DE602005002837T2

DE602005002837T2 - Doppelresonanter optischer parametrischer oszillator mit angepasstem pumpen-recycling

Info

Publication number: DE602005002837T2
Application number: DE602005002837T
Authority: DE
Inventors: Michel Lefebvre; Aude Desormeaux; Emmanuel Rosencher
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: FR2869118A1; EP1738220B1; US20070223083A1; WO2005111711A1; US7349149B2; FR2869118B1; EP1738220A1; DE602005002837D1; EP1738220B9

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft doppelt resonante optisch parametrische Oszillatoren mit linearem oder gefaltetem Aufbau.
Die optisch parametrischen Oszillatoren (OPO) sind Frequenzwandler, die ausgehend von einer Laserstrahlung mit der Kreisfrequenz ω_p (Pumpe) zwei neue Strahlungen erzeugen, die Signal-Strahlung und Idler (komplementäre) Strahlung genannt werden, mit Kreisfrequenzen ω_s bzw. (ω_c derart, daß ω_p = ω_s + ω_c.
Die parametrische Frequenzwandlung wird erreicht, indem man die Pumpstrahlung durch eine Komponente, im allgemeinen einen Kristall, hindurch laufen läßt, die eine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung hat. Wenn die physikalischen Parameter des Kristalls, wie etwa seine Temperatur, seine Ausrichtung bezüglich der Pumpstrahlung oder auch die Periodizität seiner ferroelektrischen Bezirke (wie das periodische Umpolen im Fall eines Kristalls wie des Lithiumniobats) verändert werden, können die Werte ω_s und ω_c über einen sehr weiten Bereich eingestellt werden.
Damit ist ein OPO eine kohärente Lichtquelle, die einen sehr breiten Frequenzabstimmungsbereich bietet, der deutlich größer ist als bei einem Laser. Diese wesentliche Eigenschaft eröffnet den OPOs zahlreiche neue Anwendungsfelder, beispielsweise die spektroskopische Analyse von Gasen, der Fernnachweis oder die Abkühlung von Atomen.
In der Praxis wird der Kristall in das Innere eines optischen Resonators gebracht, derart, daß die beteiligten Strahlungen eine große Anzahl an Wegen durch den Kristall hindurch ausführen. Die Intensität der Pumpstrahlung kann dann effizient auf die Signalstrahlung und die komplementäre Strahlung übertragen werden. Üblicherweise wird ein Umwandlungswirkungsgrad von 30% erreicht.
OPOs werden außer ihrer kontinuierlichen oder gepulsten Betriebsweise in drei Kategorien eingeteilt, die als einfach, doppelt oder dreifach resonant bezeichnet werden, je nach dem, ob der optische Resonator es gestattet, entweder ausschließlich eine Strahlung mit der Kreisfrequenz ω_s oder ω_c schwingen zu lassen, oder gleichzeitig zwei Strahlungen mit den Kreisfrequenzen ω_s und ω_c, oder schließlich drei Strahlungen mit den Kreisfrequenzen ω_s, ω_c und ω_p. Für die ersten beiden Kategorien kann die Pumpstrahlung auf den Kristall gemäß einem Aufbau mit doppeltem Durchgang angewendet werden. Der OPO ist dann durch eine einfache oder doppelte Resonanz mit Pumpenrücklauf charakterisiert.
Die Erhöhung der Anzahl der schwingenden Strahlungen im Resonator, die damit durch den Kristall hindurch laufen, führt zu einer erheblichen Verringerung der Intensität der Pumpstrahlung, die auf den Kristall angewendet werden muß, um die Verluste des Resonators auszugleichen.
Deshalb ist für OPOs mit doppelter oder dreifacher Resonanz eine gemäßigte Intensität der Pumpstrahlung ausreichend, die von einem Laser geringer Größe geliefert wird.
Allerdings wird dafür im allgemeinen die spektrale Zusammensetzung schwieriger zu beherrschen und der Betrieb des OPO mit doppelter oder dreifacher Resonanz kann je nach den Eigenschaften der Pumpstrahlung instabil werden.
Die Verwendung von Resonatoren mit doppelten oder dreifachen Hohlräumen gestattet es, dieses Problem zu überwinden. Die von den verschiedenen Strahlungen wahrgenommenen optischen Längen können bei diesem Resonatortyp getrennt eingestellt werden und daher können auch die Resonanzfrequenzen oder longitudinalen Moden der verschiedenen Hohlräume eingestellt werden. So wurde zuvor gezeigt [B. Scherrer, I. Ribet, A. Godard, E. Rosencher, M. Lefebvre, "Dualcavity doubly resonant optical parametric oscillators: demonstration of pulsed singlemode Operation", J. Opt. Soc. Am. B, Band 17, Nr. 10, Seiten 1716-1729 (2000)], daß es mittels des Verniereffekts möglich ist, ausgehend von einem OPO mit Doppelresonanz und mit getrennten Hohlräumen auf stabile Weise eine Emission zu erzeugen, die ein reines Spektrum hat. Außerdem gestatten es die Resonatoren mit mehreren Hohlräumen, die vom OPO ausgestrahlte Frequenz kontinuierlich abzustimmen, indem sie die Längen jedes Hohlraums getrennt einstellen.
