. 999-1001 ist ein isotroper Laserkristall beschrieben, dessen Material von sich aus nicht doppelbrechend ist und daher die Doppelbrechnung mechanisch induziert werden muß.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aus der US-Z.: "Optics Letters", Vol. 12, Nr. 12, Dez. 1987, S. 999-1001 bekannten Festkörperlaser derart weiter zu bilden, daß eine Frequenz stabilisierung auf einfache und zuverlässige Weise erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. 2 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 Festkörper lasers 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 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 λ_o 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

1. Festkörperlaser mit einem diodengepumpten Festkörper-Laserkristall von hinreichender Kürze, der an zumindest einem der beiden Laserspiegel positioniert ist und sich so Laserbetrieb auf einer longitudinalen Mode ausbildet, wobei
der Laserkristall (3; 61, 62) aus zwei Kristallen aus einem optisch natürlich-doppelbrechenden laseraktiven Material besteht und 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 stehender Kristallachsen simultan emittiert wird,
der Laserkristall (3; 61, 62) in einem definierten Temperaturbereich ΔT um den Arbeitspunkt T₀ thermisch stabilisiert wird, sowie die emittierte Laserstrahlung auf einem nichtlinearen Element (8) so überlagert wird, daß eine Differenzfrequenz erzeugt und daraus ein Signal abgeleitet wird, welches der Differenz der beiden Laserwellenlängen und damit der Wellenlänge des Lasers selbst proportional ist und
die zwei natürlich-doppelbrechenden, laseraktiven Kristalle (61, 62) des Laserkristalls (3; 61, 62) derart geschnitten, zueinander positioniert und kontaktiert sind, daß ihre optischen Achsen parallel liegen und zwischen diesen zur aktiven Änderung der Gesamtresonatorlänge ein dünnes Aktuatorelement (63) eingebracht ist.

2. Festkörperlaser mit einem diodengepumpten Festkörper-Laserkristall von hinreichender Kürze, der an zumindest einem der beiden Laserspiegel positioniert ist und sich so Laserbetrieb auf einer longitudinalen Mode ausbildet, wobei
der Laserkristall (3; 61, 62) aus einem Kristall aus einem isotropen laseraktiven Material und einem Kristall aus einem optisch doppelbrechenden Material besteht und 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 Laser strahlung mit Polarisation parallel zweier senkrecht zueinander stehender Kristallachsen simul tan emittiert wird,
der Laserkristall in einem definierten Temperaturbereich ΔT um den Arbeitspunkt T₀ thermisch stabilisiert wird, sowie die emittierte Laserstrahlung auf einem nichtlinearen Element (8) so überlagert wird, daß eine Differenzfrequenz erzeugt und daraus ein Signal abgeleitet wird, welches der Differenz der beiden Laserwellenlängen und damit der Wellenlänge des Lasers selbst proportional ist, und
zwischen den zwei Kristallen (61, 62) des Laserkristalls (3; 61, 62) zur aktiven Änderung der Gesamtresonatorlänge ein dünnes Aktuatorelement (63) eingebracht ist, wobei der optisch natürlich-doppelbrechende Kristall mit dem isotropen laseraktiven Kristall so optisch kontak tiert ist, daß der optisch natürlich doppelbrechende Kristall innerhalb des Laserresonators positioniert und auf der einen Seite mit einem Laserspiegel beschichtet ist und auf der anderen Seite eine Antireflexionsschicht aufweist.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kristalle (61, 62) des Laserkristalls (3; 61, 62) in thermischem Kontakt zueinander stehen.

4. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt T₀ so nachgeregelt wird, daß die Laseremission bei im Zeitmittel konstanter Wellenlänge erfolgt.

5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element (8) eine Photodiode ist.

6. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Aktuatorelement (63) eine Piezokeramik oder PVDF-Folie ist.