DE68908884T2 - Steuerung der optischen rückkopplung zur frequenzumwandlung von laserdiodenstrahlung. - Google Patents
Steuerung der optischen rückkopplung zur frequenzumwandlung von laserdiodenstrahlung.Info
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Description
- Diese Anmeldung steht in bezug zu den folgenden Anmeldungen, die Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ bilden: EP-A- 0 318 199 mit dem 25. November 1987 als Prioritätsdatum und dem Titel "Generation of coherent optical radiation by mixing", und EP-A-0 301 803 mit dem 27. Juli 1987 als Prioritätsdatum und dem Titel "Intracavity generation of coherent optical radiation by optical mixing".
- Die Erfindung betrifft die Umwandlung kohärenter optischer Strahlung von einer Laserdiode in kohärente optische Strahlung mit anderer Frequenz durch Wechselwirkung mit einem nichtlinearen optischen Material in einem externen optischen Resonator. Genauer gesagt, betrifft sie die Verwendung optischer Rückkopplung aus dem externen Resonator bei einem Prozeß zum Einengen der Linienbreite des Ausgangssignals der Laserdiode und zum Festhalten der Laserdiode auf der Frequenz des externen optischen Resonators.
- Ein Laser ist eine Vorrichtung, der über die Fähigkeit verfügt, kohärentes Licht durch stimulierte Emission von Photonen aus Atomen, Molekülen oder Ionen eines aktiven Mediums zu erzeugen, die typischerweise ausgehend von einem Grundzustand durch Eingeben von Energie auf ein höheres Energieniveau angehoben wurden. Eine solche Vorrichtung verfügt über einen optischen Hohlraum oder Resonator, der durch stark reflektierende Oberflächen festgelegt ist, die einen geschlossenen Hin- und Rücklaufweg für Licht bilden, und das aktive Medium ist innerhalb des optischen Resonators enthalten.
- Wenn eine Besetzungsumkehr durch Anregen des aktiven Mediums erzeugt wird, kann die spontane Emission eines Photons von einem angeregten Atom, Molekül oder Ion, das einen Übergang zu einem Zustand geringerer Energie erfährt, die Emission von Photonen im wesentlichen identische Energie von anderen angeregten Atomen, Molekülen oder Ionen stimulieren. Infolgedessen erzeugt das anfängliche Photon zwischen den reflektierenden Oberflächen des optischen Resonators eine Kaskade von Photonen, die im wesentlichen identische Energie aufweisen und exakt in Phase sind. Ein Teil dieser Photonenkaskade wird dann aus dem optischen Resonator ausgegeben, z.B. durch Abstrahlen durch eine der reflektierenden Oberflächen des Resonators oder mehrere. Diese ausgegebenen Photonen bilden das Laserausgangssignal.
- Anregung des aktiven Mediums eines Lasers kann durch verschiedenen Verfahren erzielt werden. Jedoch sind die üblichsten Verfahren optisches Pumpen, Verwendung einer elektrischen Entladung und das Durchleiten eines elektrischen Stroms durch den pn-Übergang eines Halbleiterlasers.
- Halbleiterlaser enthalten einen pn-Übergang, der eine Diode bildet, und dieser Übergang wirkt als das aktive Medium des Lasers. Derartige Vorrichtungen werden als Laserdioden bezeichnet und, wie hier verwendet, beinhaltet der Begriff Laserdiode Laserdiodenarrays.
- Durch geeignete Wahl der Zusammensetzung der Laserdiode ist es möglich, eine Vorrichtung zu erzeugen, die Ausgangsstrahlung mit im wesentlichen jeder Wellenlänge über den Bereich von etwa 630 bis etwa 1.600 nm ausgibt. Z.B. kann die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung einer Vorrichtung auf Grundlage von GaAlAs von etwa 750 bis etwa 900 nm durch Ändern der Zusammensetzung der Vorrichtung verändert werden. Auf ähnliche Weise kann die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung einer Vorrichtung auf Grundlage von InGaAsP von etwa 1.000 bis etwa 1.600 nm durch Verändern der Zusammensetzung der Vorrichtung verändert werden.
- Das Umwandeln optischer Strahlung einer Frequenz in optische Strahlung einer anderen Frequenz durch Wechselwirkung mit einem nichtlinearen optischen Material ist wohlbekannt und wurde umfassend untersucht. Zu Beispielen für derartige Umwandlung gehören die Erzeugung Harmonischer, optisches Mischen und parametrische Oszillation.
- Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften sind wohlbekannt. Z.B. offenbart das für Bierlen et al am 06. April 1967 erteilte US-Patent Nr. 3,949,323, daß Materialien mit der Formel MTiO(XO&sub4;) nichtlineare optische Eigenschaften aufweisen, wobei M mindestens eine der Substanzen K, Rb, Tl und NH&sub4; ist und X mindestens eine der Substanzen P oder As ist, wobei dann X nur P ist, wenn NH&sub4; vorhanden ist. Diese Sammelformel beinhaltet Kaliumtitanylphosphat, KTiOPO&sub4;, ein besonders nützliches nichtlineares Material. Andere bekannte nichtlineare Materialien sind, ohne daß eine Beschränkung auf diese besteht, KH&sub2;PO&sub4;, LiNbO&sub3;, KNbO&sub3;, ß-BaB&sub2;O&sub4;, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5;, LiIO&sub3;, HIO&sub3;, KB&sub5;0&sub8; 4H&sub2;0, Kaliumlithiumniobat und Harnstoff. Ein Überblick über die nichtlinearen optischen Eigenschaften einer Anzahl verschiedener uniaxialer Kristalle wurde in Sov. J. Quantum Electron., Bd. 7, Nr. 1, Januar 1977, Seiten 1 - 13 veröffentlicht. Nichtlineare optische Materialien wurden auch von S. Singh im CRC Handbook of Laser Science and Technology, Bd. III, M. J. Weber, Herausgeber, CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1986, Seiten 3 - 228 besprochen.
- Die Erzeugung der zweiten Harmonischen oder "Frequenverdoppelung" ist vielleicht das üblichste und wichtigste Beispiel für nichtlineare Optik, wobei ein Teil der Energie einer optischen Welle der Winkelfrequenz ω, die sich durch ein nichtlineares optisches Material ausbreitet, in Energie einer Welle der Winkelfrequenz 2ω umgewandelt wird. Frequenzverdoppelung wurde von A. Yariv in Quantum Electronics, Second Ed., John Wiley & Sons, New York, 1975 auf den Seiten 407 - 434 und von W. Koechner in Solid State Laser Engineering, Springer-Verlag, New York, 1976 auf den Seiten 491 - 524 besprochen.
- Wie in dieser Anmeldung verwendet, betrifft der Begriff "optisches Mischen" die Wechselwirkung zweier Lichtstrahlen der Frequenzen ω&sub1; und ω&sub2; innerhalb eines nichtlinearen optischen Materials, um optische Strahlung einer anderen Frequenz zu erzeugen. Wenn z.B. ω&sub1; größer ist als ω&sub2; kann diese Wechselwirkung optische Strahlung mit der Summenfrequenz, ω&sub3; = ω&sub1; + ω&sub2;, und der Differenzfrequenz, ω&sub3; = ω&sub1; - ω&sub2; erzeugen. Diese zwei Prozesse werden als Summenfrequenzerzeugung bzw. Differenzfrequenzerzeugung bezeichnet. Aufwärtswandlung betrifft den Spezialfall der Summenfrequenzerzeugung, bei dem Strahlung einer Frequenz, z.B. ω&sub1;, viel intensiver ist als die bei ω&sub2; und demgemäß keine wesentliche Änderung ihrer Amplitude erfährt, wenn optisches Mischen auftritt, um optische Strahlung der Wellenlänge ω&sub3; zu ergeben. Optisches Mischen umfaßt auch Prozesse höherer Ordnung wie ω&sub5; = ω&sub1; + 2ω&sub2; und ω&sub6; = 2ω&sub1; - 2ω&sub2;. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird optische Strahlung, die durch optisches Mischen erzeugt wurde, allgemein als "optische Mischstrahlung" bezeichnet.