Somit haben die OPO mit Doppelresonanz und mit getrennten Hohlräumen zwei Hauptvorteile. Zum einen haben sie eine kontrollierbare spektrale Zusammensetzung, zum anderen haben sie einen niedrigen Oszillationsschwellwert. Der Oszillationsschwellwert wird herkömmlich als die minimale Intensität der Pumpstrahlung definiert, die auf den Kristall angewendet werden muß, um die Verluste des Resonators zu kompensieren und die parametrische Oszillation zu erreichen.
Dieser OPO-Typ wird in drei Geometrien eingesetzt: in Ringform, gefaltet oder geradlinig. Wie oben bereits erwähnt, hat jede Geometrie ihre Vorteile, aber auch ihre Einschränkungen.
Historisch wurde der erste doppelt resonante OPO mit getrennten Hohlräumen mit einer Geometrie in Ringform aufgebaut [A. Ashkin, J. E. Bjorkholm, "Ring-type parametric oscillator", US-Patent 3 628 182 , (1971)], bei der die drei Strahlungen (Pump, Signal und Idler) den Kristall immer in derselben Richtung durchlaufen. Diese Geometrie gestattet es, einen hohen Umwandlungswirkungsgrad zu erreichen, insbesondere im Fall des Betriebs im kontinuierlichen Modus. Die Trennung der Signalstrahlung und der Idlerstrahlung bedingt jedoch notwendigerweise den Einsatz von Hohlräumen großer Länge, für die die Durchlaufzeit der Strahlungen im Inneren des Resonators lang sein kann, bis zu dem Punkt, an dem der Impulsbetrieb verhindert wird. Außerdem können mit einem Aufbau in Ringform schwierig kompakte und robuste Quellen realisiert werden.
Bei der linearen oder gefalteten Geometrie führen die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung zahlreiche Hin- und Rückwege im Resonator aus und sie durchlaufen den Kristall daher in beiden Richtungen, wohingegen die Pumpstrahlung sich nur in einer Richtung ausbreitet. Der Signalhohlraum und der komplementäre Hohlraum können einen gemeinsamen Spiegel haben [F. G. Colville, M. J. Padgett, M. H. Dunn, "Continuous wave, dual-cavity, doubly resonant, optical parametric oscillator", Appl. Phys. Lett. 64 , 1490-1492 (1994)] oder vollständig entkoppelt sein [B. Scherrer, M. Lefebvre, "Oscillateur paramétrique optique impulsionnel monomode", Patent EP 0 855 616 ]. Dieser letztere Aufbau gestattet es, die parasitären Kopplungen zwischen jedem Hohlraum einzuschränken, die große Schwankungen des Oszillationsschwellwerts des OPO bewirken [D. Lee, N. C. Wong, Appl. Phys. B 66, 133-143 (1998)], wobei diese Schwankungen sehr nachteilig für die Frequenzabstimmung der Quelle sind.
Somit scheint die lineare Geometrie am geeignetsten für die Realisierung kompakter monolithischer Quellen, die niedrige Herstellungskosten haben, da sie mit den Techniken des vertikalen Aufbaus, die ursprünglich für die Mikroelektronik entwickelt wurden [siehe beispielsweise L. Fulbert, E. Molva, P. Thony, "micro-laser pumped monolithic optical parametric oscillator", US-Patent 5 754 333 , (1998)], in großen Mengen hergestellt werden können.
Jedoch hat der Einsatz linearer Hohlräume, und allgemeiner von Hohlräumen, die mit Hin- und Rückwegen der verschiedenen Strahlungen arbeiten (lineare oder gefaltete Geometrien), eine bedeutende Einschränkung, die mit einem Vorgang der Rückwandlung der Signalstrahlung und der Idlerstrahlung in eine inverse Pumpstrahlung verbunden ist.
Allgemein tritt der Vorgang der Rückwandlung auf, sobald die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung den nicht linearen Kristall alleine in derselben Richtung durchlaufen. Dieser Vorgang tritt daher in den ringförmigen Hohlräumen nicht auf, in denen die drei Strahlungen immer in derselben Richtung laufen. Dagegen tritt die Rückwandlung in der linearen oder gefalteten Geometrie stets bei jedem Rücklauf der Signalstrahlung und der Idlerstrahlung auf.
Dieser Rückwandlungsvorgang ist aus zwei Gründen nachteilig. Zum einen schränkt er den Wirkungsgrad des OPO ein, indem er gegen die parametrische Umwandlung arbeitet. Zum anderen stört er dessen Funktion, indem er eine Strahlung erzeugt, die sich in Richtung des Lasers ausbreitet, wenn keine ausreichende optische Isolation zwischengeschaltet wird.
