DE602004005355T2

DE602004005355T2 - Laserdiodengepumptes monolithisches halbleiter-laserbauelement und verfahren zur anwendung des bauelements

Info

Publication number: DE602004005355T2
Application number: DE602004005355T
Authority: DE
Inventors: Thierry Georges
Original assignee: Oxxius SA
Current assignee: Oxxius SA
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2024-10-09
Also published as: CN100452575C; JP2007508686A; FR2860928A1; WO2005036703A1; IL174764A0; JP4505462B2; US20070014320A1; FR2860928B1; EP1673839A1; IL174764A; US7593439B2; EP1673839B1; DE602004005355D1; CN1890847A; ATE357074T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine durch Laserdiode gepumpte monolithische Festkörperlaservorrichtung und betrifft insbesondere den resonatorintern verdoppelten Einmoden-Festkörperlaser. Sie bezieht sich ferner auf ein Verfahren, das in einer solchen Vorrichtung durchgeführt wird.
Die Erfindung betrifft eine besonders interessante, jedoch nicht ausschließliche Anwendung im Bereich der Erzeugung von blauem oder grünem Laserlicht.
Die Laseremission eines Bündels von guter räumlicher und spektraler Qualität in sichtbarem Licht beispielsweise mit 473 nm aus einer Vielmoden-Diode ist für industrielle und insbesondere medizinische Anwendungen sehr interessant. Diese Wellenlänge, Oberwelle genannt, kann man durch Frequenzverdopplung einer Laseremission mit einer Grundwelle genannten Wellenlänge von 946 nm von Neodym-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) erhalten.
Ein resonatorintern verdoppelter Laser umfasst allgemein eine Laserdiode zum Pumpen eines Festkörperlasers, wie beispielsweise den Nd:YAG, der einen Verstärker bei 946 nm bildet. Zur Durchführung der Verdopplung kombiniert man mit dem Verstärker einen nichtlinearen Kristall, der das dem Infrarot nahe Grundsignal in ein sichtbares Signal durch Frequenzverdopplung umwandelt (engl.: "frequency doubling", auch "second harmonic generation, SHG" genannt). Man erhält auf diese Weise eine durch zwei geteilte Grundwelle. Der Verstärker und der nichtlineare Kristall sind in einem Hohlraum enthalten, dessen beide entgegengesetzten Endflächen im Weg des Laserbündels bei manchen Wellenlängen reflektierend werden.
Wenn man sich jedoch für eine kontinuierliche Emission interessiert, ist die Leistung der Grundemission kleiner als die Leistung der Pumpen-Laserdiode, und die Frequenzverdopplung ist nun sehr ineffizient.
Man kennt das amerikanische Patent 4 809 291 mit dem Titel "Diode pumped laser and doubling to obtain blue light", in dem R.L. Byer und T.Y. Fan eine resonatorinterne Verdopplung vorschlagen, um die Leistung einer Grundwelle mit 946 nm zu erhöhen und auf diese Weise die Verdopplungseffizienz zu verstärken.
In einem Artikel mit dem Titel "Efficient blue emission from an intracavity-doubled 946 nm Nd:YAG laser", veröffentlicht 1988 in der Zeitschrift Optics Letters (Band 13, S. 137–139), stellen Dixon u. Mitarb. eine Emission von 5 mW von blauem Licht (473 nm) durch einen Mikrolaser auf der Basis von resonatorintern verdoppeltem Nd:YAG vor. Die Konzentration des Nd beträgt 1.1 at.%. Die Verdopplungseffizienz beträgt nur 2 %.
Das Hauptproblem dieser resonatorintern verdoppelten Laser ist das Vorhandensein von störenden axialen Moden und von Störpolarisation, die die Effizienz des Lasers reduzieren und starke Leistungsschwankungen verursachen. Beispielsweise erzeugen Matthews et al. in dem Artikel "Diode pumping in a blue (473 nm) Nd:YAG/KNbO₃ microchip laser" (CLEO'96, Bd. 9, S. 174) 26.5 mW blaues Licht mit Stärkenschwankungen von mehr als 10 %.
