DE60205500T2

DE60205500T2 - Resonator interne frequenzkonversion von laser strahlung

Info

Publication number: DE60205500T2
Application number: DE60205500T
Authority: DE
Inventors: Fedor V. Karpushko
Original assignee: Individual
Current assignee: Klastech-Karpushko Laser Technologies 44263 GmbH
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2022-09-21
Also published as: EP1442507B1; US7760774B2; CN100495837C; US20040252734A1; JP2005503676A; GB0122670D0; CN1630967A; KR20040047845A; JP4018629B2; WO2003026081A3; KR100630028B1; DE60205500D1; WO2003026081A2; US20100238960A1; ATE301876T1; US8315284B2; AU2002334073A1; EP1442507A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Frequenzkonversion von Laserstrahlung durch die nichtlineare Wechselwirkung von Laserstrahlung mit einem geeigneten nichtlinearen optischen Material. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Erzeugung der 2. Harmonischen (SHG), auch Frequenzverdopplung (FD) genannt, und auf die resonatorinterne optische parametrische Oszillation (OPO). Die Erfindung kann auch auf die resonatorinterne Erzeugung der Dritten- und Vierten Harmonischen sowie auf die resonatorinterne Raman-Frequenzverschiebung (RFS) angewandt werden.
Bei einem nichtlinearen Frequenz-Konversionsprozess ist die Effizienz der Konversion der Laserleistung bei einer Grundfrequenz in Leistung bei kombinierten Frequenzen (z.B. der zweiten Harmonischen Frequenz) stark abhängig von der Intensität der Strahlung, die mit dem nichtlinearen, optischen Material (nichtlineare Kristalle) wechselwirkt. In der Praxis sind Wechselwirkungsintensitäten innerhalb eines Bereichs 10⁶–10⁸ W/cm² erforderlich, um signifikante Konversionseffizienzen zu erhalten, auch für die besten der bekannten nichtlinearen Kristalle. Zur Erhöhung der Wechselwirkungsintensität ist es üblich, die einfallende Strahlung auf den nichtlinearen Kristall zu fokussieren.
Im Falle von kontinuierlich strahlenden Lasern (CW-Laser) niedrigerer und moderater Leistung, ist die Intensitätserhöhung durch Fokussierung nicht hinreichend, um brauchbare Konversionseffizienzen zu erreichen, weshalb eine weitere Steigerung der Intensität in dem nichtlinearen Kristall erforderlich ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der nichtlineare Kristall innerhalb des Laserresonators platziert wird, wo die Strahlungsleistung erhöht wird, im Vergleich zur Leistung, die außerhalb des Resonators des gleichen Lasers zu Verfügung steht, wobei die Leistungserhöhung innerhalb des Kristalls das zehn- bis hundertfache betragen kann. Solche Konzepte werden beispielsweise bei W. Koechner, "Solid-State Laser Engineering", Third Edition, Springer-Verlag, 1992 diskutiert. US-patent No. 6,167,068 offenbart einen resonatorintern frequenz-konvertierten Laser, umfassend aus einem komplexen Resonator mit zwei Teilen."
Solch eine resonatorinterne Anordnung (beispielsweise für SHG oder OPO) die zufriedenstellende Bedingungen für die Wechselwirkung innerhalb des nichtlinearen Kristalls bietet, ermöglicht im Allgemeinen jedoch nicht den effizienten Betrieb des Lasersystems als Ganzes. Das liegt daran, dass die Bedingung für eine starke Erhöhung der Leistung innerhalb des Laserresonators bei der Grundfrequenz nicht mit der Bedingung für die maximale Auskoppelleistung übereinstimmt, die bei einem gegebenen Niveau der dem Laser zugeführten Pumpleistung erreichbar ist.
Zur maximalen Auskopplung der in dem Laser erzeugten Leistung, muss der nützliche Resonatorverlust einen bestimmten (optimalen) Wert aufweisen, der mit zunehmender Pumpleistung zunimmt. Der Resonatorverlust besteht aus zwei Teilen, der erste Teil ist der der Laserleistung entsprechende nützliche Verlust und der zweite Teil ist ein resonatorinterner Verlust (auch nutzloser Verlust genannt), durch die unvermeidliche Leistungsabnahme im Laserresonator, aufgrund von Streuung, Re-Absorption, Restreflexion und/oder -Transmission von Resonatorbestandteilen und anderen Faktoren. Für die effektive Wechselwirkung innerhalb des nichtlinearen Kristalls muss der Erhöhungsfaktor der Leistung auf jeden Fall hoch sein. Das kann dadurch erreicht werden, dass der Resonatorverlust auf einen Wert reduziert wird, der vertretbarerweise so klein wie möglich ist, aber dadurch zu einer Abweichung von der Bedingung für die optimale Laser-Leistungsauskopplung führt.