Es ist möglich, die nachteilige Wirkung des Rückwandlungsvorgangs auf den Wirkungsgrad des OPO sehr stark einzuschränken, indem ein Aufbau mit doppeltem Durchlauf eingesetzt wird, für die die gesamte oder ein Teil der Intensität der aus dem Kristall austretenden Pumpstrahlung in Richtung des Kristalls reflektiert wird [J. E. Bjorkholm, A. Ashkin, R. G. Smith, "Improvement of optical parametric oscillators by non resonant pump reflection", IEEE, J. of Quant. Electron., QE-6, Nr. 12, Seiten 797-799, (1970)]. Der optimale Wirkungsgrad des OPO wird dann erreicht, wenn am Ausgang des Kristalls folgende Gleichung gilt: φp – φs – φc = 0 [2π] (I)wobei φ_p, φ_s und φ_c die Phasen der rücklaufenden Pumpstrahlung, der Signalstrahlung bzw. der Idlerstrahlung sind. In der Praxis wird daher angestrebt, daß der Ausdruck φ_p – φ_s – φ_c gegen 0, modulo 2π, tendiert. Die theoretische Analyse des Verhaltens des OPO für den Fall des Betriebs im kontinuierlichen Modus zeigt außerdem, daß wenn Beziehung (I) erfüllt ist und wenn die gesamte austretende Pumpstrahlung reflektiert wird, der Oszillationsschwellwert des OPO um einen Faktor 4 herabgesetzt und die Breite der parametrischen Verstärkung um etwa einen Faktor 2 verringert wird, was das Erreichen des im Patent EP 0 855 616 beschriebenen longitudinalen Monomodebetriebs erleichtert. Die Verstärkungsbreite ist klassisch als der Frequenzbereich definiert, in dem die parametrische Frequenzwandlung stattfinden kann. Der doppelte Durchlauf der Pumpstrahlung gestattet es daher, die Leistung doppelt resonanter OPO mit linearer oder gefalteter Geometrie sehr deutlich zu verbessern. Trotzdem stellt die in Richtung des Pumplasers rücklaufende Pumpstrahlung eine bedeutende Einschränkung dar.
Somit wird durch die vorangehende Analyse deutlich, daß die gemäß den Geometrien des Stands der Technik konzipierten doppelt resonanten OPO nicht vollständig zufriedenstellend sind.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, doppelt resonante optisch parametrische Oszillatoren zu realisieren, die robust und kompakt sind und die einen verminderten Rückwandlungsvorgang und dabei gleichzeitig eine geringe rücklaufende Pumpstrahlung haben und dies unabhängig vom Betriebsmodus, der kontinuierlich oder impulsartig sein kann.
Ein doppelt resonanter optisch parametrischer Oszillator gemäß der Erfindung umfaßt einen nicht linearen Kristall mit einer Vorderseite und einer Rückseite, eine eingehende Pumpstrahlung, die einen einzigen Hinweg durch den Kristall hindurch ausführt und aus diesem durch seine Rückseite austritt, eine Signalstrahlung und eine Idlerstrahlung, die zahlreiche Wege hin und zurück durch den Kristall ausführen, wobei diese beiden letzteren Strahlungen sich bei ihren Rückwegen durch den Kristall in eine inverse Pumpstrahlung mit der Frequenz der Pumpstrahlung umwandeln, eine Vorrichtung, die einen Teil der Intensität der aus der Rückseite des Kristalls austretenden Pumpstrahlung in der Weise reflektiert, daß am Ausgang des Kristalls die Phasenbeziehung φ_p – φ_s – φ_c = 0 [2π] erfüllt ist. Dieser Oszillator ist dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierte Teil der Intensität der Pumpstrahlung nahe bei der Intensität der inversen Pumpstrahlung bei Abwesenheit der reflektierenden Vorrichtung liegt oder sogar gleich dieser ist. Dieser Teil wird als angepaßter Pumprücklauf bezeichnet.
Somit liefert ein Laser die in den Kristall des OPO einfallende Pumpstrahlung, die die beiden Strahlungen, die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung, in zwei getrennten Hohlräumen erzeugt, die entsprechend einem linearen oder gefalteten Aufbau des Stands der Technik angeordnet sind. Stromab des Kristalls gestattet es diese Vorrichtung, einen Teil der Intensität der aus dem Kristall austretenden Pumpstrahlung mit einer einstellbaren Phase zu reflektieren. Der optimale Teil der Intensität der aus dem Kristall austretenden Pumpstrahlung ist so, daß er gleich oder zumindest nahe bei der Intensität der Pumpstrahlung ist, die ohne das Vorhandensein der Vorrichtung im Kristall durch Rückumwandlung der Signalstrahlung und der Idlerstrahlung bei deren Rückläufen erzeugt werden würde.
Der optimale Wirkungsgrad des OPO gemäß der Erfindung wird erreicht, wenn am Ausgang des Kristalls die Phasen der rücklaufenden Strahlungen die Beziehung (I) erfüllen.
Die Intensität der in Richtung des Lasers rücklaufenden Pumpstrahlung ist dann minimal und die Intensitätsmaxima im Kristall, hervorgerufen durch die Interferenzen zwischen dem Feld der eintretenden Pumpstrahlung und dem Feld der reflektierten Pumpstrahlung, sind verringert.
Der angepaßte Pumprücklauf des OPO kann durch Fresnel-Reflexion an einer optischen Fläche erreicht werden. Diese Oberfläche kann ohne optische Verarbeitung sein. Sie hat daher niedrige Herstellungskosten.
Die Rückseite des Kristalls kann den angepaßten Pumprücklauf bereitstellen. In diesem Fall ist der Kristall in einem Material variabler optischer Länge realisiert, damit die Phase des angepaßten Pumprücklaufs eingestellt werden kann.
In einer Ausführungsvariante umfaßt die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Scheibe, die in einem Material mit veränderlicher optischer Länge realisiert ist, dessen Rückseite für die austretende Pumpstrahlung teilweise reflektierend ist.
