DE4306919C2

DE4306919C2 - Verfahren zur Abstimmung eines monolithischen Einfrequenz-Mirokristall-Lasers

Info

Publication number: DE4306919C2
Application number: DE4306919A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dipl Phys Schmitt; Stefan Dipl Phys Heinemann; Peter Dr Peuser; Axel Dipl Ing Mehnert
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1993-03-05
Filing date: 1993-03-05
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2013-03-06
Also published as: DE4306919A1

Description

Mikrokristall-Laser sind seit vielen Jahren bekannt und zum Beispiel in Demtröder, Laser Spectroseopy, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2. Auflage 1982, S. 286, oder in EP 0 327 310 A2 beschrieben.

Aus der Druckschrift US 4797 893 ist ferner ein abstimmbarer Laser be kannt, bei dem mit Hilfe von Temperatur-Variation der Abstimmvorgang durchgeführt wird.

Mikrokristall-Laser basieren auf dem Prinzip, daß der Laserresonator hinrei chend kurz ist, so daß aufgrund des großen Modenabstandes nur eine einzi ge Resonatormode innerhalb der Verstärkungsbandbreite des laseraktiven Materiales verstärkt werden kann.

Eine andere Methode, single-frequency-Betrieb zu erhalten, ist beschrieben in Siegman, Lasers, Univ. Science Books, Mill Valley, California, 5. 486 sowie in Kintz, Baer, IEEE J. QE, Vol. 26, No. 9, Sept. 1990 5. 1457 ff., und basiert auf der Positionierung eines Laserspiegels sehr dicht am laseraktiven Medium, welches hinreichend kurz ist, so daß aufgrund des hole-burning im laseraktiven Material höhere Moden durch mode-competition nicht entste hen können.

Aus P 41 01 521.5-33 ist bekannt, daß Mikrokristall-Laser auf mehreren Linien simultan emittieren können, welche mehreren Laserübergängen im laseraktiven Material zugeschrieben werden können. Der Laser emittiert somit auf mehreren Frequenzen gleichzeitig, ohne daß es sich hierbei um höhere Moden handelt, sondern vielmehr um unabhängige Übergänge zwi schen den aufgrund des Stark-Effekts aufgespaltenen Niveaus.

Für eine Vielzahl von Anwendungen wie etwa der kohärenten Meßtechnik und der kohärenten Nachrichtentechnik ist die simultane Emission auf meh reren Laserlinien störend und unerwünscht.

Aus P 42 18 532.7 ist weiter ein Verfahren bekannt, mit Hilfe dessen durch Feinänderung der Resonatorlänge durch thermische Stabilisierung auf eine bestimmte, feste Temperatur die Emission von mehreren simultanen Fre quenzen vermieden werden kann.

Durchstimmbare single-frequency-Laser sind von besonderer Bedeutung zum Beispiel für die kohärente Meß- und Nachrichtentechnik.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrokristall- Laser so auszuführen, daß single-mode-Emission auf nur einer Laserlinie erfolgt, welche aber zusätzlich über einen bestimmten Frequenzbereich durchstimmbar ist, ohne daß hierbei weitere Laserlinien auftreten können.

Diese Aufgabe wird durch eine geeignete Dimensionierung des Laserkristal les gemäß den in Anspruch 1 sowie den folgenden Ansprüchen formulierten Kriterien in überraschend einfacher Weise gelöst.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die oben genannten Referenzzitate nicht ausreichend. Vielmehr müssen zusätzlich zu der dort beschriebenen Maxi mallänge des Mikrokristall-Resonators weitere Bedingungen erfüllt werden, welche nicht aus dem Stand der Technik abgeleitet werden können. Diese Bedingungen und Einzelheiten der Erfindung sind in den Ansprüchen dieser Anmeldung genannt und werden in der Beschreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a schematisch einen monolithischen Mikrokristall-Laser,

Fig. 1b schematisch einen halbmonolithischen Mikrokristall-Laser,

Fig. 2 eine Darstellung des Abstimmbereiches im Verstärkungsprofil,

Fig. 3 den Fall mit zwei Verstärkungsprofilen,

Fig. 4 die Abstimmbereiche unter verschiedenen Kriterien,

Fig. 5 den Gegenstand von Fig. 4 bei Abstimmung über eine Doppelli nie,

Fig. 6 eine Darstellung der Resonator-Moden bei einem halbmonolithi schen Nd-YAG-Resonator,

Fig. 7 eine Darstellung der Resonator-Moden bei einem monolithischen Nd-YAG-Resonator.