Genauer gesagt, die resonatorinterne Frequenzverdopplung induziert selektive Verluste, die mit der Pumpleistung bei der dominanten Laseremission zunehmen. Wenn die Verdopplungseffizienz zunimmt, muss die Inversion der mittleren Population des Hohlraums zunehmen, um den Verlustüberschuss zu kompensieren. Dies gestattet jedoch den benachbarten Moden und der Emission von orthogonaler Polarisierung, mit dem Lasern zu beginnen. Bei den benachbarten Moden kommt dieser Effekt zu dem des "hole burning spatial", der bereits den benachbarten Moden gestattet, zu lasern.
Die verschiedenen lasernden Moden im Hohlraum sind im Verstärkungsmedien (Wettbewerb bei dem Gewinn) und im Frequenzverdopplungsmedium (Addition von Frequenzen) gekoppelt. Diese Kopplungen sind nicht linear und sind an einer komplexen nichtlinearen Dynamik beteiligt. Diese äußert sich in einer starken oder sogar chaotischen Leistungsfluktuation.
Wenn die Frequenzverdopplung vom "Typ I" ist, erfahren die Moden senkrechter Polarisierung keine wirksame Frequenzverdopplung (Fehlen von Phasenanpassung zwischen der Grundwelle und der Oberwelle). Diese Moden stabilisieren die Populationsinversion, indem sie mit der Pumpenleistung zunehmen. Sie verlangsamen die Konversionseffizienz, die eine Erhöhung der Populationsinversion erfordert, um zuzunehmen. Nur "hole burning spatial"-Effekte lassen einen leichten Anstieg der Konversionswirksamkeit zu.
Es wurden mehrere Methoden vorgeschlagen, um den Laser monomodal zu machen und um die Moden im nichtlinearen Kristall zu entkoppeln. Sie können in drei Kategorien eingeteilt werden:

a) Die erste ist die Einführung eines Etalon in den Hohlraum. Diese Methode, die insbesondere in dem amerikanischen Patent US 5,838,713 von Y. Shimoji beschrieben wird, stellt mehrere Probleme. Der Etalon erzeugt nämlich Verluste im Hohlraum, außer wenn es von den Flächen des YRG und des Verdopplungskristalls gebildet wird. Im letzteren Fall erfordert er eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit (unter einem Mikrometer), die industriell schwer zu erhalten und zu stabilisieren ist. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, das Verstärkungsmedium optisch mit dem Verdopplungskristall zu kontaktieren, indem auf einem Teil der Kontaktfläche ein Winkel eingeschlossen wird. Dieser Winkel erzeugt einen kleinen Luftabstand zwischen den beiden Werkstoffen. Diese Methode macht den Kontakt und damit die Unversehrtheit eines monolithischen Lasers empfindlich und gestattet keinen Schutz der Trennfläche durch einen Klebstoff,
b) Die zweite Kategorie wirkt auf die Polarisation der Grundwelle ein. Das Verstärkungsmedium kann zwischen zwei Viertelwellenplatten eingesetzt werden, um den "hole burning spatial"-Effekt zu vermeiden, vgl. insbesondere G. Hollemann et al., in "Frequency-stabilized diode-pumped Nd:YAG laser at 946 nm with harmonics at 473 nm and 273 nm", Opt. Lett. 19, S. 192, Februar 1994. Ein Nachteil dieser Methode ist die Einführung von Verlusten im Hohlraum. Unter Verdopplung vom Typ I versteht man eine Ausführung, bei der das Grundlaserbündel sich auf einer der optischen Achsen des Kristalls (im Allgemeinen der langsamen Achse) ausbreitet und das harmonische Laserbündel sich auf der anderen optischen Achse des Kristalls, die zur ersten senkrecht ist, fortpflanzt. Man nimmt eine Verdopplung vom Typ I vor, wenn es möglich ist, den Kristall so zu schneiden, dass der Brechungsindex einer optischen Achse bei der Grundwellenlänge gleich dem Brechungsindex der anderen optischen Achse bei der Oberwellenlänge wird. Dies ist der Fall bei KNbO₃. Unter Verdopplung vom Typ II versteht man eine Ausführung, bei der der Grundlaserstrahl auf beiden Achsen vorliegt und der Konversionskoeffizient optimiert ist, wenn die Polarisierung des Grundlasers mit den optischen Achsen einen Winkel von 45° bildet.