Gemäß dieser Ausführungsform kann die Scheibe mit dem Kristall einen einzigen Block bilden. Die ebene Vorderseite und Rückseite dieser Scheibe können nicht parallel sein, um die Hohlräume der Signalstrahlung und der Idlerstrahlung optisch zu entkoppeln.
Somit gestattet der in der Erfindung vorgeschlagene Aufbau mit angepaßtem Pumpenrücklauf die Leistung doppelt resonanter OPOs mit linearem oder gefaltetem Aufbau wesentlich zu verbessern, und dies ohne die Nachteile herbeizuführen, die Aufbauten mit doppeltem Durchlauf des Stands der Technik zueigen sind.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich sowie aus den nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen.
Die beigefügte Zeichnung veranschaulicht die Erfindung:
1 stellt schematisch die Anwendung der Erfindung dar;
die 2, 3 und 4 zeigen Kurven, die die Bedingungen darstellen, die zur Optimierung des angepaßten Pumprücklaufs, dem Gegenstand der Erfindung, notwendig sind,
5 betrifft eine Anwendung der Erfindung bei einem gefalteten Aufbau des Stands der Technik;
6 betrifft eine Anwendung der Erfindung bei einem linearen Aufbau des Stands der Technik, mit einer Filterung der Signalstrahlung am Ausgang des optisch parametrischen Oszillators;
7 betrifft eine Anwendung der Erfindung bei einem linearen Aufbau des Stands der Technik, mit einer Filterung der Signalstrahlung am Eingang des optisch parametrischen Oszillators;
8 veranschaulicht eine Anwendung der Erfindung bei einem halbmonolithischen linearen Aufbau mit vollständig entkoppelten Hohlräumen für die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung;
9 stellt eine Anwendung der Erfindung dar, bei der der nichtlineare Kristall eine doppelte Funktion erfüllt: parametrische Umwandlung und Anpassung des Pumprücklaufs;
10 veranschaulicht eine Anwendung der Erfindung bei einem halbmonolithischen linearen Aufbau mit einem gemeinsamen Spiegel für die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung;
die 11 und 12 veranschaulichen Anwendungen der Erfindung bei einem vollständig monolithischen linearem Aufbau.
Die Erfindung basiert auf einem Aufbau, der als angepaßter Pumprücklauf bezeichnet wird. 1 stellt ein allgemeines Anwendungsschema dar. Ein Pumplaser 1 mit der Kreisfrequenz ω_p stellt am Ausgang eines optischen Isolators 2 eine eintretenden Pumpstrahlung R_pe mit der Intensität I_pe bereit, die einen doppelt resonanten OPO 3 durchläuft, der gemäß einem linearen oder gefalteten Aufbau des Stands der Technik konzipiert ist. Am Ausgang des OPO gestattet es eine Vorrichtung 4, einen Anteil α der Intensität I_ps der aus der Rückseite des Kristalls austretenden Pumpstrahlung R_ps mit einer einstellbaren Phase φ_p zu reflektieren. Die Signalstrahlung mit der Kreisfrequenz ω_s ist am Ende der Kette verfügbar, nachdem sie von der nicht gewandelten Pumpstrahlung R_pnc mittels der Platte 5 gefiltert wurde. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung 4 es gestattet, den Bruchteil α der Intensität I_ps der aus dem Kristall austretenden Pumpstrahlung (R_ps) so zu reflektieren, daß die Intensität αI_ps nahe bei oder sogar gleich derjenigen der inversen Pumpstrahlung ist, die durch Rückwandlung der rücklaufenden Signalstrahlung und Idlerstrahlung im Kristall des OPO in Abwesenheit der Vorrichtung erzeugt würde. Der optimale Wirkungsgrad des OPO wird erreicht, wenn die reflektierte Pumpstrahlung R_pa sich dem Vorgang der Rückwandlung sowohl in der Amplitude wie in der Phase entgegenstellt, also wenn φ_p Gleichung (I) erfüllt.
Im Verlauf des Betriebs kann die Phase φ_p der reflektierten Pumpstrahlung durch die Verwendung eines herkömmlichen Regelkreises vom PID-Typ (Proportional, Integral, Differential), der in der Schemazeichnung der 1 nicht dargestellt ist, eingestellt und automatisch beibehalten werden.