- Die Frequenzwandlung optischer Strahlung durch ein nichtlineares optisches Material kann entweder innerhalb oder außerhalb eines optischen Resonators ausgeführt werden. Wenn der Prozeß innerhalb eines optischen Resonators ausgeführt wird, kann dieser Resonator entweder a) eine Komponente einer der Strahlungsquellen für den Prozeß sein, oder er kann b) getrennt von jedem Resonator vorliegen, wie er als Komponente für irgendeine Strahlungsquelle für den Prozeß verwendet wird. Der Bequemlichkeit halber wird die Verwendung eines solchen Quellenresonators nachfolgend als Prozeß mit internem Hohlraum bezeichnet, und die Verwendung eines getrennten Resonators wird als Prozeß mit externem Hohlraum bezeichnet. Für die Zwecke dieser Anmeldung betrifft ein optischer Hohlraum oder Resonator ein Volumen, das zumindest teilweise durch stark ref lektierende Oberflächen eingegrenzt ist, wobei Licht bestimmter diskreter Frequenzen modenstehender Wellen mit geringem Verlust ausbilden kann.
- Die Aufwärtswandlung von Infrarotstrahlung in den sichtbaren und ultravioletten Bereich wurde umfassend untersucht. Derartige Untersuchungen wurden in erster Linie durch das Interesse angeregt, diese Technik zu verwenden, um die Erfassung und Analyse von Infrarotstrahlung durch die herkömmlichen und wirkungsvollen Verfahren zu erlauben, die für Licht höherer Frequenz verfügbar sind. Da die aufwärtsgewandelte Strahlung im wesentlichen die gesamte Information der eingespeisten Infrarotstrahlung trägt, gehören zu möglichen Anwendungen die Ermittlung von Infrarotsignalen, Infrarot- Spektralanalyse und Infrarot-Holographie.
- Aufwärtswandlung von Infrarotstrahlung wurde von E. S. Voronin et al, Sov. Phys. Usp., Bd. 22, Nr. 1, Seiten 26 - 45 (Januar 1979) und J. Warner, "Difference Frequency Generation and Up-Conversion" in Quantum Electronics, Bd. I, Non- linear Optics, Teil B, H. Rabin und C. L. Tang, Herausgeber, Academic Press, New York, Seiten 703 - 737 (1975) besprochen. Eine theoretische Diskussion der Infraroterfassung durch Summenfrequenzerzeugung wurde auch von D. A. Kleinman et al, J. Appl. Phys., Bd. 40, Nr. 2, Seiten 546 - 566 (Februar 1969) veröffentlicht.
- Auf Seite 34 ihres vorstehend genannten Übersichtsartikels beschreiben E. S. Veronin et al die Aufwärtswandlung von Infrarotstrahlung eines CO&sub2;-Lasers innerhalb des Hohlraums eines YAG:Nd³&spplus;-Lasers unter Verwendung von Proustit als nichtlineares optisches Material. Darüber hinaus haben E. Liu et al, Applied Optics, Bd. 21, Nr. 19, Seiten 3415 - 3416 (1. Oktober 1982) über die Erzeugung von Strahlung bei Wellenlängen im Bereich von 252 nm bis 268 nm durch Summenfrequenzerzeugung in einem internen Hohlraum in einem 90 º-phasenangepaßten, temperaturabgestimmten Ammoniumdihydrogenphosphat-Kristall, die ausgewählten Ausgangslinien eines Argonionenlasers und die Wanderwelle in einem Rhodamin-110- Ring-Farbstoff laser berichtet. Ferner offenbart das für Firester am 29. Februar 1972 erteilte US-Patent Nr. 3,646,358 die Aufwärtswandlung von Signalstrahlung einer externen Quelle innerhalb eines Laserresonators, wobei die Polarisation des Signalstrahls rechtwinklig zu derjenigen des Pumpstrahls ist, der innerhalb des Laserresonators erzeugt wird.
- Auf den Seiten 559 - 564 des vorstehend genannten Übersichtsartikels diskutieren E. A. Kleinman et al die theoretischen Gesichtspunkte der Summenfrequenzerzeugung in einem externen Resonator. Darüber hinaus haben V. L. Aleinikov et al, Sov. J. Quantum Electronic, Bd. 13, Nr. 8, Seiten 1.059 - 1.061 (August 1983) die theoretischen Gesichtspunkte parametrischer Aufwärtswandlung in einem externen Resonator analysiert. Ferner haben H. Hemmati et al, Optics Letters, Bd. 8, Nr. 2, Seiten 73 - 75 (Februar 1983) über die Erzeugung von Strahlung bei einer Wellenlänge von 194 nm durch Summenfrequenzerzeugung in einem externen Hohlraum unter Verwendung des folgenden als Eingangsstrahlung berichtet: (a) zweite Harmonische von 257 nm des Ausgangssignals von 550 nm eines Argonionen-Dauerstrich(CW)-Lasers und (b) Ausgangssignal eines abstimmbaren CW-Farbstofflasers im Bereich um 792 nm.
