DE60110718T2

DE60110718T2 - Kühlung nichtlinearer optischer vorrichtungen

Info

Publication number: DE60110718T2
Application number: DE60110718T
Authority: DE
Inventors: W. Robert BYREN; S. David SUMIDA
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: JP2003521743A; US6330256B1; JP4741148B2; WO2001057590A3; EP1198733B1; WO2001057590A9; DE60110718D1; WO2001057590A2; EP1198733A2; IL145420A0

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kühltechniken für mehrere (zumindest zwei) nichtlineare optische Elemente, die in Lasersystemen verwendet werden, und insbesondere leitfähige flächengekühlte, nichtlineare optische Elemente zur Benutzung in Lasersystemen.
HINTERGRUNDTECHNIK
Der Vorgang der Frequenzumsetzung in einem nichtlinearen Material erzeugt Wärme innerhalb des nichtlinearen Materialmediums aufgrund von Absorption. Diese Hitze muss entfernt werden, falls der Frequenzumsetzer bzw. -wandler bei einer signifikanten Leistung effizient arbeiten soll.
Ein Verfahren zum Entfernen von Wärme in kristallinen Festkörpermaterialien, die in Lasersystemen verwendet werden, besteht darin, die Wärme von den Seiten des Materials abzuführen, in eine Richtung senkrecht zu der Richtung der Laserenergieausbreitung. Das Entfernen der Wärme in Querrichtung verursacht thermische Gradienten in dieser Richtung. Dies verursacht zwei Probleme. Das erste Problem besteht darin, dass thermooptische Spannung und Indexveränderungen thermische Aberrationen verursachen, die den Laserstrahl stören. Das zweite Problem besteht darin, dass bei den meisten Frequenzwandlermaterialien beispielsweise die Temperaturveränderung in eine Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls innerhalb eines sehr schmalen Toleranzbereichs gehalten werden muss. Das Vorhandensein eines thermischen Gradienten in dieser Richtung begrenzt schwerwiegend die Aperturgröße und die Leistungsbelastung, die in dem Lasersystementwurf erlaubt ist.
US-Patent Nr. 5,363,391, mit dem Titel "Conductive Face-Cooled Laser Crystal", erteilt für Steven C. Matthews et al. am 8. November 1994, offenbart und beansprucht Techniken zur passiven Entfernung von Wärme aus einem optischen Element in einem Lasersystem über deren optisch durchlässige Seiten. Wärme wird entfernt über optisch durchlässige wärmeleitende Medien, die benachbart zu den optisch durchlässigen Flächen des optischen Elements angeordnet sind. Wärme wird aus dem optischen Element in einer Richtung parallel zu der Ausbreitungsrichtung der optischen Strahlung geführt, so dass dadurch die Probleme minimiert werden, die mit thermischen Gradienten einhergehen. Vorrichtungen, die optische Elemente verwenden, wie beispielsweise nichtlineare Frequenzwandlerkristalle und Laserkristalle, können die Wärmemanagementlösung einsetzen, um eine bessere Leistung zu erreichen. Wärme wird zu dem wärmeleitenden Medium über direkten Kontakt oder über schmale gasgefüllte Spalte transportiert, die zwischen dem optischen Element und dem wärmeleitenden Medium liegen.
Während das Patent für den gedachten Zweck gut geeignet ist, werden Verbesserungen gesucht, die bestimmte übriggebliebene Probleme überwinden. Insbesondere lehrt das Patent die Benutzung eines herkömmlichen dispersiven Materials als Seiten bzw. Flächen-kühlendes Medium. Wenn zwei oder mehrere Kristalle für eine effiziente Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) beispielsweise verwendet werden, verursacht jedoch das dispersive Medium, dass der Grundstrahl und der Strahl der zweiten Harmonischen außer Phase gelangen (außer Phase mit Bezug zueinander) am Ausgang des flächenengekühlten Mediums. Falls ein zweiter Kristall in der Nähe des flächenkühlenden Mediums platziert wird, kann die beliebige Phase eine Wandlung aus der zweiten Harmonischen zurück in die Grundschwingung verursachen, was die Wirksamkeit des SHG-Prozesses reduziert. Dieses Problem wurde bei früheren Mehrkristall-Testvorrichtungen überwunden, indem die dispersive Natur von Luft verwendet wurde, um die Grundschwingung und die zweite Harmonische wieder in Phase zu bringen. Dieser Lösungsweg erfordert jedoch das Trennen der flächengekühlten Kristallmodule durch einen Luftpfad, der sich für jedes individuelle Produkt unterscheidet, was Platz benötigt (viele Zentimeter zusätzlicher Strahlpfadlänge) und die Herstellung komplexer macht (aktive Einstellung der Kristallabstände).
Somit gibt es einen Bedarf für ein flächenkühlendes Verfahren, wie es beispielsweise im US-Patent 5,363,391 gelehrt wird, allerdings zur Verwendung mit mehreren nichtlinearen Kristallformaten, die hauptsächlich für die Erzeugung der zweiten Harmonischen eingesetzt werden, ohne die Notwendigkeit eines Luftpfads zwischen den Kristallen zum erneuten Inphasebringen.