Als Ergebnis der Beziehung zwischen der resonatorinternen Leistungserhöhung und der optimalen Leistungsauskopplung aus dem Laserresonator, ist die Gesamteffizienz der resonatorinternen SHG (oder anderen resonatorinternen Frequenzkonversionsprozessen wie beispielsweise OPO) in Bezug auf die dem Laser zugeführte Pumpleistung niedrig, üblicherweise weit unter 10%.
Ein anderer Nachteil der obigen resonatorinternen Anordnung zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung, ist die hohe Empfindlichkeit der Laserleistung auf kleine Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie thermische Effekte, Streuung an der Luft und ähnliches. Hat der Resonatorverlust einen kleinen Wert, dann können kleine äußere Störungen die Balance zwischen dem nützlichen- und dem resonatorinternen Verlust deutlich verändern und damit zu einer starken Schwankung der Laser-Ausgangsleitung führen.
Dies reduziert die Laserstabilität und erfordert Stabilisierungsmaßnahmen und enge Toleranzen bei den eingesetzten Laserkomponenten.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine oder mehrere der oben genannten Nachteile bei der resonatorinternen Frequenzkonversion von Laserstrahlung zu vermeiden oder zu verringern, insbesondere (aber nicht ausschließlich) bei der resonatorinternen SHG und resonatorinternen OPO und damit eine Verbesserung der Gesamteffizienz und Stabilität des Lasersystems bereitzustellen.
Der Erfinder hat ein neues Konzept zur resonatorinternen Frequenzkonversion umgesetzt, genannt Double ENhanced IntraCAvity Frequency Conversion (DENICAFC, "doppelt gesteigerte, resonatorinterne Frequenzkonversion"), und insbesondere, aber nicht ausschließlich, Double ENhanced IntraCAvity Frequency Doubling (DENICAFD, "doppelt gesteigerte, resonatorinterne Frequenzverdopplung"), basierend auf dem Einsatz eines komplexen Resonators, der es ermöglicht, die mit dem nichtlinearen Kristall wechselwirkende Leistung, verglichen mit der außerhalb des Laserresonators zur Verfügung stehenden Leistung, in zwei Schritten zu steigern (doppelte Steigerung).
Entsprechend eines ersten Aspekts der Erfindung wird ein Lasergerät mit Frequenzumwandlung bereitgestellt, welches aus einem komplexen, optischen Resonator, bestehend aus zwei Teil-Resonatoren mit einem unterschiedlichen ersten- und zweiten Pegel der resonatorintern zirkulierenden Leistung, worin mindestens ein nichtlinearer Kristall in dem Teil-Resonator mit der höheren zirkulierenden Leistung und ein aktives Medium in dem Teil-Resonator mit der niedrigeren zirkulierenden Leistung eingesetzt sind.
Der Vorteil im Erreichen der Leistungserhöhung in zwei Schritten, wobei der absolute Erhöhungsfaktor das Produkt der Erhöhungsfaktoren aus jedem Schritt ist, liegt dann, dass eine zusätzliche Freiheit im Design besteht, welche die gleichzeitige Erfüllung der Bedingungen für die Steigerung der mit dem resonatorinternen, nichtlinearen, Kristall wechselwirkenden Laserleistung und der Bedingung für die maximale Laserausgangsleistung ermöglicht. Diese zweistufige Leistungserhöhung wird jetzt detaillierter beschrieben.
In dem erwähnten komplexen, optischen Resonator stellt der erste Resonatorteil den Anfangsschritt der Leistungsüberhöhung bereit. Er besteht aus mindestens einem Laserresonator-Rückspiegel, hochreflektierend bei der Grundfrequenz der Laserstrahlung ω, und ein aktives (Verstärkungs-) Medium.
Der erste Resonatorteil kann auch Polarisations- und/oder Wellenlängen-Selektionselemente enthalten. Der erste Resonatorteil kann auch Resonator-Verlustmodulatoren enthalten, wie sie beispielsweise bei der Güteschaltung verwendet werden. Im Allgemeinen wird eine geeignete Möglichkeit zum Pumpen des aktiven (Verstärkungs-) Mediums bereitgestellt.