- Differenzfrequenzerzeugung wurde im oben angegebenen Übersichtsartikel in Quantum Electronics, Bd. I. auf den Seiten 735 - 736 und von R. L. Aggarwal et al in Nonlinear Infrared Generation, Y.-R. Shen, Herausgeber, Springer-Verlag, Berlin, Seiten 19 - 38 (1977) besprochen.
- Dahmani et al haben in Optics Letters, Bd. 12, Nr. 11, Seiten 876 - 878 (November 1987) berichtet, daß ein getrennter Fabry-Perot-Resonator dazu verwendet werden kann, optische Rückkopplung für einen Einmoden-GaAlAs-Laserdiode bei 850 nm zu erzielen, die die Laserdiode dazu zwingt, ihre Frequenz auf die der Hohlraumresonanz einzurasten. Infolgedessen wird die Frequenz des Diodenlasers stabilisiert und die Linienbreite des Lasers wird um einen Faktor 1.000 von 20 MHz auf ungefähr 20 kHz verringert.
- Es besteht ein dauerndes Erfordernis für wirksame, kompakte und zuverlässige Laser, die im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Abschnitt des Spektrums arbeiten, und die Modulationsraten über den Bereich von 0 Hz bis über 1 GHz in einem weiten Intensitätsbereich erzielen können. Derartige Vorrichtungen wären für Anwendungen von Nutzen, zu denen das optische Speichern von Daten, Reprographie, Spektroskopie und Nachrichtentechnik gehören. Z.B. erfordert die Speicherung von Daten in optischen Platten eine Quelle kohärenter Strahlung, die mit einer Rate zwischen etwa 5 und etwa 20 MHz moduliert werden kann, und derartige Strahlung soll wunschgemäß im sichtbaren oder ultravioletten Teil des Spektrums liegen, um die Datenspeicherung innerhalb einer vorgegebenen Fläche zu maximieren. Darüber hinaus wären kompakte, kohärente Wellen für rotes, grünes und blaues Licht für Fernsehanwendungen sehr reizvoll, die eine Quelle mit hoher Helligkeit benötigen. Die Verwendung dreier solcher Laser anstatt der roten, grünen und blauen Elektronenkanonen einer herkömmlichen Fernsehbildröhre würde zu einem Fernsehprojektor hoher Helligkeit führen, der bei Simulationssystemen und Großbild-Fernsehsystemen von Nutzen wäre. Laserdioden besitzen alle oben beschriebenen Fähigkeiten mit Ausnahme einer - ihr Ausgangssignal liegt in einem begrenzten Teil des elektromagnetischen Spektrums bei Wellenlängen im Bereich von etwa 630 nm bis etwa 1.600 nm.
- Die Erfindung ist auf einen wirksamen, kompakten und zuverlässigen Laser gerichtet, der im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Teil des Spektrums betrieben werden kann, und der Modulationsraten über den Bereich von 0 Hz bis über 1 GHz zugänglich ist.
- Wir haben herausgefunden, daß kohärente optische Strahlung (kohärente Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums) durch Umwandlung von Strahlung einer Laserdiode in Strahlung einer anderen Frequenz durch Wechselwirkung mit einem nichtlinearen optischen Material in einem externen Resonator erzeugt werden kann. Wir haben auch herausgefunden, daß der Wirkungsgrad dieser Umwandlung wesentlich unter Verwendung optischer Rückkopplung aus dem externen Resonator in die Laserdiode erhöht werden kann. Da die Frequenz der Ausgangsstrahlung aus solcher Umwandlung eine Funktion der Eingangsfrequenz oder -frequenzen ist, kann die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung bequem über den größten Teil des optischen Spektrums und dessen gesamten sichtbaren Bereich lediglich durch geeignete Auswahl der verwendeten Laserdiode oder der verwendeten Laserdioden verändert werden. Darüber hinaus behält die sich ergebende Vorrichtung im wesentlichen die Zuverlässigkeit und die kompakte Größe ihrer Festkörperbauteile.