Mikrokristall-Laser sind in den letzten Jahren intensiv untersucht worden, insbesondere unter dem Aspekt des Pumpens mit Halbleiter-Laserdioden. Dies hat den Vorteil sehr hoher Effizienz durch den spektralen wie auch den räumlichen Überlapp von Pumplichtspektrum und Absorptionsspektrum des laseraktiven Ions einerseits und Resonatormodenvolumen und Pumplichtvo lumen andererseits. Die Mikrokristall-Laser sind hierbei meist entweder mo nolithisch ausgeführt (Fig. 1a), was bedeutet, daß beide Laserspiegel 2, 3 direkt auf das laseraktive Material 1 aufgedampft sind, oder aber halbmo nolithisch (Fig. 1b) in dem Sinne, daß einer der beiden Spiegel auf den La serkristall 1 der Länge l_o aufgebracht ist, die Gegenseite jedoch antireflek tierend (4) beschichtet ist, so daß diesem Kristall ein externer Spiegel 5 zu geordnet ist, wobei zwischen externem Spiegel und Laserkristall 1 . . . s weitere intracavity-Elemente der Länge l_l . . . l_s wie Frequenzverdopplungskristall 6 oder piezoelektrische Aktoren 7 eingebracht werden können. Mikrokristall- Laser mit zwei externen Spiegeln sind ebenso bekannt, haben jedoch ledig lich für labormäßige Untersuchungen eine Bedeutung und sind für industriel len Einsatz selten realisiert.

Aufgrund der geringen Dimensionen und der Tatsache, daß ein großer Teil des Resonators durch das laseraktive Medium ausgefüllt ist, machen sich Temperaturänderungen des Resonators und die hieraus folgende Längenän derung des optischen Weges im Resonator bereits stark bemerkbar in Bezug auf das spektrale Emissionsverhalten des Lasers.

Die optische Länge des Resonators kann geschrieben werden im Falle mo nolithischer Resonatoren als

mit
l_o = mechanische Länge des Kristalles bei der Temperatur T = 0°C (zur Vereinfachung der Darstellung sind alle Formeln bezo gen auf Konstanten, welche bei T = 0°C normiert sind. Für die üblichere Darstellung, gemäß der alle Konstanten bei T = 25°C definiert sind, muß T ersetzt werden durch T′= T+25°),
α = der thermische Ausdehnungskoeffizient,
n_o= der Brechungsindex und
= die Änderung des Brechungsindexes mit der Temperatur.

Analog kann für einen halbmonolithischen Resonator, bei dem ein Spiegel 4 direkt auf den Kristall 1 aufgebracht ist, oder einem externen Resonator, wobei in beiden Fällen der Resonator aus s Komponenten zusätzlich zum Laserkristall der Länge l_o (Fig. 1b) besteht, geschrieben werden

mit l_i, α_i und n_i den entsprechenden Größen für die i-te Komponente.