c) Die dritte Methode besteht darin, dass die Länge des Hohlraums reduziert wird. Sie wurde von A. Mooradian im Patent US 5,256,164 , Oktober 1993, vorgeschlagen. Bei einer Emissionslinienbreite von 1 nm bei 946 nm (verglichen mit 0.6 nm bei der Linie bei 1.064 nm) legt die Formel von Mooradian eine Hohlraumlänge von weniger als 300 μm fest, die den YAG oder den KNbO₃ einschließt. Die Nd-Konzentration in den bisher veröffentlichten oder patentierten Mikrochips überschreitet nicht 1.1 at.%. Dies entspricht einer Dämpfung von 0.85 mm^–1 bei 808.4 nm, d.h. 8.1 % durch 100 μm Dicke absorbierte Pumpe und 15.6 % durch 200 μm absorbierte Pumpe. Andererseits ergeben die 100 oder 200 nm KNbO₃ keine ausreichende Konversionseffizienz. So erscheint ein Mikrochiplaser nach der Ungleichung von Mooradian nicht in der Lage zu sein, mehr als einige mW Blau mit 1 W Pumpe einer Laserdiode zu emittieren.

Ferner kennt man eine wirksame Methode, um einen resonatorintern verdoppelten Laser in Monofrequenz zu bringen, die von T. Y. FAN, "Single-Axial Mode, Intracavity Doubled Nd:YAG Laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 27, 9. September 1991, vorgeschlagen waurde. Bei dieser Me thode wird das Verstärkermedium (Nd:YAG) bezüglich der Luft im Brewster-Winkel geschnitten. Der nichtlineare Kristall, der doppelt brechend ist, wird von der Grundwelle in 45° angegriffen (Verdopplung vom Typ II). Das Brewster-Fenster erzeugt starke Verluste bei der senkrechten Polarisierung und verhindert sie, zu lasern. Es verursacht auch Verluste bei jeder Wellenlänge, deren Polarisierung durch den doppelbrechenden Kristall gedreht wurde. Diese Verlustmodulation in Abhängigkeit von der Wellenlänge kann den Laser monomodal machen. Diese Methode ist jedoch nicht auf eine Frequenzverdopplung vom Typ I anwendbar, da das Signal mit der Grundfrequenz auf einer der optischen Achsen des Kristalls nicht linear ist. Andererseits ist es aufgrund der doppelten Brechung nicht möglich, den im Brewster-Winkel geschnittenen Verstärkungskristallen an den nichtlinearen Kristall anzusetzen. Die doppelte Brechung führt jedoch Phasenwirkungen ein, die bewirken, dass sich die von der Außenfläche des Hohlraums reflektierten Bündel nicht wieder kombinieren, wenn sie im Verstärker gewendet werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die meisten der oben genannten Nachteile durch Schaffung eines resonatorintern verdoppelten Festkörperlasers zu beseitigen, der eine kompakte Abmessung besitzt, eine große Betriebsstabilität bietet und Frequenzverdopplungen vom Typ I und II zulässt. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen abstimmbaren Festkörperlaser zu schaffen, der monomodal arbeiten kann. Ziel der Erfindung ist ferner ein unabhängig von dem Leistungsniveau der Pumplaserdiode leistungsfähiger Festkörperlaser.
Die Erfindung ist im Anspruch 1 definiert.