- Eine Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen kohärenter optischer Strahlung, mit: (a) einer Laserdiodeneinrichtung zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung einer ersten Frequenz; (b) einem optischen Resonator, der bei optischer Strahlung mit der ersten Frequenz resonant und von jedem als Bauelement der Laserdiodeneinrichtung verwendeten optischen Resonator getrennt ist; (c) einer Einrichtung zur Einkopplung der Strahlung einer ersten Frequenz aus der Laserdiodeneinrichtung in den optischen Resonator; (d) einer Rückkoppeleinrichtung zur Rückführung eines kleineren Teils der Strahlung einer ersten Frequenz aus dem optischen Resonator zu der Laserdiodeneinrichtung, wobei dieser kleinere Teil ein Einengen der Linienbreite der optischen Emission der Laserdiodeneinrichtung und ein Festhalten der optischen Emission der Laserdiodeneinrichtung bei der ersten Frequenz bewirkt; und (e) einer im optischen Resonator angeordneten nichtlinearen optischen Einrichtung zur Erzeugung kohärenter Strahlung einer zweiten Frequenz durch Wechselwirken mit der Strahlung einer ersten Frequenz.
- Eine andere Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erzeugen kohärenter optischer Strahlung, mit: (a) einer Einspeiseeinrichtung zur Erzeugung kohärenter Strahlung einer ersten Frequenz, ω&sub1;; (b) einer Laserdiodeneinrichtung zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz, ω&sub2;; (c) einem optischen Resonator, der bei optischer Strahlung mit der zweiten Frequenz resonant und von jedem als Bauelement der Einspeiseeinrichtung und der Laserdiodeneinrichtung verwendeten getrennt ist; (d) einer Einrichtung zur Einkopplung der Strahlung einer ersten Frequenz und der Strahlung einer zweiten Frequenz in den optischen Resonator; (e) einer Rückkoppeleinrichtung zur Rückführung eines kleineren Teils der Strahlung einer zweiten Frequenz aus dem optischen Resonator zu der Laserdiodeneinrichtung, wobei dieser kleinere Teil ein Einengen der Linienbreite der optischen Emission der Laserdiodeneinrichtung und ein Festhalten der optischen Emission der Laserdiodeneinrichtung bei der zweiten Frequenz bewirkt; und (f) einer in dem optischen Resonator angeordneten nichtlinearen optischen Einrichtung zur Erzeugung kohärenter Strahlung einer dritten Frequenz, ω&sub3;, durch Wechselwirken mit der Strahlung einer ersten Frequenz und der Strahlung einer zweiten Frequenz.
- Eine andere Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen kohärenter optischer Strahlung, das beinhaltet: (a) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer ersten Frequenz durch eine Laserdiode; (b) Einkoppeln der Strahlung einer ersten Frequenz in einen optischen Resonator, der bei der Strahlung einer ersten Frequenz resonant und von jedem als Bauelement der Laserdiode verwendeten optischen Resonator getrennt ist; (c) Erzeugen eines optischen Rückkopplungssignals für die Laserdiode durch Herausziehen eines kleineren Betrags der Strahlung einer ersten Frequenz aus dem optischen Resonator und Rückführen dieses kleineren Betrags der Strahlung zu der Laserdiode und Festhalten der optischen Emission der Laserdiode bei der ersten Frequenz; und (d) Erzeugen kohärenter Strahlung eiiner zweiten Frequenz durch Wechselwirkung der Strahlung einer ersten Frequenz mit einer in dem optischen Resonator angeordneten nichtlinearen optischen Substanz.
- Eine weitere Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen kohärenter optischer Strahlung, mit: (a) Erzeugen kohärenter Strahlung einer ersten Frequenz, ω&sub1;, durch eine erste Quelle; (b) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz, ω2, durch eine aus einer Laserdiode bestehenden zweiten Quelle; (c) Einkoppeln der Strahlung einer ersten und einer zweiten Frequenz in einen optischen Resonator, der bei der Strahlung einer zweiten Frequenz resonant und jedem als Bauelement bei der ersten und zweiten Quelle verwendeten getrennt ist; (d) Erzeugen eines optischen Rückkopplungssignals für die Laserdiode durch Herausziehen eines kleineren Betrags der Strahlung zu der Laserdiode zum Einengen der Linienbreite der optischen Emission der Laserdiode bei der zweiten Frequenz; und (e) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer dritten Frequenz, ω&sub3;, durch Wechselwirkung der Strahlung einer ersten Frequenz und der Strahlung einer zweiten Frequenz mit einer in dem optischen Resonator angeordneten nichtlinearen optischen Substanz.