Die 2 und 3 machen die besonderen Bedingungen des Einsatzes der Erfindung deutlich. Die dargestellten Kurven stammen von einer digitalen Modellierung des Verhaltens eines doppelt resonanten OPO, das gemäß einem linearen Aufbau konzipiert ist. Der theoretische Verlauf wurde durch Anwendung eines digitalen Verfahrens [C. Drag, I. Ribet, M. Jeandron, M. Lefebvre, E. Rosencher, "Temporal behaviour of a high repetition rate infrared optical parametric oscillator based an periodically poled materials", Appl. Phys. B, 73, Seiten 195-200, (2001)] berechnet, nachdem der Einfluß des Pumpenrücklaufs für die Phasenbedingung (I) berücksichtigt wurde. Die Intensität I_pe der eintretenden Pumpstrahlung (R_pe) wird festgelegt und beträgt das dreifache derjenigen Intensität, die das Erreichen des Oszillationsschwellwerts gestattet, derart, daß ein hoher Wandlungswirkungsgrad sichergestellt und gleichzeitig eine gute Qualität der Strahlung beibehalten wird. Die Simulationen sind im Rahmen eines Impulsbetriebs ausgeführt, jedoch für Impulse der Pumpstrahlung mit sehr verschiedenen Dauern (14,5 und 500 ns), um die Abhängigkeit der Intensität I_pr der in Richtung des Lasers zurückgeschickten rücklaufenden Pumpstrahlung R_pr vom Anteil α der reflektierten Pumpstrahlung sowohl im Impulsbetrieb, wie auch im quasi-kontinuierlichen Betrieb genauer darzustellen. Zwischen den beiden Extremwerten dieses Bruchteils α, der erste bei α = 0, wo die Intensität I_pr gleich der Intensität der inversen Pumpstrahlung ist, die durch den Vorgang der Rückwandlung erzeugt wird, und der zweite für α = 1, wo die Intensität I_pr aufgrund der Reflektion der austretenden Pumpstrahlung zunimmt, geht die Funktion durch ein Minimum. Dieses wird bei α = 0,2 für Impulse der Pumpstrahlung von 14 ns erreicht und bei α = 0,15 für Impulse der Pumpstrahlung von 500 ns. Es sei bemerkt, daß für den ersten Extremwert α = 0, I_pr/I_pe = 0,2 für Impulse der Pumpstrahlung von 14 ns und I_pr/I_pe = 0,15 für Impulse der Pumpstrahlung von 500 ns, wodurch sich bestätigt, daß die Intensität der in Richtung des Laser zurückgeworfenen Pumpstrahlung minimal ist, wenn der Bruchteil der reflektierten Intensität vergleichbar mit derjenigen ist, die durch Rückwandlung im OPO ohne den Rücklauf der Pumpstrahlung erzeugt wird. 2 zeigt auch, daß je länger die Dauer der Impulse der Pumpstrahlung ist, desto breiter ist der Bereich des minimalen Rücklaufs der Pumpstrahlung. Somit genügt es für Impulse der Pumpstrahlung von 500 ns, den Wert von α zwischen 0,1 und 0,3 zu halten, um eine korrekte Anpassung des Pumprücklaufs sicherzustellen.
3 stellt den Verlauf des Oszillationsschwellwerts des OPO in Abhängigkeit vom Bruchteil der reflektierten Pumpstrahlung dar. Wie zuvor, sind die Berechnungen für Impulse der Pumpstrahlung von 14,5 und 500 ns Dauer durchgeführt. Zusätzlich ist der Verlauf im kontinuierlichen Betrieb dargestellt, der ausgehend von Beziehung 6 in [J. E. Bjorkholm, A. Ashkin, R. G. Smith, "Improvement of optical parametric oscillators by non resonant pump reflection", IEEE, J. of Quant. Electron., QE-6, Nr. 12, Seiten 797-799, (1970)] erhalten wurde. Diese Figur zeigt deutlich, daß eine Reflexion von 10 bis 30% der Pumpstrahlung ausreicht, um den Oszillationsschwellwert erheblich abzusenken. So ist für α = 0,3 der Oszillationsschwellwert im Vergleich zu einem Aufbau ohne rücklaufende Pumpstrahlung um einen Faktor 2,5 verringert. Jenseits von α = 0,3 verändert sich der Oszillationsschwellwert wenig mit α, und dies unabhängig von der Dauer der Impulse der Pumpstrahlung.
Es sei hier bemerkt, daß diese Spanne der Werte von α zwischen 0,1 und 0,3 es auch gestattet, in erheblicher Weise die Breite der parametrischen Verstärkung zu verringern, wie dies 4 zeigt, in der der Verlauf dieser Verstärkungsbreite in Abhängigkeit vom Parameter α aufgetragen ist, wobei eine kontinuierliche Pumpstrahlung zugrundegelegt ist. 4 zeigt deutlich, daß für Werte von α größer als 0,3 die Verstärkungsbreite sich nicht weiter verändert.
Aus der vorhergehenden Analyse geht hervor, daß der Betrieb des doppelt resonanten OPO mit linearem oder gefaltetem Hohlraum durch das Vorhandensein der Vorrichtung 4 deutlich verbessert wird, wobei diese am Ausgang des Hohlraums einen Bruchteil der Pumpstrahlung zwischen 10 und 30% reflektiert, der vergleichbar mit der Intensität der Pumpstrahlung ist, die beim Fehlen der rücklaufenden Pumpstrahlung durch Rückwandlung erzeugt würde. Im Gegensatz zu Geometrien mit doppeltem Durchlauf des Stands der Technik, bei denen die gesamte Strahlung wiederverwendet wird [A. Bandilla, W. Brunner, R. Fischer, H. Paul, "Dispositif pour réduire I'énergie de pompage dans le cas d'oscillateurs paramétriques optiques", Patent FR 2 093 928 , (1971)], ist die Anpassung der rücklaufenden Pumpstrahlung bezüglich der Phase und der Intensität in der Erfindung besonders vorteilhaft, da sie es gestattet:

– die Intensität der in Richtung des Lasers zurücklaufenden Pumpstrahlung zu verringern und damit keine Verstärkung des Niveaus der optischen Isolation zwischen dem Laser 1 und dem OPO 3 zu benötigen;
– keine Intensitätsmaxima durch Interferenzen zwischen den Feldern der hin- und rücklaufenden Pumpstrahlung zu erzeugen, die lokal so stark werden können, daß sie den Kristall oder die optischen Verarbeitungen beschädigen;
– die Fresnel-Reflexion einer optischen Oberfläche zu verwenden, die keine optische Verarbeitung erhalten hat und daher niedrige Herstellungskosten hat;
– den Bereich der kontinuierlichen Abstimmung im longitudinalen Monomodebetrieb zu vergrößern, wie dies in EP 0 855 616 dargestellt ist.