Eine optische Vorrichtung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist, wurde in EP-A-919 852 beschrieben. Jedes Fenster in den optischen Vorrichtungen, die in EP-A-919 852 offenbart sind, umfasst einen doppelbrechenden Kristall, beispielsweise Saphir, der geschnitten und ausgerichtet ist, so dass es eine Weglauf-Korrektur gibt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das im US-Patent 5,363,391 gelehrte flächenkühlende Verfahren mit mehreren nichtlinearen Kristallformaten verwendet, die hauptsächlich für die Erzeugung der zweiten Harmonischen genutzt werden, ohne die Notwendigkeit für einen Luftpfad zum erneuten Inphasebringen zwischen den Kristallen. Ein oder mehrere doppelbrechende Kristalle werden geschnitten und ausgerichtet, derart, dass es keine Streuung zwischen der Grundwellenlänge und der zweiten Harmonischen-Wellenlänge innerhalb jedes Kristalls gibt. Die doppelbrechenden Kristalle werden dann in einem wärmeleitenden Gehäuse untergebracht, zwischen zwei oder mehreren nichtlinearen Kristallen liegend, und werden als flächenkühlendes Medium eingesetzt. Die Mehrkristallanordnung kann ferner zwischen optisch durchlässigen Fenstern liegen, die nicht-doppelbrechend oder nicht-dispersiv sein müssen, wobei die Fenster verwendet werden, um die äußersten nichtlinearen Kristalle zu schützen und/oder zusätzliche Flächenkühlung bereitzustellen. Dies führt dazu, dass die in den nichtlinearen Kristallen erzeugte Wärme durch Absorption im Bereich der Grundwellenlänge und der zweiten Harmonischen-Wellenlänge in Längsrichtung (in Richtung der Strahlausbreitung) in das flächenkühlende Medium fließt und damit jeglichen thermischen Gradienten in den nichtlinearen Kristallen in Querrichtung minimiert und somit den einhergehenden Verlust durch Außerphasebringen. Die Kristalle können trocken gestapelt sein mit einem sehr schmalen gasgefüllten Spalt, wie im US-Patent 5,363,391 gelehrt, eingetaucht in einer Flüssigkeit oder einem Gel mit geeignetem Brechungsindex, verbunden bzw. gebondet mit geeignetem optischen Zement, optisch kontaktiert oder miteinander diffusionsgebondet, um ein Komposit-Kristall zu bilden. Beispielsweise wird MgF₂ in einem spezifischen Fall verwendet, aber die Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes Medium beschränkt. Andere geeignete Kandidaten sind aufgelistet, obgleich diese Liste nicht in irgendeiner Weise erschöpfend ist.
Insbesondere wird eine optische Vorrichtung zur Verwendung in einem Lasersystem bereitgestellt, wobei die optische Vorrichtung aufweist:

(a) ein wärmeleitendes Gehäuse;
(b) zumindest zwei nichtlineare optisch durchlässige optische Elemente mit einer ersten und einer zweiten Fläche, die in dem wärmeleitenden Gehäuse angeordnet sind, um Laserenergie in eine Richtung zu leiten, die im Wesentlichen schräg zur Ebene der ersten und der zweiten Oberfläche ist;
(c) zumindest ein doppelbrechendes optisch durchlässiges Fenster, das geschnitten und ausgerichtet ist, derart, dass es keine Dispersion zwischen den optischen Feldern gibt, die bei der nichtlinearen Interaktion beteiligt sind, die innerhalb der nichtlinearen optischen Elemente auftritt, und das eine optisch durchlässige Wärmesenke besitzt, wobei jedes Fenster benachbart zu jedem nichtlinearen optischen Element angeordnet ist, so dass jedes doppelbrechende Fenster zwischen zwei nichtlinearen optischen Elementen liegt; und (optional)
(d) ein oder zwei optisch durchlässige Fenster, die optisch durchlässige Wärmesenken aufweisen können, wobei jedes Fenster benachbart zu den freigelegten Flächen der äußersten nichtlinearen optischen Elemente angeordnet ist (die äußeren Fenster müssen nicht doppelbrechend sein oder für eine Nicht-Dispersion ausgerichtet sein).

Wärme, die in den optischen Elementen erzeugt wird, wird passiv zu den optisch durchlässigen Fenstern in eine Richtung geleitet, die im Wesentlichen parallel zu der Ausbreitungsrichtung der Laserenergie ist, und dann zu dem Gehäuse durch die optisch durchlässigen Fenster.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen Teil eines optischen Systems, das eine leitende Flächenkühlung in einer bekannten Struktur aufweist;
2 ist ein Diagramm, wobei die Koordinaten Brechungsindex und Winkel sind, der Berechnung von n_e(θ) für MgF₂ als Funktion des Winkels θ, bei der Yb:YAG-Wellenlänge von 1029 nm;
3 ist ein schematisches Diagramm, das die MgF₂-Kristallgeometrie zeigt, wobei die C-Achsenausrichtung mit Bezug auf den Eingangspumpstrahl angezeigt ist; und
4 ist eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen nichtlinearen optischen Mehrkristall-Vorrichtung, die leitend flächengekühlt ist.
DIE BESTEN MODI ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nichtlineare Hochleistungswandler, insbesondere zur Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), die im Stand der Technik auch als Frequenzverdoppler bezeichnet werden, waren das Objekt beträchtlicher Entwicklung. SHG ist nützlich zur Umwandlung des nahen Infrarotausgangs von Festkörperlasern in den sichtbaren oder nahen UV-Bereich des Spektrums, bei dem kompakte effiziente und verlässliche Grundlaserquellen nicht existieren. Eine sehr aktuelle Anwendung ist die Satellitenabbildung vom Boden, was am Besten mit frequenzverdoppelnden Nd:YAG oder Yb:YAG-Lasern gemacht wird (YAG ist Yttriumaluminiumgranat). Glücklicherweise gibt es nun eine Anzahl von sehr robusten nichtlinearen Kristallen, die eine gute Umwandlung nach grün liefern, mit minimaler Absorption.