Man erreicht mindestens eines der oben genannten Ziele mit einer Laservorrichtung, umfassend:

– ein optisches Pumpmittel, vorzugsweise eine Laserdiode,
– ein Verstärkungsmedium, das durch ein Laserbündel mit der Grundwellenlänge erregt wird, das von den optischen Pumpmitteln emittiert wird, wobei die Austrittsfläche dieses Verstärkungsmediums im Brewster-Winkel für diese Grundwellenlänge geschnitten ist, und
– einen doppelt brechenden Kristall zur Frequenzverdopplung.

Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung außerdem ein isotropes Medium, das zwischen die Austrittsfläche des Verstärkungsmediums und die Eintrittsfläche des doppelt brechenden Kristalls eingesetzt ist, wobei das Verstärkungsmedium und der doppelt brechende Kristall miteinander fest verbunden sind, so dass sie einen monolithischen oder einen Verbundresonanzhohlraum bilden. Außerdem bildet die Kristallachse "c" des doppelt brechenden Kristalls einen Winkel θ_c von nicht Null bezüglich der senkrechten Richtung der Polarisierung der Grundwelle, die durch die im Brewster-Winkel geschnittene Austrittsfläche definiert ist.
Bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Trennfläche zwischen dem isotropen Medium und dem doppelt brechenden Kristall nahe der Normalen. Dieses isotrope Zwischenmedium gestattet es, die Wirkungen der Doppelbrechung des doppelt brechenden Kristalls zu begrenzen: wenn nämlich der Einfallswinkel zur Normalen strebt, strebt der Winkel der doppelten Brechung nach Null. Man kann auf diese Weise das Verstärkungsmedium mit dem doppelt brechenden Kristall (dem Verdoppler) fest verbinden, so dass man ein kompaktes Bau element erhält, was in der Schrift von T. Y. Fan von 1991 nicht der Fall ist.
Die Kombination einer Trennfläche im Brewster-Winkel und eines doppelt brechenden Kristalls außerhalb der Achse gestattet es, eine einzige Mode auszuwählen. Die Brewster-Trennfläche erzeugt nämlich einen selektiven Verlust bei der senkrechten Polarisierung. Nur die Wellenlängen, bei denen die Phasenverschiebung infolge der Doppeltbrechung ein Vielfaches von 2π ist, behalten die Polarisierung mit geringem Verlust bei der Brewster-Trennfläche bei. Insbesondere durch Einstellung der Länge des nichtlinearen Kristalls ist es möglich, nur eine einzige Mode im Emissionsband zu wählen. Mit anderen Worten, der Index des isotropen Mediums und der Winkel θ_c, die der Länge des Hohlraums zugeordnet sind, können eingestellt werden, um nur eine einzige Mode in dem Hohlraum zuzulassen.
So kann es selbst im Fall einer Verdopplung vom Typ II vernünftig sein, einen Winkel θ_c zu nehmen, der von 45° abweicht.
Wenn ferner die Verdopplungseffizienz stark ist, ist es möglich, die Verluste der benachbarten Moden zu erhöhen, indem man θ_c erhöht.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist die Eintrittsfläche und/oder die Austrittsfläche des doppelt brechenden Kristalls in einem leichten Winkel ε bezüglich der Normalen zur Fortpflanzungsrichtung des Laserbündels geschnitten. Auf diese Weise sind die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche nicht mehr vollkommen parallel. Dieses Merkmal ist dadurch bemerkenswert, dass der Winkel ε bei herkömmlichen Verdopplungen immer gleich Null ist, um jede doppelte Brechung zu vermeiden. Einen Winkel ε von nicht Null zu nehmen, widerspricht also den herkömmlichen Praktiken. In Abhängigkeit von den Merkmalen der Vorrichtung (Abmessung des Hohlraums, Index, θ_c, ...) kann der Fachmann einen Winkel εmax bestimme, über welchem das Transmissionsspektrum auf Höhe der Brewsterfläche keinen Transmissionspeak mehr aufweist. Beispielsweise kann ε kleiner als oder gleich 1° gewählt werden.