Die Bezeichnung "aktives (Verstärkungs-) Medium" bezieht sich auf irgendein geeignetes Lasermaterial, insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf Festkörper- (beispielsweise kristalline oder glasartige, Halbleiter- oder Halbleiter-Verbundmaterialien wie Vertical Cavity Surface Emitting Laser-VCSEL-Strukturen, etc.) Lasermaterialien die, in geeigneter Weise gepumpt oder angeregt, Strahlung innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs verstärken und emittieren können.
Der zweite Teilresonator des komplexen optischen Resonators besteht aus einem resonanten Reflektor, der mindestens einen nichtlinearen Kristall beinhaltet. Als Ergebnis der eingebauten optischen Nichtlinearität funktioniert dieser Teilresonator als nichtlinearer, resonanter Reflektor bei der Laser-Grundwellenlänge ω. Die Rückreflexion des nichtlinearen Reflektors bezüglich Strahlung, die von dem ersten Teilresonator auf ihn einfällt, ist durch die Anwesenheit eines nichtlinearen Kristalls selbstregulierend und liegt möglichst nahe bei dem optimalen Wert zur maximalen Auskopplung der auf der Grundfrequenz im ersten Resonatorteil zirkulierenden Leistung.
Der Einbau eines nichtlinearen Mediums zur Frequenzkonversion innerhalb der Anordnung des resonanten Reflektors nutzt die Eigenschaft der Leistungsüberhöhung des resonanten Teilresonators aus. Das bedingt und nutzt eine zusätzliche Eigenschaft des resonanten Reflektors und zwar die Selbstregulierung der Rückreflexion bei der Grundfrequenz ω, nahe dem optimalen Wert, bezüglich der Leistungsauskopplung aus dem ersten Teil des Laserresonators.
Demzufolge stellt der zweite Teilresonator, der, wie oben beschrieben, der nichtlineare, resonante Reflektor ist, den zweiten Schritt für die Leistungsüberhöhung bei der resonatorinternen Frequenzkonversion dar und gleichzeitig fungiert er als ein optimaler Auskoppler und erlaubt dadurch, die maximale Leistung zu entnehmen. Die Eigenschaft der Selbstregulierung führt zu verbesserter Stabilität und entspannt die Situation bei den Toleranzen in der Herstellung und/oder der Justage der Resonatorkomponenten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die für die resonatorinterne Frequenzkonversion geeignet ist, wird der erwähnte zweite Teilresonator des erwähnten komplexen optischen Resonators aus zwei Endspiegeln aufgebaut, beide hochreflektierend bei der Grundfrequenz der Laserstrahlung ω, und einem Strahlteilerspiegel, teilweise transmittieriend/reflektierend bei der Grundfrequenz der Laserstrahlung ω, wobei alle drei Spiegel in einer Konfiguration angeordnet sind, die zu resonanter Rückreflexion in den ersten Teilresonator führt und weiterhin ein nichtlineares Element innerhalb des optischen Weges zwischen dem Strahlteiler und einem der erwähnten Endspiegel enthält.
Die Frequenzkonversion kann Prozesse wie die Erzeugung der zweiten-, dritten- und vierten Harmonischen, optische parametrische Oszillation und Raman-Frequenzverschiebung beinhalten.
In Ergänzung zu den obigen Reflexionsbedingungen bei der Grundfrequenz der Laserstrahlung ω für die Spiegel des zweiten Teilresonators, der den nichtlinearen, resonanten Reflektor-Teil des komplexen optischen Resonators umfasst, kann die Reflektivität dieser drei Spiegel bei der kombinierten Frequenz (beispielsweise der zweiten Harmonischen oder der OPO-erzeugten- oder ramanverschobenen Frequenz) so gewählt werden, dass die Laser-Strahlungsleistung bei der besagten kombinierten Frequenz in gewünschter(n) Richtung(en) ausgegeben wird.
Im Falle der Ausgabe in nur einer Richtung ist einer der Endspiegel des nichtlinearen, resonanten Reflektor-Teils hochreflektierend bei der kombinierten Frequenz, während mindestens einer der Strahlteiler und der zweite Endspiegel bei der kombinierten Frequenz relativ transmittierend sind, in Abhängigkeit der gewünschter Richtung der ausgegebenen Leistung.