Die Tabelle I listet die Eigenschaften dreier möglicher Kristalle für diese Anwendungen auf, die die Überlegenheit von Lithiumtriborat (LiB₃O₅ oder LBO) für einen Betrieb bei moderater Durchschnittsleistung (>50 W), geringem Weglaufwinkel, einem hohen nichtlinearen Koeffizienten, breitem Annahmewinkel und guter Übertragung (es wird angenommen, dass es vergleichbar mit β-Bariumborat (β-BaH₂O₄ oder BBO) ist, aber nicht gemessen wurde) zeigt. Für die nachfolgenden Analysen ist der Typ I phasenangepasste LBO als Kristall der Wahl angenommen, der erfordert, dass das Grundfeld und das Feld der zweiten Harmonischen orthogonal polarisiert sind. In Tabelle I ist KTP Kaliumtitanylphosphat, KTiOPO₄. Tabelle I. Eigenschaften der möglichen SGH-Materialien für eine leistungsmoderate Umwandlung von 1 μm
In den späten achtziger Jahren brachte Hughes Aircraft Company (eine Rechtsvorgängerin der vorliegenden Anmelderin) eine neue Lösung zur Entfernung von Hitze, die durch Absorption des Grundstrahls und/oder des Strahls der zweiten Harmonischen innerhalb eines nichtlinearen Kristalls erzeugt wurde, indem eine leitende Kühlung durch die Flächen benutzt wurde, die senkrecht zu dem Strahl waren, in einem hoch leitenden Kristall, wie beispielsweise Saphir. Dies hatte den Vorteil, dass der Wärmefluss in Längsrichtung durch den nichtlinearen Kristall gefördert wurde. Längsgerichtete Gradienten verursachen ein Viertel des Aus-der-Phase-Bringens der seitlichen Gradienten, und für mehrere Kristalle summiert sich das Aus-der-Phase-Bringen nicht. Die mit dem Aus-der-Phase-Bringen bei hoher Durchschnittsleistung einhergehenden Probleme bei nichtlinearen Prozessen sind in der Literatur gut beschrieben und werden hier nicht wiederholt; vgl. beispielsweise D. Eimerl, "High Average Power Harmonic Generation", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-23, No. 5, Seiten 575–592 (Mai 1987). Zu dieser Zeit wurde über ein Diffusionsbonden ungleicher Kristalle nicht nachgedacht; deshalb waren die Kühlkristalle und die nichtlinearen Kristalle physisch getrennt, und der Wärmeleitpfad verlief durch einen schmalen stagnierenden gasgefüllten Spalt zwischen den Kristallen.
1 zeigt einen leitenden flächengekühlten Kristall, wie er im US-Patent Nr. 5,363,391 offenbart und beansprucht ist. Insbesondere zeigt 1 einen Abschnitt eines Lasersystems 10, der ein Kristall 12 aufweist, das in einem Aluminium oder einem anderen Metallgehäuse 14 gesichert ist. Der Kristall 12 kann einen nichtlinearen Frequenzwandlerkristall aufweisen. Das Gehäuse 14 kann auch aus wärmeleitenden Materialien anders als Metall gefertigt sein. Die Richtung der Laserausbreitung ist durch Pfeile 16 dargestellt.
Der Kristall 12, der ein nichtlinearer Kristall zur Harmonischenerzeugung sein kann, wie beispielsweise ein KTiOPO₄ (KTP)-Kristall, wird gekühlt, indem eine Wärmeleitung zu einem benachbarten Wärmeleitmedium 18 über optische Flächen 12a benutzt wird, die dessen klare Öffnung bilden. Ein typisches wärmeleitendes Medium 18 kann beispielsweise optische Saphirfenster umfassen. Die Wärme wird (wie durch Pfeile dargestellt) zu dem wärmeleitenden Medium 18 übertragen über einen direkten Kontakt, wobei der Kristall 12 in Kontakt mit benachbarten Flächen 18a jedes der wärmeleitenden Medien 18 gebracht wird.
Alternativ kann Wärme, wie aktuell demonstriert wurde, durch einen schmalen gasgefüllten Spalt 20 übertragen werden, der zwischen den optischen Flächen 12a und jedem der benachbarten wärmeleitenden Medien 18 angeordnet ist. Der gasgefüllte Spalt 20 hat typischerweise eine Dicke im Bereich von 0,0025 Inch. Das in dem Spalt 20 verwendete Gas kann Luft oder Stickstoff sein oder jedes andere geeignete transmissive Gas, abhängig von der Laserbetriebsumgebung. Der Spalt 20 kann gebildet werden, indem ein O-Ring, ein dielektrischer Abstandhalter oder eine Ausgleichsscheibe 20 zwischen dem Kristall 12 und dem wärmeleitenden Medium 18 platziert wird. Der dielektrische Abstandshalter 22 kann gebildet werden, indem ein dünner Film auf die Oberfläche des wärmeleitenden Mediums 18 aufgebracht wird. Der Kristall 12 ist von dem Gehäuse 14 thermisch isoliert, wie in 1 gezeigt, über Spalte 24 zwischen der oberen und der unteren Kante des Kristalls 12 und den benachbarten Bereichen des Gehäuses 14.