Dieser Winkel ε erzeugt eine leichte Doppeltbrechung in den beiden Richtungen parallel und senkrecht. Er kann in der zu der Polarisierung parallelen Abmessung eingeführt werden. Die nun im Weg des Signals eingeführte leichte Doppeltbrechung kann durch die durch die Pumpe erzeugte thermische Linse kompensiert werden, sofern ε klein ist. Vorzugsweise wird ε jedoch in der zur Polarisierung senkrechten Abmessung eingeführt.
Dieser Winkel ε gestattet allgemein in vorteilhafter Weise die Änderung der Länge des doppelt brechenden Kristalls durch einfache Parallelverschiebung der Pumpe (und damit des Signals). Diese Längenänderung gestattet es, die Frequenz des Hohlraums abzustimmen.
Erfindungsgemäß kann die zur Fortpflanzungsrichtung der Grundwelle senkrechte Ebene vorteilhafterweise die Kristallachse "c" enthalten und mit den Achsen "a" und "b" des doppelt brechenden Kristalls einen Winkel bilden, so dass man eine Phasenübereinstimmung bei der Betriebstetemperatur zwischen der Pumpwelle und der Oberwelle (verdoppelte Welle) erhält.
Die Größe des Hohlraums ist nicht mehr der einzige Parameter, der veränderbar ist, um einen Monomodenbetrieb zu erhalten. Die sorgfältige Wahl der Medien, ihres Brechungsindex und ihrer Abmessung, der Ausrichtung des doppelt brechenden Kristalls, gestattet einen monomodalen und stabilen Betrieb.
Das Verstärkungsmedium kann aus mit Neodym (Nd) dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) bestehen. Dieser Kristall kann von zylindrischer Form sein, wobei eine Eintrittsfläche einen Planspiegel bildet.
Der doppelt brechende Kristall besteht vorteilhafterweise aus Kaliumniobat (KNbO₃).
Gemäß einer ersten Abwandlung der Erfindung ist das isotrope Medium ein aus Kaliumtantalat (KTaO₃) hergestelltes kristallines Material. Die drei Medien werden nun aneinander gefügt.
Gemäß einer zweiten Abwandlung der Erfindung ist das isotrope Medium Luft. In diesem Fall erfordert der Oberflächenzustand der Austrittsfläche des Verstärkers und der Eintrittsfläche des doppelt brechenden Kristalls keine übermäßige Reinheit.
Vorzugsweise sorgt man dafür, ein isotropes Medium zu wählen, das aus einem isotropen Kristall besteht, dessen Brechungswinkel beispielsweise auf 10 % genau nahe dem Brechungsindex des doppelt brechenden Kristall ist. Dies minimiert die Wirkungen der Doppeltbrechung und gestattet somit eine größere Toleranz bei den Angriffswinkeln des Signals bezüglich der Trennfläche (um die Normale herum).
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem man den von dem Laserbündel durchlaufenen optischen Weg sich ändern lässt, indem man das durch das Pumpmittel emittierte Laserbündel bezüglich der Eintrittsfläche des Verstärkers parallel verschiebt. Genauer gesagt, man bewegt das Laserbündel gemäß einer Ebene, in der sich der von diesem Laserbündel durchlaufene Weg im Verstärker in Abhängigkeit von der Breite der Durchquerung ändert.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und aus der beiliegenden Zeichnung. In dieser zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer Laservorrichtung mit drei aneinander gesetzten Kristallen gemäß der Erfindung,
2 bis 7 Grafiken, die das Leistungsniveau der verschiedenen im Resonanzhohlraum der Vorrichtung von 1 herrschenden Moden zeigt und
8 eine schematische Schnittansicht einer Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Zwischenmaterial durch Umgebungsluft ersetzt ist.
Obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, wird nun eine resonatorintern frequenzverdoppelte monolithische Laservorrichtung beschrieben, die einen Nd:YAG-Laser umfasst, der mit 946 nm sendet und resonatorintern auf 473 nm mit einem KNbO₃-Kristall verdoppelt wird.
1 zeigt eine Pumplaserdiode 10, die ein Laserbündel 11 mit 808 nm zu einem Hohlraum 1 sendet, der aus einer Zusammenfügung von drei Kristallen 2, 3 und 4 besteht, Der Verstärkungskristall 2 ist Nd:YAG. Sein Brechungsindex beträgt n₁ = 1,82 bei 946 nm. Die Eintrittsfläche 6 dieses Kristalls 2 ist so behandelt, dass sie einen Planspiegel bildet. Seine Austrittsfläche 7 ist im Brewster-Winkel geschnitten, der aus dem Index n₁ und dem Index n₂ des isotropen Kristalls 3 errechnet wird. Die beiden Kristalle 2 und 3 sind auf einem Teil der Fläche 7 aneinander gefügt.
Der isotrope Kristall 3 besteht aus Taliumtantalat KTaO₃ mit dem Index n₂ gleich 2,179 bei 946 nm. An seiner Austrittsfläche 8 setzt man einen doppelt brechenden Frequenzverdopplungskristall 4 an, der aus Kaliumniobat KNbO₃ besteht und dessen Brechungsindex und Durchmesser im Wesentlichen mit denen des isotropen Kristalls 3 identisch sind.
Die geometrischen Achsen der beiden Kristalle 3 und 4 sind kolinear. Der isotrope Kristall 3 ist auf der Seite 7 so geschnitten, dass das aus dem Nd:YAG 2 austretende und von der Fläche 7 abgelenkte Laserbündel 5 die Kristalle 3 und 4 parallel zu ihren geometrischen Achsen durchquert.
Die Eintrittsfläche 6 des Nd:YAG 2 und die Austrittsfläche 9 des KNbO₃ 4 sind auf herkömmliche Weise behandelt, um einen Resonanzhohlraum zu bilden. Das aus der Fläche 9 austretende Bündel kann auf 946 nm oder auf 473 nm sein.
Das Schema von 1 beruht auf einer vertikalen Polarisierung des Signals bei 946 nm im Nd:YAG. Die vertikale Achse ist in der Ebene der Figur gelegen, wobei die horizontale Achse zu dieser Ebene senkrecht ist. Der Fachmann ist ohne Schwierigkeit in der Lage, dieses Schema für eine horizontale oder beliebige lineare Polarisierung anzupassen.
In dem doppelt brechenden Kristall KNbO₃ enthält die Eintrittsfläche 8 die Achse c und schneidet die Ebene ab in einem Winkel φ = 32° bezüglich der Achse b, so dass man eine Phasenabstimmung zwischen den Wellenlängen 946 nm und 473 nm bei 308 K erhält. Der Fachmann ist in der Lage, diesen Winkel für eine Phasenanpassung bei anderen Temperaturen zu ändern. Bei 946 nm beträgt der Brechungsindex auf der Achse c n_3f = 2.127 und der Brechungsindex auf der senkrechten Achse beträgt n_3s = 2.238. Die Doppeltbrechung ist also durch Δn₃ = 0.111 gekennzeichnet.
Der Winkel der Fläche 7 φa ist der Brewster-Winkel zwischen YAG und KTaO₃. Er ist bestimmt durch die Beziehung tan(φa) = n₂/n₁. Die Fläche 8 ist in einem Winkel ε der Normalen auf die Fortpflanzungsrichtung des Strahls mit 946 nm geschnitten, der senkrecht zur Eintrittsfläche 6 emittiert wird. φb und φc sind die Winkel der Seiten 8 und 9 und sind durch φb ≅ 2φa – π/2 + ε und φc ≌ 2φa – π/2 + ε1 bestimmt, wobei ε1 bevorzugte Werte besitzt, die zwischen ε(1-n₂/n_3s) und ε(1-n₂/n_3f) liegen. Die Toleranz bei φb beträgt etwa 1°, sie wird durch die Wirkungen der Doppeltbrechung begrenzt. Die Toleranz bei φc ist kleiner als einige Winkelminuten, da diese letzte Fläche den Hohlraum schließt.