In einer anderen bevorzugten Realisierung, die geeignet für die resonatorinterne Frequenzverdreifachung und -Vervierfachung ist, beinhaltet der zweite Resonatorteil des Laserresonators, wie oben beschrieben, zwei nichtlineare Kristalle, einer mit Phasenanpassung für SHG (ω + ω) und ein anderer mit Phasenanpassung für die Verdreifachung (ω + 2ω) oder Vervierfachung (2ω + 2ω), wobei zusätzlich zu den Reflexionsbedingungen bei der Laser-Grundfrequenz ω alle drei Spiegel des zweiten Resonatorteils des Laserresonators hochreflektierend bei der Frequenz 2ω sein können, um ebenso die Leistung der zweiten Harmonischen innerhalb des nichtlinearen Kristalls zu erhöhen. Die Auswahl der Reflektivität dieser Spiegel bei der dritten oder vierten Harmonischen hängt weiterhin von der gewünschten Richtung des Ausgangsstrahls ab.
Der Rückspiegel des erwähnten ersten Resonatorteils kann an dem geeigneten Ende des aktiven (Verstärkungs-) Mediums angebracht sein.
Der komplexe Resonator ist vorzugsweise so angeordnet, dass die Laserausgangsleistung maximiert wird und demzufolge die Lasereffizienz in Bezug auf die dem Verstärkungsmedium zugeführte Pumpleistung maximiert wird. Der komplexe Resonator ist vorzugsweise so angeordnet, dass eine minimale Empfindlichkeit der Ausgangsleitung auf Variationen der Resonatorverluste durch externe Störungen besteht.
Die Spiegelkrümmungen des ersten- und zweiten Teils des komplexen Laserresonators können so gewählt und die Spiegel so angeordnet werden, dass sie mit der transversalen und longitudinalen Modenstruktur des Laserstrahls innerhalb des komplexen Resonators übereinstimmen.
Weiterhin wird eine Methode zur Frequenzkonversion der Laserstrahlung in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Apparat bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden jetzt Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Beispielen beschrieben, welche sich auf die begleitenden Zeichnungen beziehen, wobei:
1 ein bekanntes Laserresonator-Schema zeigt, das üblicherweise für die resonatorinterne SHG verwendet wird;
2 eine Laserresonator-Anordung zeigt, die für die doppelt gesteigerte, resonatorinterne Frequenzverdopplung (double enhanced intracavity frequency doubling), entsprechend eines Ausführungsbeispiels der Erfindung geeignet ist;
3 eine alternative Resonatoranordnung zeigt, die für die doppelt gesteigerte, resonatorinterne Frequenzverdopplung geeignet ist;
4 eine Resonatoranordnung zeigt, die für die doppelt gesteigerte, resonatorinterne Frequenzverdreifachung oder -Vervierfachung geeignet ist.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungen
1 zeigt ein Schema der wichtigsten optischen Komponenten, die zuvor für die resonatorinterne Frequenzverdopplung vorgeschlagen wurden, wobei der Resonator-Rückspiegel 20, das aktive (Verstärkungs-) Medium 21, der nichtlineare Kristall 30 und der Spiegel 31 einen linearen Laserresonator aufbauen (im Gegensatz zu einer Ringgeometrie), der gefaltet wird durch den Faltspiegel 32 und die Extraktion der erzeugten Leistung bei der Frequenz 2ω (zweite Harmonische) in nur einer Richtung ermöglicht. Der Pfeil mit Wellenlinie 34 deutet an, dass ein geeigneter Pumpmechanismus für das aktive Medium 21 bereitgestellt ist. In einem solchen Schema sind alle drei Spiegel 20, 32 und 31 hochreflektierend bei der Laser-Grundfrequenz ausgelegt. Im Allgemeinen liegt die Reflektivität so nahe bei 100%, wie es den Spiegelherstellern technologisch möglich ist. Für die Extraktion der Leistung der zweiten Harmonischen in nur einer Richtung ist der Spiegel 31 ebenfalls hochreflektierend bei der Frequenz 2ω ausgelegt, während der Faltungsspiegel 32 bei der Frequenz 2ω so transparent wie möglich ist. Demnach speichert und verstärkt der Laserresonator die zirkulierende Laserleistung bei der Grundfrequenz ω. Die Leistung bei der kombinierten Frequenz 2ω, welche die bei der nichtlinearen Wechselwirkung innerhalb des Kristalls 30 erzeugte, kombinierte Frequenz ist, wird durch den Faltungsspiegel 32 nach jedem „vorwärts-rückwärts" Durchgang (Runddurchgang) durch den nichtlinearen Kristall 30, wie durch die Richtung 36 angedeutet, herausgegeben.