Zur gleichen Zeit, zu der Hughes Aircraft Company das zuvor beschriebene leitende Flächenkühlungskonzept entwickelt hat, wurden eine Vielzahl von Mehrkristallformaten für SHG untersucht, einschließlich Tandem, Quadratur und abwechselnd umgekehrte Kristallachsen (ARCA oder Alternierend-Z), die sich in der Ausrichtung der Kristallachsen der aufeinanderfolgenden Kristalle unterschieden. Die Theorie hinter Mehrkristallformaten ist gut in der Literatur beschrieben und muss nicht wiederholt werden; siehe beispielsweise V.D. Volosov et al., "Suppression of Degenerate Parametric Processes Limiting Frequency Doubling Efficiency of Crystals", Soviet Journal of Ouantum Electronics, Vol. 6, No. 10, Seiten 1163–67 (Oktober 1976); L.D. Siebert et al., "Multiple-crystal High-efficiency Frequency Conversion for Long-pulse Lasers", Technical Digest, Conference on lasers and Electro-optics, Seite THK26 (1987); und M.A. Norton et al., "KD*P Frequency Doubler for High Average Power Applications", SPIE Vol. 1223 Solid State Lasers, Seiten 75–83 (1990). Bei diesen Schemata war es notwendig, ein Verfahren zum Neu-in-Phase-Bringen des zweiten harmonischen Felds mit dem Grundfeld zu entwickeln, um eine gute Umwandlung innerhalb der aufeinanderfolgenden Kristalle zu gewährleisten. Ein Saphirkühlkristall hatte beispielsweise eine Streuung zwischen 1,06 μm und 1,54 μm von 2 π Rad pro 62 μm der Kristalllänge. Anders als der Versuch, das Kristall präzise zu fertigen, um ihm eine Länge zu geben, die ein ganzteiliges Vielfaches von 62 μm ist, haben die Entwickler einen Luftpfad zwischen den SHG-Modulen hinzugefügt, der die Streuung in den Kühlkristallen versetzt (Luft hat eine Streuung von 2 π/12,1 cm, und es ist viel einfacher, den Abstand zwischen Modulen für diese Toleranz zu steuern). Das Problem bestand darin, dass der erforderliche Luftpfadabstand irgendwo zwischen 0 cm und 12,1 cm sein konnte, was im Labor sehr einfach einzustellen und fein abzustimmen war, aber beim Entwurf kompakter produzierbarer Hardware ein wirkliches Problem darstellte. Während es möglich ist, die Dicke des Saphirs auf Mikrometertoleranzen zu bearbeiten, ist dies teuer und etwas temperaturempfindlich. Für Laser mit mittlerer Leistung ist es wünschenswert, viele nichtlineare Kristallsegmente zu verwenden, um die thermische Belastung aufzuteilen und die Längsgradienten zu minimieren. Dies ist nicht praktikabel bei einem In-Phase-Bringen durch Luftpfad, und verursacht ein Toleranzproblem mit der Kühlkristall-Dickensteuerung-Lösung.
Die vorliegende Erfindung verringert die Notwendigkeit nach individuell abgestimmten Luftpfaden und präziser Dickensteuerung durch Verwendung eines Kristalls zur Seitenkühlung, das nicht-dispersiv ist zwischen der Grundwellenlänge und der zweiten Harmonischen-Wellenlänge, so dass gewährleistet wird, dass die zwei Felder in Phase bleiben, unabhängig von der Länge des flächen- bzw. seitengekühlten Kristalls.
Dieser Lösungsweg kann verwendet werden, um die Laserstrahlung einer Festkörper-Laservorrichtung im nahen Infrarotbereich zu verdoppeln, um einen mit hoher Helligkeit (>50 Watt Durchschnittsleistung, <2 mal beugungsbeschränkte Strahlqualität) sichtbaren Strahl zu erzeugen. Dieser Lösungsweg ist deshalb beispielsweise anwendbar zur Satellitenabbildung und Laserkommunikation, wo ein Betrieb mit kurzer Wellenlänge vorteilhaft ist, und einer Vielzahl von Marineanwendungen, die blaugrünes Licht für eine Ausbreitung im Ozean benötigen. Dieser Lösungsweg kann ebenfalls für andere nichtlineare Prozesse in Kristallen verwendet werden, die eine optische parametrische Oszillation (OPO) und eine optische parametrische Verstärkung (OPA) umfassen, die durch Verwendung von seitenkühlenden und Mehrkristallformaten verbessert werden. Dieser Lösungsweg ist deshalb anwendbar, beispielsweise bei chemischer, biologischer Erfassung, durch Nutzung einer Differenzabsorption und Streuung im Infrarot- und laserinduzierten fluoreszierenden Spektroskop im nahen UV-Bereich, der eine Wellenlängenabstimmung erfordert.
Die vorliegende Erfindung löst das zuvor erwähnte Problem des erneuten In-Phase-Bringens durch Reorganisation der Tatsache, dass bestimmte doppelbrechende Kristalle geschnitten und ausgerichtet werden können, derart, dass die Dispersion zwischen zwei harmonischen optischen Feldern auf null gebracht werden kann. Der Schlüsselvorteil bei einem nicht-dispersiven optischen Element, wie es hier offenbart ist, besteht darin, dass die Dickentoleranz vollständig gelockert ist, was zu einem viel einfacheren und billigeren Design führt, das einfach herstellbar und umsetzbar ist. Dies steht im Gegensatz zu der bekannten Lösung, die Saphir und Luft verwendet, wo der Luftpfadabstand speziell einen bestimmten Wert haben musste, um exakt das Aus-der-Phase-Bringen der Strahlen bei ihrem Durchlauf durch den Saphir zu kompensieren.