In 1 pflanzt sich das Signal bei "y" = 0 auf der vertikalen Achse auf 2 mm in jedem der drei Kristalle 2, 3 und 4 fort. Die Fortpflanzungsstrecken in den drei Medien für "y" < 0 leiten sich leicht von den drei Winkeln φa, φb und φc ab. Die optische Strecke Lo, Produkt der Strecken und Indizes, lässt sich in Abhängigkeit von "y" leicht berechnen. Der Winkel ε wird gleich 0.003 rad oder 10 Winkel' gewählt. Die optischen Frequenzen, die sich in dem Hohlraum fortpflanzen können, sind proportional zu C/2L, wobei C die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Sie sind auf den 2 bis 7 mit Kreuzen und Kreisen dargestellt.
Die 2 bis 7 zeigen die Verluste, die durch die Fläche 7 im Brewster-Winkel bei einem Hin- und Herweg in dem durch die drei Kristalle 2, 3 und 4 gebildeten Hohlraum bei einem Signal erzeugt werden, das sich mit einer vertikalen und horizontalen Polarisierung fortpflanzt. Der Schnittwinkel des doppelt brechenden Kristalls 4, d.h. der Winkel der Achse c mit der Horizontalen, beträgt θ_c = 0.3 rad. Das Verstärkungsmedium 2 ist in der Lage, auf einem um 946.6 nm zentrierten Band von 1 nm Gewinn zu bringen. Die Verluste der Gesamtheit der verstärkten Moden werden errechnet und dann in den 2 bis 7 aufgetragen. In 2 sind die Verluste der senkrechten Polarisierung ebenfalls dargestellt (in Form von Kreisen). Sie werden weiter nicht dargestellt, da sie zu groß sind, um eine Laserschwingung zu gestatten.
Die Polarisierung des Grundsignals ist im dargestellten Fall die Vertikale. Wenn die Achse c horizontal wäre, wären die optischen Achsen horizontal und vertikal. Das Grundsignal würde sich dann in einer Achse der Doppeltbrechung fortpflanzen und seine Polarisierung könnte nicht mehr gedreht werden. Wenn die Achse c und damit die Doppeltbrechungsachsen wie im vorliegenden Fall gedreht sind, ist die Grundwelle nicht mehr in den Doppeltbrechungachsen und ihre Polarisierung ist somit bei der Fortpflanzung im Kris tall gedreht. Die Modenwahl durch Polarisierungsdrehung kann nun stattfinden.
Die vertikale Stellung "y" des Laserbündels wird in den 3 bis 7 variiert. Wenn "y" von –1.4 mm auf –0,8 mm steigt, kann die Gesamtheit der Wellenlängen des Emissionsbandes nacheinander ausgewählt werden. Wir sehen in den 4 und 5, dass die genaue Wahl von n₂, der Länge des doppelt brechenden KNbO₃-Kristalls 4 und von θ_c gestatten, nur eine einzige Mode zu wählen. Das kleine Verhältnis n₂/n₁ gestattet insbesondere eine kleine Breite des Transmissionspeaks, was den Filter sehr selektiv macht. Der Winkel θ_c kann vergrößert werden, um mehr Verluste in den benachbarten Moden einzuführen. Es genügt eine vertikale Bewegung von 1.2 mm, um dieselbe Modenwahl wiederzufinden (siehe 3 und 7). Der Laser ist somit monomodal und durch eine einfache Parallelverschiebung der Kristalle bezüglich der Laserdiode abstimmbar.
In 8 ist eine bevorzugte Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der das isotrope Medium aus Luft besteht.