5 zeigt eine Anwendung der Erfindung für einen gefalteten Aufbau des Stands der Technik. Die Platte 5, die in den Resonator des OPO eingefügt ist, gestattet es, die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung zu trennen, damit sie zwischen den Spiegelpaaren (7, 9) bzw. (7, 8) oszillieren. Die Pumpstrahlung wird durch den Spiegel 7 hindurch eingekoppelt, bevor sie den Kristall 6 durchläuft, der im gemeinsamen Teil der beiden Hohlräume angeordnet ist. Die Signalstrahlung ist am Ausgang des Spiegels 9 verfügbar, der für die Kreisfrequenz ω_s teilweise reflektierend ist. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit, die Vorrichtung 4 am Ausgang des Spiegels 8 zu plazieren, der für ω_c reflektierend und für ω_p vollständig transparent ist. Auf diese Weise wechselwirkt das Einbringen der Vorrichtung 4 nicht mit der Signalstrahlung und der Idlerstrahlung. Die Vorrichtung 4 umfaßt einen piezo-elektrischen Block 12, der fest mit einer Platte verbunden ist, die mit einer dielektrischen Verarbeitung 11 beschichtet ist, die dafür vorgesehen ist, einen Bruchteil α von etwa dem 0,2-fachen der aus dem Kristall austretenden Pumpstrahlung zu reflektieren. Durch das Steuern des piezo-elektrischen Blocks 12 mittels eines angepaßten elektrischen Mittels ist es möglich, die Position des Elements 11 entlang der x-Achse fein zu verändern und damit die Phase φ_p des angepaßten Pumprücklaufs einzustellen, um die Phasenbeziehung aus (I) zu erreichen.
Die Anordnung der 6 betrifft einen linearen Aufbau mit sich überlappenden Hohlräumen gemäß dem Patent EP 0 855 616 . Der Kristall 6 ist in den Abschnitt eingefügt, der den beiden Hohlräumen gemeinsam ist, die durch die Spiegelpaare (13, 15) und (14, 16) gebildet werden, wobei alle diese Spiegel für ω_p transparent sind. Die Spiegel 13 und 15 sind für ω_c vollständig reflektierend und der Spiegel 15 ist für ω_s transparent. Umgekehrt ist der Spiegel 14 für ω_c vollständig transparent und für ω_s reflektierend. Die Signalstrahlung wird durch den Spiegel 16 ausgekoppelt, der für ω_s teilweise reflektierend ist. Die Trennung zwischen der Signalstrahlung und der nicht gewandelten Pumpstrahlung wird mittels der Platte 5 erreicht, die zwischen dem Ausgang des OPO und der Gruppe der Elemente 11 und 12 eingefügt ist, die, wie zuvor, den in der Phase angepaßten Rücklauf eines Teils der Pumpstrahlung bereitstellen.
Wie 7 zeigt, erstreckt sich die Ausführung der Erfindung direkt auf eine Anordnung, bei der die Signalstrahlung durch den Spiegel 16 hindurch ausgekoppelt wird, der in diesem Fall am Eingang des Resonators angeordnet ist. Das Teilerplättchen 5 ist dabei im Weg der Pumpstrahlung angeordnet, bevor diese den nichtlinearen Kristall durchläuft. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß der Abstand zwischen dem Spiegel 13 und der Fläche 11 verringert werden kann und damit die Vorrichtung der Quelle kompakter und damit robuster ausführbar ist. Es sei jedoch bemerkt, daß in diesem Fall die Anpassung der Phase und der Amplitude der Pumpstrahlung besonders nützlich ist, da ohne diese Anpassung der Rückwandlungseffekt besonders groß wäre, da die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung beim Rücklauf durch den Kristall ungeschwächt vorhanden sind.