Eine Diskussion im Detail des spezifischen Falls einachsiger Kristalle, die eine einheitliche optische Achse (die so genannte C-Achse) haben, folgt nun, um die vorliegende Erfindung in einer einfachen und klaren Weise zu zeigen. Zweiachsige Kristalle (n_x ≠ n_y ≠ n_z) sind ebenfalls mögliche Kandidaten, sind allerdings komplexer und werden kurz am Ende dieses Abschnitts erläutert.
Es gibt zwei Typen von einachsigen Kristallen, abhängig davon, ob n_e größer als oder kleiner als n_o ist, wobei n_o der ordentliche Brechungsindex bei einer vorgegebenen Wellenlänge und n_e der extreme außerordentliche Brechungsindex bei dieser Wellenlänge ist (bei einer Ausbreitung rechtwinklig zu der C-Achse). Ein positiv einachsiger Kristall besitzt ein n_e größer als n_o, und ein negativer einachsiger Kristall besitzt ein n_e kleiner als n_o. Diese zwei Fälle definieren zwei unterschiedliche Bedingungen für Nicht-Dispersion, wobei die nachfolgenden Terme für unterschiedliche Brechungsindizes wie nachfolgend in Tabellen II und III definiert sind:
Die "+" und "–" Zeichen betreffen den positiven bzw. den negativen einachsigen Fall. Um nun eine Anpassung des Brechungsindex der Grundfrequenz, ω, auf die zweite Harmonische Frequenz, 2ω, auszuführen (d.h. eine Nullstreuung), muss der geeignete Ausbreitungswellenvektor in Bezug auf die optische Achse so gewählt werden, dass der resultierende Brechungsindex n_e (θ) identisch ist zu dem gewöhnlichen Brechungsindex für die andere Frequenz. D.h. dass der ordentliche Brechungsindex für eine Frequenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Brechungsindex der anderen Frequenz liegen muss, oder wenn man die obere Notation verwendet, folgt dann: no +(ω) < no +(2ω) < ne +(ω) POSITIV EINACHSIG no –(2ω) < no –(ω) < ne –(2ω) NEGATIV EINACHSIG
Der Ausbreitungswinkel mit Bezug auf die Kristall-C-Achse, die notwendig ist, um eine Nulldispersion zu liefern, wird wie folgt berechnet, wobei θ der Ausbreitungswinkel und n_e(θ) der Index eines außerordentlichen Strahls bei diesem Winkel ist.
Der Ausbreitungswinkel wird so definiert, dass, wenn der Strahlausbreitungswellenvektor parallel zu der optischen Achse ist, θ = 0° und n_e(0°) = n_o ist, und wenn der Wellenvektor rechtwinklig zu der optischen Achse ist, θ = 90° und n_e(90°) = n_e ist.
Ein anderer Weg, dieses Kriterium auszudrücken, besteht dann, wenn die Dispersion des ordentlichen Brechungsindexes geringer ist als die Doppelbrechung für die Grundfrequenz im Fall des positiven einachsigen Kristalls und umgekehrt für den negativen einachsigen Fall, wie in den folgenden Gleichungen notiert: no +(2ω) – no +(ω) < ne +(ω) < – ne +(ω) POSITIV EINACHSIG no –(2ω) – no –(ω) < no –(2ω) – ne –(2ω) NEGATIV EINACHSIGwobei die linke Seite der dispersionsbezogene Brechungsindexunterschied ist und die rechte Seite die Doppelbrechung bei der spezifizierten Frequenz ist. Nach Beseitigung der allgemeinen Terme in den Gleichungen wird nun die Nicht-Dispersionseigenschaft in einachsigen Kristallen durch die nachfolgenden einfachen Ungleichungen ausgedrückt: no +(2ω) < ne +(ω) POSITIV EINACHSIG no –(ω) > ne –(2ω) NEGATIV EINACHSIG
Wenn der extreme außerordentliche Brechungsindex für die Grundfrequenz größer ist als der ordentliche Brechungsindex für die doppelte Frequenz in einem positiven einachsigen Kristall, wird dann das Kristall arbeiten wie ein nicht-dispersives bzw. nicht-streuendes optisches Element (d.h. phasenerhaltend) entsprechend der vorliegenden Lehre. In gleicher Weise, wenn der ordentliche Brechungsindex für die Grundfrequenz größer ist als der extreme außerordentliche Brechungsindex für die doppelte Frequenz in einem negativen einachsigen Kristall, wird der Kristall dann nicht-dispersiv sein. Verschiedene positive und negative einachsige Kandidaten sind in den Tabellen IV bzw. V aufgelistet, die das Nicht-Dispersionskriterium erfüllen und den üblichen Nd:YAG-Laser beispielsweise verwenden (d.h. eine Grundwellenlänge von 1,064 μm und eine doppelte Wellenlänge von 532 nm).
Anmerkung: Werte sind aus CRS Handbook of Laser Science and Technology, Vol. V, Part 3, (CRC Press, 1987); CRC Handbook of Laser Science and Technology, Supplement 2: Optical Materials (CRC Press, 1995); und P.A. Studenikin et al., "GdVO₄ as a New Medium for Solid-state Lasers: Some Optical and thermal Properties of Crystals Doped with Cd3+, Tm3+ and Er3+ ions", Ouantum Electronics, Vol. 25, No. 12, Seiten 1162–1165 (1995).