Die Pumpvorrichtung ist nicht dargestellt.
Die Austrittsfläche 14 des Nd:YAG-Lasers 12 ist im Brewster-Winkel geschnitten. Ein oberer Teil dieser Fläche 14 ist für den Durchgang des Laserbündels mit 946 nm bestimmt. Auf einem unteren Teil der Fläche 14 setzt man einen doppelt brechenden Kristall 13 auf KNbO₃-Basis an. dieser ist so geschnitten, dass das Laserbündel 16, das aus dem Nd:YAG austritt und die Luft durchquert hat, die Eintrittsfläche 17 dieses Kristalls 13 erreicht. Im Weg des Faserbündels ist zwischen der Austrittsfläche 14 des Nd:YAG-Lasers und der Eintrittsfläche 17 des doppelt brechenden Kristalls 13 kein Material angeordnet. Der Vorteil einer solchen Abwandlung ist eine geringere Anforderung hinsichtlich des Zustands der Oberflächen in der Verklebungszone 15.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, und an diesen Beispielen können zahlreiche Änderungen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Monolithische Festkörperlaservorrichtung, umfassend: – ein optisches Pumpmittel (10), – ein Verstärkungsmedium (2), das durch ein Laserbündel (11) mit Grundwellenlänge erregt wird, das von dem optischen Pumpmittel emittiert wird, wobei die Austrittsfläche (7) dieses Verstärkungsmediums im Brewsterwinkel bei dieser Grundwellenlänge geschnitten ist, und – einen doppeltbrechenden Kristall (4) zur Frequenzverdopplung, dadurch gekennzeichnet, – dass sie außerdem ein isotropes Medium (3) umfasst, das zwischen die Austrittsfläche (7) des Verstärkungsmediums und die Eintrittsfläche (8) des doppeltbrechenden Kristalls eingesetzt ist, wobei das Verstärkungsmedium (2) und der doppeltbrechende Kristall (4) mit einander fest verbunden sind, so dass sie einen monolithischen Resonanzhohlraum bilden, und – dass die Kristallachse "c" des doppeltbrechenden Kristalls einen Winkel θ_c von nicht null bezüglich der orthogonalen Richtung der Polarisation der Grundwelle bildet, die durch die im Brewsterwinkel geschnittene Austrittsfläche (7) definiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (8) des doppeltbrechenden Kristalls in einem leichten Winkel ε bezüglich der Normalen auf die Fortpflanzungsrichtung des Laserbündels (5) geschnitten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (9) des doppeltbrechenden Kristalls in einem leichten Winkel ε bezüglich der Normalen auf die Fortpflanzungsrichtung des Laserbündels (5) geschnitten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ε kleiner als oder gleich einem Grad ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Fortpflanzungsrichtung der Grundwelle orthogonale Ebene die Kristallachse "c" enthält, wobei diese Ebene einen Winkel bezüglich der Achsen "a" und "b" des doppeltbrechenden Kristalls bildet, so dass man eine Phasenabstimmung bei der Betriebstemperatur zwischen der Grundwelle und der Oberwelle erhält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmedium (2) aus mit Neodyn Nd dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat YAG besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmedium (2) ein zylindrisches Nd:YAG ist, dessen Eintrittsfläche einen Planspiegel bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpmittel (10) eine Laserdiode ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der doppeltbrechende Kristall (4) aus Kaliumniobat KnbO₃ besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das isotrope Medium Luft ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das isotrope Medium aus Kaliumtantalat KTaO₃ besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das isotrope Medium aus einem isotropen Kristall besteht, dessen Brechungsindex auf zehn Prozent genau dem Brechungsindex des doppeltbrechenden Kristalls nahe ist.
Verfahren, das in einer Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man den von dem Laserbündel durchlaufenen optischen Weg sich ändern lässt, indem man das von dem Pumpmittel emittierte Laserbündel bezüglich der Eintrittsfläche des Verstärkers eine Parallelverschiebung ausführen lässt.