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Festkörpervorrichtung zur Erzeugung kohärenter Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums anzugeben.
- Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine kompakte Quelle für kohärentes Licht im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums anzugeben, die wirkungsvoll und zuverlässig ist.
- Es ist eine andere aufgabe der Erfindung, eine einfach modulierbare Quelle kohärenter Strahlung im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Bereich des Spektrums anzugeben.
- Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung durch Frequenzänderung des Ausgangssignals einer Laserdiode anzugeben.
- Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein wirksames Verfahren zur Frequenzänderung der optischen Strahlung einer Laserdiode anzugeben.
- Fig. 1 der Zeichnungen ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, zu dem harmonische Erzeugung aus dem Ausgangssignal einer Laserdiode in einem konfokalen optischen Resonator gehört.
- Fig. 2 der Zeichnungen ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, zu dem harmonische Erzeugung aus dem Ausgangssignal einer Laserdiode in einem linearen optischen Resonator mit stehender Welle gehört.
- Fig. 3 der Zeichnungen ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, zu dem optisches Mischen des Ausgangssignals einer Laserdiode in einem konfokalen optischen Resonator gehört.
- Fig. 4 der Zeichnungen ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, zu dem optisches Mischen des Ausgangssignals einer Laserdiode in einem linearen optischen Resonator mit stehender Welle gehört.
- Während diese Erfindung einer Ausführung in vielen Formen zugänglich ist, sind in den Fig. 1 - 4 vier spezielle Beispiele schematisch dargestellt, mit der Voraussetzung, daß die vorliegende Offenbarung den Schutzbereich der Erfindung nicht auf die veranschaulichten Ausführungsbeispiele beschränken soll.
- Gemäß Fig. 1 ist eine Laserdiode 1 auf einer Wärmesenke 2 angebracht. Kohärente Strahlung der Laserdiode 1 wird entlang eines Strahlpfades 3 durch eine Fokussiereinrichtung 4 fokussiert und in einen externen, konfokalen optischen Fabry-Perot-Resonator eingespeist, der durch Spiegel 5 und 6 festgelegt ist und ein nichtlineares optisches Material 7 enthält. Infolge der Einkopplung von Strahlung aus der Laserdiode 1 wird innerhalb des externen optischen Resonators entlang Pfaden 8 und 9 ein resonantes Feld (Resonatorstrahlung) erzeugt. Wechselwirkung der Resonatorstrahlung mit dem nichtlinearen optischen Material 7 führt zur Erzeugung einer Harmonischen der Resonatorstrahlung, die über den Spiegel 6 als Ausgangsstrahlung entlang Pfaden 10 und 12 ausgegeben wird. Ein unbedeutender Anteil der Resonatorstrahlung wird durch den Spiegel 5 abgestrahlt und als optische Rückkopplung entlang des Strahlpfades 3 auf die Laserdiode 1 rückgeführt, um die Linienbreite des Ausgangssignals der Laserdiode einzuengen und die Frequenz der Laserdiode auf diejenige des externen, konfokalen optischen Resonators einzurasten. Jede Strahlung der Laserdiode 1, die vom Spiegel 5 zurückgeworfen wird, wird entlang einem Pfad 11 reflektiert.
- Die Laserdiode 1 ist eine Einstreifen-Laserdiode. Eine derartige Vorrichtung wird herkömmlicherweise an einer Wärmesenke 2 befestigt, die dazu dient, jegliche Abwärme abzustrahlen, die von der Laserdiode 1 erzeugt wird. Obwohl die Wärmesenke 2 ihrer Art nach passiv sein kann, kann sie auch eine thermoelektrische Kühleinrichtung oder eine andere Temperaturregelungseinrichtung aufweisen, um dazu beizutragen, die Laserdiode 1 auf konstanter Temperatur zu halten und dadurch optimalen Betrieb der Laserdiode 1 bei der gewünschten Wellenlänge zu gewährleisten. Es ist zu beachten, daß die Laserdiode 1 während des Betriebs selbstverständlich mit einer geeigneten Spannungsversorgung verbunden ist. Elektrische Leitungen von der Laserdiode 1, die zur Spannungsversorgung führen, sind in Fig. 1 nicht dargestellt.