8 zeigt eine halbmonolithische Ausführungsform der Erfindung. Mit dem Bemühen um Kompaktheit sind die Spiegel 14 und 15 direkt auf den Außenseiten des nicht linearen Kristalls angebracht, wobei dieser aus periodisch umgepoltem Lithiumniobat (PPLN) bestehen kann. Jeder äußere Spiegel 13 und 16 wird durch einen piezo-elektrischen Block 12A bzw. 12B oder ein Mikrosystem vom MEMS-Typ (Micro Electro Mechanical System) gehalten, was es gestattet, die Längen jedes der optischen Hohlräume elektrisch einzustellen. Der teilweise Rücklauf der Pumpstrahlung wird durch die Rückseite 18 der Scheibe 19 bereitgestellt, die auf der Vorderseite mit einer Spiegelbearbeitung 13 beschichtet ist. Die Vorrichtung ist hier dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Funktion durch die Fresnel-Reflektion auf der Rückflache 18 einer Scheibe 19 aus einem elektrooptischen Material bereitgestellt wird, die ohne optische Verarbeitung ist. Nicht umgepoltes Lithiumniobat kann vorteilhaft verwendet werden, um einen Reflexionskoeffizienten von 14% zu erhalten, der verträglich mit dem gewünschten Wert (0,1 < α < 0,3) ist, ohne parasitär parametrische Wandlungen in der Scheibe 19 zu erzeugen. Zwei Elektroden 201A und 201B sind auf beiden Seiten der Scheibe 19, entlang ihrer kristallographischen Achse c (die z-Achse in 8), angeordnet. Eine zwischen diesen Elektroden angelegte Spannung HV1 erzeugt ein elektrisches Feld entlang dieser selben Achse. Das elektrische Feld hat die Wirkung, die Dicke der Scheibe 19 entlang der x-Achse der Figur zu verändern und damit die optische Länge, die von der Pumpstrahlung durchlaufen wird. Die Dicke der Scheibe 19 zwischen dem Spiegel 13 und der Rückseite 18 beträgt typischerweise 6 mm, damit die von der Pumpstrahlung durchlaufene optische Länge um ein ausreichendes Maß verändert werden kann, also um etwa 1 μm für einen Hin- und Rückweg entlang der in 8 angegebenen x-Achse des Kristalls. Das anzulegende elektrische Feld ist dann mäßig groß, in der Größenordnung von 0,5 kV/mm. Die Einstellung der Phase der rücklaufenden Strahlung wird erreicht, indem der von der Pumpstrahlung durchlaufene optische Weg mittels der zwischen den Elektroden 201A und 201B angelegten Spannung HV1 verändert wird. Die Frequenzabstimmung des OPO geschieht über eine Veränderung der Position der Spiegel 13 oder 16 mittels der piezo-elektrischen Blöcke 12A bzw. 12B. Die zwischen den Elektroden 201A und 201B angelegte Spannung HV1 wird dann erneut angepaßt, um die Phasenanpassung der rücklaufenden Strahlung aufrechtzuerhalten.
9 zeigt eine Anordnung, bei der der nicht lineare Kristall 6 eine doppelte Funktion wahrnimmt: die parametrische Wandlung und ein in Phase und Intensität angepaßter Pumprücklauf. Hierfür ist die Ausgangsfläche des Kristalls mit einer optischen Verarbeitung 21 beschichtet, die es gestattet, typischerweise 20% der Intensität der Pumpstrahlung zu reflektieren und gleichzeitig für die Signalstrahlung vollständig reflektierend und für die Idlerstrahlung vollständig transparent zu sein. Außerdem sitzt der Kristall zwischen zwei Elektroden 202A und 202B, die entlang seiner kristallographischen Achse c auf beiden Seiten angeordnet sind und an die eine elektrische Spannung HV2 angelegt wird, die es gestattet, die Länge des Kristalls durch einen elektrooptischen Effekt zu verändern und somit die Anpassung der teilweise reflektierten Pumpstrahlung bezüglich der Phase zu erreichen. Diese Anordnung hat zwei Vorteile. Zum einen verringert sie die zur Ausführung der Erfindung notwendigen optischen Verarbeitungen. Zum anderen stellt sie wenig Bedingungen an die Spezifikationen der Verarbeitung 21, da es ausreicht, wenn die Reflektion dieses Spiegels zwischen 10 und 30% liegt, um einen bezüglich der Intensität angepaßten Rücklauf der Pumpstrahlung zu erhalten.
In 10 ist die Ausgangsfläche des Kristalls 6 mit einer optischen Verarbeitung 22 beschichtet, die es gestattet, die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung zu reflektieren und dabei gleichzeitig eine maximale Durchlässigkeit für die Pumpstrahlung sicherzustellen. Diese Anordnung gestattet es, die Anzahl der zur Realisierung der Quelle notwendigen optischen Verarbeitungen und damit deren Herstellungskosten zu verringern. Die Ausführung der Erfindung gemäß dem Schema der 10 ist durch die Verwendung einer elektrooptischen Scheibe 19 gekennzeichnet, die durch aus dem Stand der Technik bekannte Techniken der Haftung und des Klebens direkt auf dem Kristall angebracht ist. Wie zuvor, wird der angepaßte Pumprücklauf durch Fresnel-Reflexion auf der Fläche 18 der elektrooptischen Scheibe 19 bereitgestellt. Das Anlegen einer Spannung HV1 zwischen den Elektroden 201A und 201B gestattet es, die Phase der Rücklaufstrahlung einzustellen. Auf ähnliche Weise wird hier einer Veränderung der Länge des Idlerhohlraums durch einen elektrooptischen Effekt im Kristall selbst erreicht, indem eine Spannung HV2 zwischen den Elektroden 202A und 202B angelegt wird. Der piezo-elektrische Block 12 gestattet die getrennte Einstellung der Länge des Signalhohlraums über einen weiten Bereich. Auf diese Weise ist es möglich, die Frequenz der am Ausgang des OPO verfügbaren Signalstrahlung kontinuierlich abzustimmen.