In diesem Aufbau ist der einzige nützliche Verlust der erzeugten Leistung bei der Grundfrequenz die nichtlineare Konversion in Leistung bei der zweiten Harmonischen durch den nichtlinearen Kristall 30 und dieser Verlust ist im Falle von kontinuierlich strahlenden (CW) Lasern niedriger oder moderater Leistung üblicherweise geringer als 1% pro Resonatordurchgang (im Milliwattbereich im Vergleich zu einigen Watt). Trotz sorgfältiger Massnahmen zur Minimierung des internen Resonatorverlustes durch die Verwendung von Anti-Reflexionsbeschichtungen (AR-Beschichtungen) auf den Endflächen des nichtlinearen Kristalls und des aktiven Mediums und durch Ausformen des Resonatorspiegels 20 auf der Rückseite 38 des Laser-Verstärkungsmediums 21, bringen die verbleibenden Reflexionen der AR-beschichteten Oberflächen und die Rest-Transmissionen der Resonatorspiegel bei der Grundfrequenz ω, zusammen mit Resonator-Beugungsverlusten, Streuung und Re-Absorption innerhalb des aktiven Mediums und dem nichtlinearen Kristall einen signifikanten, nutzlosen Verlust der erzeugten Leistung bei der Grundfrequenz mit ein, der vergleichbar oder sogar höher sein kann als 1% pro Resonatordurchgang. Im Ergebnis ist der totale Resonatorverlust durch den internen (nutzlosen) Teil dominiert und macht daher die Laser-Gesamteffizienz im Vergleich zur Pumpleistung ziemlich klein und sehr empfindlich auf irgendwelche äußere Störungen.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Apparatur zur Umsetzung einer Methode, die wir double enhanced intracavity fequency doubling (DENICAFD) nennen werden. Der erste Teil eines komplexen Resonators besteht wie zuvor aus dem Resonator-Rückspiegel 20 mit hoher Reflektivität bei der Laser-Grundfrequenz ω und dem aktiven (Verstärkungs-) Medium 21. Er kann auch andere optische Elemente wie Polarisationsund/oder Wellenlängen-Selektionselemente 40,42 enthalten und einen Resonatorverlust-Modulator 44. Der Resonator-Rückspiegel 20 kann auch auf der hinteren Oberfläche 38 des aktiven Mediums 21 aufgebracht sein. Der Pfeil mit Wellenlinie 34 in der Zeichnung deutet an, dass ein geeigneter Pumpmechanismus für das aktive Medium bereitgestellt ist.
Der zweite Teil des Laserresonators bildet den nichtlinearen, resonanten Reflektor und besteht aus zwei Endspiegeln 45 und 46, die bei der Laser-Grundfrequenz hochreflektierend sind, einem Strahlteiler-Spiegel 48, der teilweise reflektierend bei der Frequenz ω ist und einem nichtlinearen Kristall 30 mit einer geeigneten Orientierung, so dass die Phasenanpassungsbedingung für die Frequenzverdopplung erfüllt ist. Damit die höchste Effizienz des Lasers erreicht wird, sollte die Reflektivität der Spiegel 20,45 und 46 bei der erforderlichen Laser-Grundfrequenz ω so nahe bei 100% liegen, wie es technologisch möglich ist. Der geeignete Wert der partiellen Reflektivität des Strahlteiler-Spiegels 48 ist irgendein Wert innerhalb eines gewissen Bereichs um den Reflektivitätswert, der für einen optimalen Auskoppelspiegel gewählt werden würde, falls solch ein Auskoppelspiegel einfach dazu benutzt würde (anstelle des nichtlinearen, resonanten Reflektors), um die maximale Leistung des Lasers bei der Grundfrequenz zu entnehmen. Erfahrene Personen sind vertraut mit den Kriterien für die Einrichtung der optimalen Reflektivität einer solchen Anordnung.