In Tabelle IV ist MgF₂ Magnesiumfluorid, YLiF₄ Yttriumlithiumfluorid, GdVO₄ Gadoliniumvanadat, und YVO₄ Yttriumvanadat. In Tabelle V ist LiNbO₃ Lithiumniobat und NYAB Neodymyttriumaluminiumborat.
PbMoO₄ (Bleimolybdat) kann ein anderer negativer einachsiger Kandidat sein, allerdings macht die unvollständige Liste der Brechungsindizes im CRC Handbook of Laser Science and Technology diese Bestimmung momentan unmöglich. Es ist anzumerken, dass das bekannte Material, Saphir (Al₂O₃), ein negatives einachsiges Kristall ist, dessen Brechungsindizes dieses Nicht-Dispersionskriterium erfüllen und somit bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht nützlich ist. Saphir wäre ein geeignetes Material, allerdings für die optionalen äußersten Fenster, da das Neu-in-Phase-Bringen kein Erfordernis ist.
Sind die möglichen Kristalle für das nicht-dispersive Fenster gegeben, ist der nächste Punkt die Fähigkeit, den SHG-Kristall adäquat flächenzukühlen. Somit ist ein Hauptparameter in dieser Hinsicht die thermische Leitfähigkeit, und die zuvor erwähnten nichtlinearen Kristalle werden hinsichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeitswerte in Tabelle VI geordnet. Tabelle VI. Thermische Leitfähigkeitswerte
Wie Tabelle VI zeigt, ist MgF₂ der beste Kandidat, durch dessen hohe thermische Leitfähigkeit, die größer ist als die von YAG und nur 3 mal geringer als die von Saphir.
Bei der vorgegebenen Kristallauswahl ist es nun möglich, den Ausbreitungswinkel zu berechnen, derart, dass der wirksame außerordentliche Brechungsindex gleich ist zu dem ordentlichen Brechungsindex für das zuvor gegebene Kriterium. Betrachtet man die spezifische Anwendung der Umwandlung eines 1,029 μm Yb:YAG-Strahls auf 0,5145 μm (514,5 nm), indem der Typ I SHG in einem nichtlinearen Kristall, wie beispielsweise LBO, verwendet wird. Das doppelbrechende Medium, das zur Seiten- bzw. Flächenkühlung in diesem Beispiel ausgewählt wird, ist MgF₂, das die höchste thermische Leitfähigkeit aller zuvor gelisteten Kandidaten besitzt (11,6 W/m·K), und die nachfolgenden Brechungsindizes für die ordentlichen (n_o) und außerordentlichen (n_e) Strahlen:
Wie zuvor ausgeführt, ist eine nicht-dispersive Ausbreitung in MgF₂ möglich, da der ordentliche Index für eines der harmonischen Felder (in diesem Fall die zweite Harmonische bei 0,5145 μm) zwischen dem ordentlichen und dem extremen außerordentlichen Index für die andere (Grundfrequenz) liegt, d.h. 1,37938 liegt zwischen 1,37364 und 1,38525.
Durch Berechnen von n_e (θ) als Funktion von θ, indem die zuvor gegebene Gleichung verwendet wird, kann der einzige Winkel θ aufgefunden werden, der n_e(θ) gleich n_o bei 2ω vorgibt. In diesem Fall liefert ein Winkel von 44,85° ± 0,02° den geeigneten n_e(θ)-Wert von 1,37938. Diese festgelegte Toleranz ist für eine beliebige Indexanpassungsanforderung von bis zu fünf (5) Dezimalstellen und dient nur zu Erläuterungszwecken. In der Praxis wird typischerweise eine weniger strenge Indexanpassung gefordert, wobei in diesem Fall die Winkeltoleranz auf der C-Achse entsprechend gelockert wird. Beispielsweise wird eine Winkeltoleranz von ± 1,0° zu einem Indexwechsel von ± 0,0002. 2 zeigt n_e(θ) als Funktion von θ für MgF₂, und 3 zeigt die Kristallausrichtung bezüglich des Pumpstrahls.
Schließlich, da die Temperatur der Mehrkristallvorrichtung sich aufgrund der Selbsterhitzung oder der Umgebungstemperaturveränderungen ändert, müssen die Brechungsindizes für die Felder der Grundfrequenz in der zweiten Harmonischen gleichgehalten werden, so dass die dispersive Funktion für eine passende Phasenbildung aufrechterhalten wird. Diese Bedingung würde erfüllt werden, falls die Temperaturabhängigkeit der Brechungsindizes identisch wäre zu dem nachfolgenden mathematischen Ausdruck: d/dT [no +(2ω) – ne +(ω, θ)] = 0 POSITIV EINACHSIG d/dT [no –(ω) – ne –(2ω, θ)] = 0 NEGATIV EINACHSIG
Im Falle von MgF₂ sind dn_o/dT und dn_e/dT 1,12 × 10^–6/K bzw. 0,58 × 10^–6/K bei 633 nm im 20°C-Temperaturbereich (der dn/dT-Wert wird kleiner sein bei 1 μm). Somit wird für eine 10 K Temperaturänderung n_e um 5,4 × 10^–5 (d.h. 11,2 – 5,8) mehr als n_o steigen. Nimmt man einen anderen Weg, verursacht ein 10 K-Temperaturanstieg eine Indexfehlanpassung zwischen n_e(θ) und n_o von etwa 5 × 10^–5, was bedeutet, dass die beiden Laserstrahlen um 180° außer Phase sind, nachdem sie 10 mm des MgF₂ passiert haben. Somit ist ein dünneres nicht-dispersives Material besser zur Aufrechterhaltung der Phasen der beiden Strahlen unter sich ändernden Temperaturbedingungen. Falls das SHG-Kristall unter aktiver Temperaturkontrolle ist, wird dies natürlich den gerade diskutierten Punkt etwas lindern.