Unter Vernachlässigung von Termen, die ein Produkt von α und enthal ten, kann die thermische Längenänderung geschrieben werden zu

Unter Verwendung der Beziehung

("round" bezeichnet das Runden auf die nächstliegende ganze Zahl) wobei l_o opt definiert ist für T in der Nähe von 0°C (1. Näherung), λ_o die zentrale Wellenlänge des Verstärkungsprofiles bezeichnet, über welches durchge stimmt werden soll, und unter der Abnahme ohne Einschränkung der Allge meinheit, daß für eine Abstimmung über einen beschränkten Temperaturbe reich ohne Modensprünge gilt

kann die thermisch induzierte Änderung der Resonatorfrequenz für mono lithische Resonatoren geschrieben werden zu

und für halbmonolithische Resonatoren zu

Single-mode-Emission des Lasers kann nun bekanntermaßen dadurch erzielt werden, daß die Temperatur des Resonators so gewählt wird, daß die Reso natormoden derart verschoben werden, daß nur noch eine einzige Resona tormode in den Bereich der Verstärkung des laseraktiven Mediums fällt, im Bereich der unerwünschten Laserübergänge dagegen keine Resonatormode zu liegen kommt (s. hierzu P 42 18 532.7).

Der Modenabstand ΔM läßt sich für monolithische Resonatoren schreiben zu

und zu

für externe oder halbmonolithische Resonatoren.

Um nun den Laser über einen Abstimmbereich A abstimmen zu können, oh ne daß weitere Laserübergänge oder auch Resonatormoden anschwingen können, sind eine Reihe von Bedingungen zu erfüllen.

Diese sind im folgenden als K1 bis K5 bezeichnet.

Die Bedingungen lassen sich auch so umschreiben, daß eindeutige Grenzen für die Länge des Mikrokristalles selbst gegeben sind. Im folgenden werden diese als K1M-K5M für monolithische Resonatoren und als K1HM bis K5HM für halbmonolithische oder externe Resonatoren bezeichnet.

Die erste Bedingung lautet

oder anders geschrieben

bzw.

mit
l_o = geometrische Resonatorlänge,
λ_o = Zentralwellenlänge des Verstärkungsprofiles, innerhalb des sen durchgestimmt werden soll und
δλ_o = spektrale Breite dieses Profiles bei systembedingter Schwelle, gefaltet mit dem thermischen Shift der Linienmitte λ_o (resultierende Verstärkungsbandbreite).

Dies ist in Fig. 2 dargestellt und besagt, daß über den gewünschten Ab stimmbereich A keine weitere Resonatormode in den Bereich des gewünsch ten Verstärkungsprofiles λ_o ± fällt.

Um zu verhindern, daß nun über den Abstimmbereich keine weiteren La serübergänge anschwingen können, muß die Resonatorlänge zusätzlich die folgenden Bedingungen erfüllen:

ΔM_k A + δλ_k (K2)

[F(B_k)+1] · ΔM_e H_k (K3)

F(B_k) · ΔM_e G_k (K4)

mit ΔM_e als dem "effektiven" Modenabstand, definiert durch den Quotienten der Differenz der Resonator-Wellenlänge |λ_or - λ_kr| und der Anzahl der Moden in diesem Intervall, wobei häufig ΔM_e näherungsweise identisch ist mit ΔM₀;
entsprechend geschrieben für monolithische Resonatoren

und für halbmonolithische bzw. externe Resonatoren

sowie einem fünften Kriterium, welches lediglich für Fälle von Bedeutung ist, bei denen die Verstärkungsprofile nahe beieinander liegen, und welches geschrieben werden kann

ΔM_o A + δλ_k für λ_k < λ_o (K5)

und entsprechend für monolithische und halbmonolithische Resonatoren zu

mit
λ_k = der Zentralwellenlänge des k-ten Verstärkungsprofiles, in nerhalb dessen keine Resonatormode liegen soll, und
δλ_k = der spektralen Breite (definiert wie δλ_o) desselben.

Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht für den Fall k=1 sowie λ_k < λ_o; alle an deren Fälle sind hierzu analog.