In dem Resonatorschema der 2 ist der nichtlineare Kristall 30 nur beispielhaft innerhalb des nichtlinearen, resonanten Reflektor-Weges zwischen den Spiegeln 48 und 45 gezeigt, welcher in einem Winkel zur optischen Achse des ersten Teils des Resonators angesetzt ist. Der nichtlineare Kristall kann auch in der Strecke zwischen den Spiegeln 46 und 48 platziert sein. Es gibt keine spezifische Einschränkungen für die Wahl des Winkels (zum Beispiel 90°) für die Faltung des nichtlinearen, resonanten Reflektor-Teils des Laserresonators in Bezug auf die optische Achse des ersten Teil-Resonators (und demzufolge für den Neigungswinkel des Strahlteilerspiegels 48) außer solchen, die durch die Zweckmäßigkeit der Konstruktion und der Ausrichtung vorgegeben werden.
Mit der obigen Reflektivität der Laserresonator-Spiegel hat die innerhalb des Resonators von 2 bei der Grundfrequenz zirkulierende Leistung zwei verschiedene Pegel: einen niedrigeren Pegel innerhalb des Resonator-Weges zwischen dem Resonator-Rückspiegel 20 und dem Strahlteilerspiegel 48 und einen höheren Pegel innerhalb des nichtlinearen, resonanten Reflektor-Weges zwischen den Spiegeln 46, 48 und 45. Der niedrigere Pegel ist jedoch bereits ein erhöhter Pegel der Leistung bei der Grundfrequenz, verglichen mit der Leistung, die außerhalb des Laserresonators vorliegen würde. Demzufolge gibt es für den nichtlinearen Kristall, der innerhalb des nichlinearen, resonanten Reflektor-Teils liegt, zwei Stufen der Erhöhung der Leistung bei der Grundfrequenz. Entsprechend der optischen Nichtlinearität, die in dem resonanten Reflektor enthalten ist, ist die Rückreflektivität (in die Richtung des Resonator-Rückspiegels 20) selbstreguliert auf einen Wert nahe dem Optimum für die Auskopplung der Leistung bei der Grundfrequenz, die in dem ersten Teil des Laserresonators zirkuliert. Das sorgt dafür, dass die Bedingung für die maximale Leistung in Bezug auf die Pumpleistung, die dem aktiven (Verstärkungs-) Medium zugeführt wird, bei der zweiten Harmonischen erfüllt ist und dadurch die optimale Laser-Effizienz gegeben ist und sorgt weiterhin für mi nimale Empfindlichkeit der Laserleistung auf Variationen der internen Resonatorverluste durch externe Störungen und die beschränkten Spezifikations-Toleranzen der Laser-Resonatorkomponenten.
Zur Einrichtung der Ausgangsleistung bei der zweiten Harmonischen in nur einer Richtung aus dem Laser müssen die Reflektivitäten der Spiegel 45, 48 und 46 bei der Frequenz 2ω geeignet gewählt werden. Beispielsweise ist in dem in 2 gezeigten Fall der Spiegel 45 bei 2ω auch hochreflektierend und der Strahlteilerspiegel 48 ist hochtransmittierend bei 2ω. Folglich ist die Ausgangsleistung bei der zweiten Harmonischen, wie durch den Weg 36 angezeigt, gerichtet. Alternativ, zur Ausgabe der Ausgangsleistung bei der zweiten Harmonischen durch den Spiegel 46 sollte dieser hochtransmittierend bei der Frequenz 2ω sein, während der Spiegel 45 und der Strahlteilerspiegel 48 beide hochreflektierend bei 2ω sein sollten.
3 zeigt ein alternatives Laserresonator-Schema für die Umsetzung von double endhanced intracavity frequency doubling. Die Anforderungen an die Reflektivitäten der Resonatorspiegel bei der Laser-Grundfrequenz sind die gleichen wie im Fall des Schemas in 2, außer für die Reflektivität des Strahlteilerspiegels 48. Die Reflektivität des Spiegels 48 muss, für die optimale Leistungsfähigkeit bei der Grundfrequenz ω, näherungsweise gleich sein, wie die Transmission des Strahlteilerspiegels 48 des Schemas in 2. Es gibt keine spezifischen Einschränkungen, weder in Hinsicht auf die Wahl des Winkels zwischen den optischen Achsen des ersten und zweiten Teils des Resonators, noch in Hinsicht darauf, in welchen optischen Weg des zweiten Teilresonators (resonanter Reflektor) ein nichtlinearer Kristall eingesetzt werden soll. Wiederum, wie in dem Fall des Schemas in 2, werden die Reflektivitäten der Spiegel 45, 48 und 46 bei der Frequenz der zweiten Harmonischen 2ω geeignet gewählt, so dass die Ausgabe der Leistung in nur einer Richtung bei der zweiten Harmonischen in der gewünschten Richtung erfolgt.