Die 11 und 12 stellen schematisch die vollständig monolithischen Anordnungen dar, für die die Veränderungen der Länge einzig und allein durch einen elektrooptischen Effekt erhalten werden, indem Spannungen HV1, HV2 und HV3 an die Elektroden 201A und 201B, 202A und 202B bzw. 203A und 203B gelegt werden. Berücksichtigt man die geringen Veränderungen der Länge und damit der Frequenz, die durch elektrooptischen Effekt erzielt werden, kann der Einsatz eines leicht frequenzabstimmbaren Pumplasers, wie etwa einem Faserlaser, besonders vorteilhaft sein, wenn ein sehr großer spektraler Abstimmbereich gewünscht ist.
In der in 11 dargestellten Anordnung oszillieren die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung zwischen den Spiegelpaaren (16, 22) bzw. (15, 22). Der nichtlineare Kristall 6 sitzt dabei zwischen zwei elektrooptischen Scheiben 19 und 23. Zur leichteren Fertigung der Quelle in der Praxis ist die Oberfläche der Spiegel 15 und 22 vorzugsweise eben, wohingegen der Spiegel 16 konkav sein kann. In dieser Konfiguration ist nur der Signalhohlraum optisch stabil, wohingegen die räumliche Mode des Idlerhohlraums hier eine Funktion der Querverteilung der Pumpstrahlung ist. Berücksichtigt man, daß der Signalhohlraum und der Idlerhohlraum einen ebenen Spiegel 22 gemeinsam haben, bildet sich die Oszillation der beiden Strahlungen notwendigerweise entlang derselben Achse aus. Es ist daher sinnvoll, eine besondere Aufmerksamkeit auf die Qualität der optischen Verarbeitungen zu legen, um parasitäre Kopplungen zwischen den beiden Hohlräumen zu vermeiden.
Der Einsatz stabiler Hohlräume für beide Strahlungen, der eine geringere Empfindlichkeit für parasitäre Kopplungen aufweist, kann entsprechend der Anordnung in 12 erhalten werden, für die die Signalstrahlung und die Idlerstrahlung zwischen den Spiegelpaaren (24, 14) bzw. (24, 13) oszillieren. Um für die verschiedenen inneren Schnittstellen ebene Oberflächen beizubehalten, sind die elektrooptischen Scheiben 19 und 25 nun auf derselben Seite des Kristalls 6 angeordnet. Die Fläche 24 des Kristalls 6 ist für die Signalstrahlung teilweise reflektierend, um die Ankopplung zur Anwendung bereitzustellen. Außerdem ist diese Fläche 24 konkav gewählt, damit der Signalhohlraum und der Idlerhohlraum optisch stabil sind. Berücksichtigt man die Konkavität von 24, kann die Oszillation erreicht werden, indem ein kleiner Winkel (typisch 0,1°) zwischen den Flächen 13, 14 und 18 festegelegt wird, was es gestattet, den Signalhohlraum und den Idlerhohlraum zu entkoppeln. Diese Ausführungsform ist daher durch die Verwendung leicht prismatischer elektrooptischer Scheiben 19 und 25 gekennzeichnet.

Claims

Optisch parametrischer Oszillator mit Doppelresonanz, umfassend: einen nicht linearen Kristall (6) mit einer Vorderseite und einer Rückseite, eine eingehende Pumpstrahlung (ω_p), die einen einzigen Hinweg durch den Kristall hindurch ausführt und aus diesem durch seine Rückseite austritt, eine Signalstrahlung (ω_s) und eine komplementäre Strahlung (ω_c), die zahlreiche Wege hin und zurück durch den Kristall ausführen, wobei diese beiden letzteren Strahlungen sich bei ihren Rückwegen durch den Kristall in eine inverse Pumpstrahlung mit der Frequenz der Pumpstrahlung umwandeln, eine Vorrichtung (4), die einen Teil der Intensität der aus der Rückseite des Kristalls austretenden Pumpstrahlung in der Weise reflektiert, daß am Ausgang des Kristalls die Phasenbeziehung φ_p – ω_s –ω_c = 0 [2π] erfüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierte Teil der Intensität der Pumpstrahlung, der als angepaßter Pumprücklauf bezeichnet wird, im Bereich der Vorderseite des nicht linearen Kristalls im wesentlichen gleich der Intensität der inversen Pumpstrahlung bei Abwesenheit der reflektierenden Vorrichtung ist.
Optisch parametrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil α der Intensität der an der Rückseite des Kristalls austretenden Pumpstrahlung I_ps zwischen 0,1 und 0,3 liegt.
Optisch parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Vorrichtung eine optische Fläche umfaßt, die über eine Fresnel-Reflexion arbeitet und die keine optische Verarbeitung aufweist.
Optisch parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Vorrichtung die Rückseite des Kristalls (6) umfaßt.
Optisch parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht lineare Kristall auf der Basis eines Materials mit veränderlicher optischer Länge hergestellt ist.
Optisch parametrischer Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Vorrichtung eine Scheibe (19) umfaßt, die aus einem Material mit veränderlicher optischer Länge hergestellt ist, dessen Rückfläche für die Pumpstrahlung teilweise reflektierend ist.
Optisch parametrischer Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe mit dem Kristall einen einzigen Block bildet.
Optisch parametrischer Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite und die Rückseite der Scheibe nicht parallel sind.