Die in obigen Kriterien angegebenen Funktionen und Konstanten sind hier bei definiert wie folgt (P1-P11):

("trunc" bedeutet das Abrunden zur nächsten ganzen Zahl)

Die Resonatorlänge muß nun so gewählt sein, daß obige Kriterien K1-K5 erfüllt sind. Fig. 4 veranschaulicht dies für den Fall eines monolithischen Nd:YAG-Mikrokristall-Lasers, dessen Kristall-Länge auf der X-Achse auf getragen ist und der mögliche maximale Abstimmbereich auf der Y-Achse. Die obere Kurve bezeichnet nun den maximalen Abstimmbereich für den Fall, daß nur ein Laserübergang vorhanden wäre, somit also nur Kriterium K1 erfüllt wäre, und die untere Kurve bezeichnet den realen Fall, daß drei mögliche Laserübergänge bei 1064.41 ± 0.3 nm, 1064.95 ± 10.25 nm und 1061.8 ± 10.25 nm vorhanden sind, wobei die letzteren beiden unterdrückt und über den ersteren durchgestimmt werden soll.

Da Nd:YAG die Besonderheit aufweist, daß sich die Verstärkungslinien bei 1064.4 nm ± 10.3 nm und 1064.95 ± 10.25 nm überlappen (A-Linie und A′- Linie), kann bei entsprechender Wahl der Resonatorlänge auch eine einfre quente Abstimmung über diese Doppellinie bei gleichzeitiger Unterdrückung der Nebenlinie bei 1061.8 ± 10.25 nm vorgenommen werden. Dies ist in Fig. 5 verdeutlicht.

Neben der Wahl der geeigneten Resonatorlänge ist eine Feinabstimmung der Resonatorlänge erforderlich, welche durch z. B. piezoelektrische Aktoren im Falle halbmonolithischen Aufbaues vorgenommen werden kann; eine be sonders einfache Feinabstimmung der Resonatorlänge sowohl im Falle mo nolithischen wie auch halbmonolithischen Aufbaues kann dadurch erzielt werden, daß die Resonatortemperatur geeignet eingestellt und stabilisiert wird.

Hierbei kann auch über die Temperaturänderung eine Abstimmung des La sers vorgenommen werden.

Die Anfangstemperatur für den Abstimmvorgang bei Abstimmung von klei nerer zu größerer Wellenlänge ist hierbei bei n zu unterdrückenden Neben linien zu wählen gemäß

die Endtemperatur gemäß

so daß insgesamt ein Temperaturbereich von

zur Abstimmung überstrichen werden muß. (Jeweils unter Beachtung, daß hier To=0°C angenommen ist; bei To=25°C muß T entsprechend um 25°C erhöht werden.)

Durch eine etwas andere Wahl der Starttemperatur kann ein solcher Laser auch gütegeschaltet werden. Hierzu ist notwendig, daß gilt

für monolithische Laser resp.

für halbmonolithische Laser mit Luftspalt l_s und Brechungsindex n_s im Spalt.

Die Temperatur ist nun so zu wählen, daß die Resonator-Wellenlänge gera de an den Grenzen der Verstärkungsbandbreite zu liegen kommt, d. h.

Somit ist die Temperatur des Resonators so zu wählen, daß für monolithi sche Resonatoren gilt

und für einen halbmonolithischen Laser mit Luftspalt

wobei für single-frequency-Betrieb l^opt so zu wählen ist, daß zusätzlich die Kriterien K3, K4 und 5 erfüllt sind (K1 und K2 sind dies trivialerweise für den üblichen Fall, daß δ<Σ ∞<ο<≧Σ ∞< ≦λτ λ_k).

Wird der Mikrokristall-Laser nun auf diese Temperatur stabilisiert und wird die Resonatorlänge zusätzlich im Bereich einiger zehntel Mikrometer vari iert, so wird die Resonatormode gerade über die Grenze des Verstärkungs bereiches geschoben, das heißt, daß der Laser im einen Zustand gerade nicht emittieren kann, da die Resonatormode außerhalb des Verstärkungsberei ches liegt, und im anderen Zustand die Mode gerade in den Verstärkungsbe reich fällt, so daß der Laser emittieren kann. Auf diese Weise kann im er sten Zustand eine hohe Inversion im Laserkristall aufgebaut werden, ohne daß stimulierte Emission entstehen kann, um im zweiten Zustand dann in Form eines kurzen Pulses mit hoher Pulsleistung abgerufen zu werden. Auf grund, der kurzen Resonatorlängen ist hier mit sehr kurzen Pulsen zu rech nen, wie z. B. Zayhowski et. al. in Optics Letters, Vol. 17 No. 17, 1. Sep tember 1992, 5. 1201ff nachgewiesen hat, wobei hier die Güteschaltung jedoch durch Ankoppelung eines externen Resonators erfolgt ist.