Der Ausbreitungswinkel θ mit Bezug auf die C-Achse des Kristalls kann ebenfalls eingestellt werden, um den n_e(θ)-Wert neu abzustimmen, so dass er wieder an den ordentlichen Brechungsindex angepasst ist. Basierend auf der vorherigen Diskussion würde eine Winkeleinstellung von etwa 0,5° für MgF₂ erforderlich sein, um eine exakte Kompensation einer 10 K-Temperaturänderung zu erhalten. Für einige Anwendungen kann die Winkeleinstellung für θ die am meisten praktikable Lösung sein.
4 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform einer leitend-seitengekühlten nichtlinearen optischen Mehrkristall-Vorrichtung 110 entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung. Eine Vielzahl (zumindest zwei) nichtlinearer optisch durchlässiger optischer Elemente (beispielsweise Lithiumtriborat(LBO)-Kristalle) 112, die dimensioniert sind und ausgerichtet sind für eine beste Phasenanpassung zwischen den Feldern der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen, d.h. der höchsten SHG-Effizienz, klemmt eine zweite Vielzahl (eines weniger als die erste Vielzahl, deshalb zumindest eins) von doppelbrechenden optisch durchlässigen Fenstern (beispielsweise Magnesiumfluorid (MgF₂)-Kristalle) 112 zwischen sich ein, die Wärme durch die Flächen des LBO zu einer Kaltplattenstruktur 114 leitet. Ein oder zwei zusätzliche optisch durchlässige Fenster 218 können die erste Vielzahl von nichtlinearen optisch durchlässigen optischen Elementen 118 zwischen sich aufnehmen; es gibt jedoch eine Anforderung für die Doppelbrechung oder Orientierung dieser Fenster 218. Die SHG-Kristalle 112 können entweder physikalisch mit kleinen gasgefüllten Spalten (nicht gezeigt) zwischen den SHG-Kristallen und den Kühlelementen 118 und 218 eingeklemmt sein, entsprechend dem Stand der Technik, eingetaucht in eine Flüssigkeit oder ein Gel mit geeignetem Brechungsindex, zusammengefügt mit einem geeigneten optischen Zement, optisch kontaktiert, oder diffusionsgebondet an die Kühlkristalle durch optische Fabrikationsprozesse, die nun im Stand der Technik bekannt sind und praktiziert werden von VLOC (Tochter von II-VI, Inc.) (New Port Richey, FL) und Onyx Optics, Inc. (Dublin, CA). Es ist zu bemerken, dass ein Spalt 124 zwischen den LBO-Kristallen 112 und der Kaltplattenstruktur 114 gezeigt ist. Dies kann ein Vakuum oder ein gasgefüllter Spalt sein oder gefüllt mit einer Mischung thermisch isolierender Materialien, um den Wärmefluss in seitlicher Richtung zu verzögern, um damit das laterale Aus-der-Phase-Bringen des SHG-Kristalls zu minimieren.
Im Lichte des Problems der Temperaturabhängigkeit, das zuvor erwähnt wurde, wird eine optimale Ausrichtung des Ausbreitungswinkels, θ, von der erwarteten Durchschnittstemperatur des nicht-dispersiven Elements unter aktuellen Arbeitsbedingungen abhängen.
Schließlich ist im Hinblick auf zweiachsige Kristalle das Kriterium der Nicht-Dispersion etwas komplizierter bei den drei einzelnen optischen Achsen, deren Hauptbrechungsindizes entlang der X-, Y- und Z-Achsen typischerweise definiert sind als n_x < n_y < n_z. Geht man davon aus, dass die Brechungsindizes eines Kristalls dieser Notation folgen, ist ein Weg, ein Kriterium für die Nicht-Dispersion zu definieren, einfach festzulegen, n_x(2ω) muss zwischen n_y(ω) und n_z(ω) liegen, so dass bei einer richtigen Kristallausrichtung in Bezug auf die Eingangspolarisationen ein Zwischenbrechungsindex für die Grundwellenlänge gefunden wird, um eine Anpassung an den zweiten harmonischen Brechungsindex n_x zu erreichen. Ein Beispiel eines zweiachsigen Kristalls, der dieses bestimmte Kriterium erfüllt, ist Gd_z(MoO₄)₃, Gadoliniummolybdat. YAlO₃, Yttriumorthoaluminat, kann ein anderer möglicher Kandidat sein, basierend auf existierenden Daten, aber der interpolierte Brechungsindex bei 2ω liegt so nahe an dem Brechungsindex n_z bei der Grundwellenlänge, das eine detaillierte Analyse erforderlich ist. Ein anderes zweiachsiges nicht-dispersives Kriterium ist n_x2ω < n_y(ω) < n_z(2ω). La₂Be₂O₅, Lanthaniumberyllat (SEL) , und Ba₂NaNb₅O₁₅, Bariumnatriumniobat, sind zwei Beispiele, die dieses zweite Kriterium erfüllen.