In beiden obigen Fällen sind die Krümmungen der Spiegel, die den komplexen Laserresonator bilden und die Abstände zwischen ihnen so gewählt, dass sie mit der transversalen und longitudinalen Modenstruktur des Laserstrahls innerhalb des Resonators zusammenpassen. Denjenigen, die in dieser Kunst erfahren sind, sind die Kriterien für diese Auswahl geläufig.
4 zeigt eine Erweiterung des Resonatorschemas von 2 für den Einsatz bei der double enhanced intracavity frequency tripling (doppelt gesteigerte, resonatorinterne Frequenzkonverdreifachung). In diesem Fall ist ein zweiter nichlinearer Kristall in einer Orientierung so innerhalb des resonanten Reflektor-Teils des Laserresonators platziert, dass die Phasenanpassung für den Summenfrequenz-Prozess (ω + 2ω) erfüllt ist. Die Spiegel 45, 46 und 48 sind hochreflektierend bei der Frequenz der zweiten Harmonischen 2ω, während die Bedingung für ihre Reflektivität bei der Grundfrequenz ω die gleiche bleibt wie im Fall von 2. Entsprechend ist, für die Ausgabe der Leistung in nur einer Richtung der dritten Harmonischen, angezeigt durch den Weg 52, der Spiegel 45 auch hochreflektierend bei der Frequenz 3ω während der Strahlteilerspiegel 48 hochtransmittierend bei der Frequenz 3ω ist.
Durch Wahl der Phasenanpassungsbedingungen für den zweiten nichtlinearen Kristall 50 in dem Schema von 4 für die weitere Verdopplung der Frequenz der zweiten Harmonischen 2ω kann, mit geeigneten Reflektivitäten der Spiegel des resonanten Reflektors bei der vierten Harmonischen 4ω, eine double enhanced intracavity frequency quadrupling (doppelt gesteigerte, resonatorinterne Frequenzvervierfachung) erreicht werden.
Der erfahrene Leser wird begrüßen, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungen und Anwendungen entsprechend den obigen Details beschränkt ist. Die oben diskutierten Konfigurationen sind auch geeignet für die Anwendung dieser Erfindung in einem allgemeineren Sinn, welcher als double enhanced intracavity frequency conversion (DENICAFC, doppelt gesteigerte, resonatorinterne Frequenzkonversion) bezeichnet werden kann, zum Beispiel resonatorinterne optische parametrische Oszillation (OPO) oder resonatorinterne Raman-Frequenzverschiebung (RFS). In diesen Fällen müssen sowohl die Phasenanpassungsbedingungen für einen nichtlinearen Kristall, als auch die Reflektivitäten der Spiegel des resonanten Reflektors folgerichtig für die Frequenzen der Idler- und Signalwellen (OPO) oder für die entsprechenden Stokes-Frequenzen (RFS) gewählt werden.

Claims

Laservorrichtung mit Frequenzumwandlung, wobei die Vorrichtung umfasst: einen komplexen optischen Resonator, der zwei Resonatorteile, d.h. einen ersten Teil und einen zweiten Teil, umfasst; ein aktives Medium (21), wobei das aktive Medium (21) in dem ersten Resonatorteil angeordnet ist; wenigstens einen nichtlinearen Kristall (30, 50); wobei der wenigstens eine nichtlineare Kristall (30, 50) in dem zweiten Resonatorteil angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass: der zweite Resonatorteil des komplexen Resonators einen resonanten Reflektor umfasst, der den wenigsten einen nichtlinearen Kristall enthält; und dass die zwei Resonatorteile in der Lage sind, ein erstes und ein zweites, jeweils unterschiedliches Niveau mit Grundfrequenz zirkulierender resonatorinterner Leistung aufrechtzuerhalten; wobei: das aktive Medium (21) in dem Resonatorteil mit niedrigerer mit Grundfrequenz zirkulierender resonatorinterner Leistung angeordnet ist, und der wenigstens eine nichtlineare Kristall (30, 50) in dem Resonatorteil mit höherer mit Grundfrequenz zirkulierender resonatorinterner Leistung angeordnet ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Resonatorteil in der Lage ist, die Grundstufe von Leistungsverstärkung bereitzustellen und wenigstens einen Laserresonator-Rückspiegel (20) umfasst, der bei der Grundfrequenz (ω) der Laserstrahlung hochreflektierend ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Resonatorteil auch Polarisations- und/oder Wellenlängen-Selektoren (40, 42) enthält.
Laservorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei der erste Resonatorteil auch Resonator-Verlustmodulatoren (44) enthält, wie sie beispielsweise für Güteschalten verwendet werden.
Laservorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei geeignete Pumpeinrichtungen für das aktive Medium (21) vorhanden sind.
Laservorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei das aktive Medium (21) jedes beliebige geeignete Lasermaterial ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Lasermaterial ein Festkörper-Lasermaterial ist, das, wenn es gepumpt oder in geeigneter Weise angeregt wird, in der Lage ist, Strahlung innerhalb eines bestimmten Spektralbereiches zu verstärken und zu emittieren.
Laservorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei der zweite Resonatorteil des komplexen optischen Resonators durch zwei Endspiegel (45, 46), die bei der Grundfreguenz (ω) der Laserstrahlung hochreflektierend sind, und einen Strahlteiler-Spiegel (48) gebildet wird, der bei der Grundfrequenz (ω) der Laserstrahlung teilweise durchlassend/reflektierend ist, alle drei Spiegel (45, 46, 48) in einer Konfiguration angeordnet sind, durch die resonante Reflektion in den ersten Resonatorteil zurück erzeugt wird, und er ein nichtlineares Element auf dem optischen Weg zwischen dem Strahlteiler (48) und einem der Endspiegel (45, 46) enthält.
Laservorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, wobei Frequenzumwandlung Prozesse wie die Erzeugung zweiter, dritter und vierter Harmonischer, optische parametrische Oszillation und resonatorinterne Raman-Frequenzverschiebung einschließt.
Laservorrichtung nach Anspruch 8, wobei zusätzlich zu den Reflektivitätsbedingungen bei der Laserstrahlung bei der Grundfrequenz (ω) für die Spiegel (45, 46) des zweiten Resonatorteils, der den nichtlinearen resonanten Reflektorteil des komplexen optischen Resonators umfasst, die Reflektivität dieser Spiegel (45, 46) bei einer kombinierten Frequenz so ausgewählt wird, dass die Laserstrahlungs-Leistung bei der kombinierten Frequenz in gewünschter/gewünschten Richtung/en ausgegeben wird.
Laservorrichtung nach Anspruch 10, wobei die kombinierte Frequenz die zweite Harmonische, oder durch OPO erzeugte oder Raman-verschobene Frequenz ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei bei unidirektionaler Ausgabe einer der Endspiegel (45, 46) des nichtlinearen resonanten Reflektorteils hochreflektierend bei der kombinierten Frequenz ist, während wenigstens der Strahlteiler (48) oder der zweite Endspiegel (45, 46) bei der kombinierten Frequenz in Abhängigkeit von der gewünschten Richtung der Ausgangsleistung relativ durchlässig ist.
Laservorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, das für resonatorinterne Frequenz-Verdreifachung und -Vervierfachung geeignet ist, wobei der zweite Resonatorteil des Laserresonator zwei nichtlineare Kristalle (30, 50) enthält, von denen einer Phasenanpassung für SHG (ω + ω) und der andere Phasenanpassung für Verdreifachung (ω + 2ω) oder -Vervierfachung (2ω + 2ω) aufweist, wobei zusätzlich zu den Reflektivitätsbedingungen bei der Grundfrequenz (ω) der Laserstrahlung alle drei Spiegel (45, 46, 48) des zweiten Resonatorteils des Laserresonators auch bei der Frequenz (2ω) hochreflektierend sein können, um die Leistung der zweiten Harmonischen innerhalb der nichtlinearen Kristalle (30, 50) ebenfalls zu verstärken.
Laservorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Auswahl der Reflektivität der Spiegel (45, 46, 48) bei der dritten oder vierten Harmonischen von der gewünschten Richtung des Ausgangs abhängt.
Laservorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 14, wobei der Rückspiegel (20) des ersten Resonatorteils am geeigneten Ende des aktiven Mediums (21) hergestellt wird.
Laservorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 15, wobei die Spiegelkrümmungen des ersten und des zweiten Teils des komplexen Laserhohlraums so ausgewählt und die Spiegel (20, 45, 46) so konfiguriert werden, dass die transversale und die longitudinale Modenstruktur des Laserstrahls in dem komplexen Resonator angepasst werden.