Die oben genannte zusätzliche Längenmodulation kann zum einen wiederum über die Temperatur erfolgen, jedoch dürften für die meisten Anwendungen die Schaltzeiten hierbei zu lange sein, so daß auf andere Anordnungen zu rückzugreifen ist, so etwa bei halbmonolithischem Aufbau die Verwendung piezoelektrischer Aktoren oder im monolithischen Falle die Verwendung von elektrostriktiven oder ferroelektrischen Materialien, welche mit laserak tiven Ionen dotiert sind.

Fig. 6 veranschaulicht diesen Zusammenhang im Falle eines halbmonolithi schen Nd:YAG-Resonators mit 100 µm Luftspalt und Piezoaktuator in Form einer dünnen Polymer-Folie (bspw. PVDF) zwischen Kristall und Spiegel, somit als Komponente des Resonators aufgefaßt ("Sandwich"-Bauweise). Unterhalb einer gewissen Resonatorlänge (hier ca. 480 µm) können Moden (hier als Punkte eingezeichnet für diskrete Längenschritte auf der X-Achse von 0.1 µm) außerhalb der Verstärkungsbandbreiten zu liegen kommen. Die Temperatur T_q ist nun gerade so zu wählen, daß die Resonatormode am Rande des Verstärkungsbereiches zu liegen kommt, so daß durch eine ge ringe Längenvariation der Laser an- und ausgeschaltet werden kann.

Fig. 7 veranschaulicht denselben Zusammenhang für den Fall eines mono lithischen Nd:LiNbO3-Mikrokristall-Lasers.

Claims

1. Verfahren zur Abstimmung eines monolithischen Einfrequenz- Mikrokristall-Lasers, wobei die Länge l_o des Mikrokristalles mit
λ_o = zentraler Wellenlänge des materialspezifischen Laser- Verstärkungsbereiches,
n₀ = Brechungsindex des Lasermateriales,
A = Abstimmbereich und
δλ_o = spektraler Breite des Verstärkungsbereiches
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l_o des Mikrokristalles zusätzlich der Bedingung mit
λ_k = zentraler Wellenlänge des k-ten materialspezifischen Laser- Verstärkungsbereiches, d. h. k-ter Laserübergang,
n_k = Brechungsindex des Lasermateriales bei λ_k,
A = Abstimmbereich und
δλ_k = spektraler Breite des k-ten Verstärkungsbereiches
genügt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l_o des Mikrokristalles den Kriterien genügt, wobei F_a(B_k), H_k und G_k Abschätzungsfaktoren für die Frequenz abstände der Resonatormoden bezüglich der Grenzen der Verstärkungsbe reiche sind.

3. Verfahren zur Abstimmung eines aus s+1 Komponenten bestehenden Mikrokristall-Lasers, bei dem die Länge l_o des Mikrokristalles ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l_o des Mikrokristalles zusätz lich der Bedingung genügt, wobei sich n_k und λ_k auf den k-ten Laserübergang beziehen.

4. Verfahren zur Abstimmung eines Mikrokristall-Lasers, dadurch ge kennzeichnet, daß die Länge λ_k des Mikrokristalles den Kriterien genügt

5. Verfahren zur Abstimmung eines monolithischen oder mehrkomponen tigen Mikrokristall-Lasers gemäß den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Starttemperatur des Resonators T_start für den Ab stimmvorgang gewählt wird gemäß wobei B_n eine Korrektur gemäß den weiteren Laserübergängen k = 1 . . . n ist und die Endtemperatur gemäß gewählt wird, so daß insgesamt ein Temperaturbereich von überstrichen wird, wobei Start- und Endtemperatur auch vertauschbar sind.