In Anbetracht eines zusätzlichen Freiheitsgrades sei angemerkt, dass diese zweiachsigen Kriterien nicht eindeutig sind, anders als in dem einachsigen Fall; andere Kriterien können basierend auf dem exakten Verhältnis von Dispersion und Doppelbrechung definiert werden. Somit ist die vorherige Liste der zweiachsigen Kristalle nur ein Beispiel und nicht erschöpfend.
Somit wurde eine neue und verbesserte optische Vorrichtung beschrieben, die seitengekühlte optische Elemente zur Verwendung bei Hochleistungslasersystemen umfasst, die mehrere nichtlineare optische Elemente verwenden, indem doppelbrechende Kristalle zur Seiten- bzw. Flächenkühlung zwischen den nichtlinearen optischen Elementen verwendet werden. Es versteht sich, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen rein erläuternder Natur sind für einige der vielen spezifischen Ausführungsformen, die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Es ist klar, dass zahlreiche und andere Anordnungen sich für den Fachmann leicht erarbeiten lassen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Optische Vorrichtung (110) zur Verwendung in einem Lasersystem, wobei die optische Vorrichtung (110) aufweist: (a) ein Wärme leitendes Gehäuse (114); (b) zumindest zwei nicht lineare optisch durchlässige optische Elemente (112) mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die in dem Gehäuse angeordnet sind, um Laserenergie (16) in eine Richtung zu übertragen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene der ersten und der zweiten Oberfläche ist; und (c) zumindest ein doppelbrechendes optisch durchlässiges Fenster (118), das eine optisch durchlässige Wärmesenke aufweist, wobei jedes Fenster (118) benachbart zu jedem optischen Element (112) angeordnet ist, so dass jedes optische Fenster (118) zwischen zwei optischen Elementen (112) liegt, wodurch Wärme, die in den optischen Elementen (112) erzeugt wird, passiv zu den doppelbrechenden optisch durchlässigen Fenstern (118) geleitet wird in eine Richtung parallel zu der Richtung der Laserenergieausbreitung (116) und dann zu dem Gehäuse (114), dadurch gekennzeichnet, dass jedes Fenster (118) ein doppelbrechendes Kristall aufweist, das geschnitten und orientiert ist derart, dass es keine Streuung zwischen einer Vielzahl von Laserwellenlängen innerhalb des Kristalls gibt.
Optische Vorrichtung (110) nach Anspruch 1, wobei zwei nicht lineare optische Elemente (112) ganz außen sind und jedes eine freiliegende Fläche (112a) besitzt, wobei die optische Vorrichtung (110) ferner ein oder zwei äußere optisch durchlässige Fenster (218) aufweist, wobei jedes optisch durchlässige Fenster (218) benachbart zu der freiliegenden Fläche (112a) des äußeren nicht linearen optischen Elements (112) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung (110) nach Anspruch 1, ferner mit einem Spalt, der zwischen jedem optischen Element (112) und jedem optisch durchlässigen Fenster (118) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung (110) nach Anspruch 1, wobei jedes optische Element (112) ein Laserkristall aufweist, das eine zweite Harmonische erzeugt.
Optische Vorrichtung (110) nach Anspruch 1, wobei jedes doppelbrechende optisch durchlässige Fenster (112) entweder (a) einen positiven einachsigen Kristall mit einem Nichtstreuungskriterium besitzt, das gegeben ist durch no +(2ω) < ne +(ω)oder (b) einen negativen einachsigen Kristall mit einem Nichtstreuungskriterium, das gegeben ist durch no –(ω) > ne –(2ω) wobei n_o der normale Brechungsindex des Kristalls bei einer gegebenen Wellenlänge ist, n_e der extreme außerordentliche Brechungsindex des Kristalls bei dieser Wellenlänge ist, „+' den positiven einachsigen Kristall bezeichnet, „–„ den negativen einachsigen Kristall bezeichnet, und ω die Frequenz bei Laserbetrieb ist.
Optische Vorrichtung (110) nach Anspruch 1, wobei jedes doppelbrechende optisch durchlässige Fenster (118) einen zweiachsigen Kristall besitzt.
Optische Vorrichtung (110) nach Anspruch 1, wobei jedes optische Element (11) im Wesentlichen aus Lithiumtriborat besteht, und jedes doppelbrechende optisch durchlässige Fenster (118) im Wesentlichen aus MgF₂ besteht.
Optische Vorrichtung (110) nach Anspruch 1, ferner mit einem Spalt (124), der zwischen den nicht linearen optisch durchlässigen optischen Elementen (112) und dem Wärme leitenden Gehäuse (114) angeordnet ist, wobei der Spalt (124) ein Vakuum ist oder mit einem thermisch isolierenden Material gefüllt ist.
Verfahren zum Kühlen von zumindest zwei nicht linearen optisch durchlässigen optischen Elementen (112) nach Anspruch 1, die in dem Wärme leitenden Gehäuse (114) getragen sind, wobei das Verfahren aufweist: (a) Bereitstellen des Wärme leitenden Gehäuses (114); (b) Anbringen von zumindest zwei nicht linearen optischen Elementen (112) in dem Wärme leitenden Gehäuse (114); und (c) Anordnen eines doppelbrechenden optischen Fensters (118) zwischen jedem optischen Element (112).