- Es stehen herkömmliche Laserdioden zur Verfügung, die abhängig von ihrer Zusammensetzung Ausgangsstrahlung mit einer Wellenlänge über den Bereich von etwa 630 bis etwa 1.600 nm erzeugen können, und jede derartige Vorrichtung kann beim Ausüben der Erfindung als Laserdiode 1 verwendet werden. Z.B. können durch geeignete Einstellung der Zusammensetzung Vorrichtungen auf Grundlage von GaAlAs dazu verwendet werden Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa 750 bis etwa 900 nm zu liefern, und InGaAsP-Vorrichtungen können dazu verwendet werden, Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa 1.000 bis etwa 1.600 nm zu liefern.
- Die Fokussiereinrichtung 4 dient dazu, die Eingangsstrahlung von der Laserdiode 1 in den durch die Spiegel 5 und 6 festgelegten konfokalen optischen Resonator zu fokussieren. Dieses Fokussieren erfolgt vorzugsweise dergestalt, daß die Erzeugung harmonischer Ausgangsstrahlung optimiert wird. Jede herkömmliche optische Einrichtung zum Fokussieren von Licht kann als Fokussiereinrichtung 4 verwendet werden. Z.B. kann eine Gradientenindexlinse, eine Kugellinse, eine asphärische Linse oder eine Kombination von Linsen verwendet werden. Es ist jedoch zu beachten, daß die Fokussiereinrichtung 4 für die Ausübung der Erfindung nicht wesentlich ist und daß die Verwendung einer solchen Fokussiereinrichtung lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel repräsentiert.
- Eingangstrahlung aus der Laserdiode 1 läuft entlang des Strahlpfades 3 in den durch die Spiegel 5 und 6 festgelegten, konfokalen optischen Fabry-Perot-Resonator. In einem solchen Resonator entspricht der Spiegelabstand oder die Resonatorlänge dem Krümmungsradius der Spiegel. Darüber hinaus ist der Strahlpfad 3 gegenüber der optischen Achse des optischen Resonators versetzt. Demgemäß arbeitet der Resonator als Vorrichtung, aus der Resonatorstrahlung entlang vier verschiedenen Pfaden 3, 10, 11 und 12 ausgegeben werden kann. Infolge der Eigenschaften eines Fabry-Perot-Resonators ist der Strahl der Strahlung entlang des Pfads 11 eine Kombination jeglicher rückreflektierter Eingangsstrahlung aus der Laserdiode 1, zusammen mit jeglicher Resonatorstrahlung, die durch den Spiegel 5 entlang des Strahlpfads 9 übertragen wurde. Der Strahl entlang des Pfads 11 weist minimale Leistung auf, wenn die Frequenz der Laserdiode 1 mit einer Hohlraumresonanz übereinstimmt. Resonatorstrahlung, die über die Pfade 3, 10 und 12 ausgegeben wird, weist maximale Leistung auf, wenn die Eingangsstrahlung aus der Laserdiode 1 im Resonator resonant ist. Resonatorstrahlung, die entlang des Pfads 3 ausgegeben wird, dient als optische Rückkopplung an die Laserdiode 1, und sie weist zwei Hauptwirkungen auf - sie führt zu einem wesentlichen Einengen der Linienbreite des optischen Ausgangssignals aus der Laserdiode, und sie wirkt auch dahin, die Frequenz der Ausgangsstrahlung der Laserdiode auf eine Resonanz des externen Resonators einzurasten. Falls gewünscht, kann eine herkömmliche Einrichtung im Strahlpfad 3 angeordnet werden, um das Ausmaß optischer Rückkopplung an die Laserdiode 1 einzustellen und zu steuern. Z.B. ist ein veränderlicher Faraday-Isolator für diesen Zweck bestens ausreichend.
- Ein unbedeutender Anteil der Resonatorstrahlung wird als optische Rückkopplung an die Laserdiode 1 rückgeführt. Die genaue Menge für die erforderliche Rückkopplung hängt von der verwendeten Laserdiode ab. Z.B. hat die Art der Endflächenbeschichtung, falls eine solche vorliegt, auf der Laserdiode Auswirkung auf das Ausmaß erforderlicher optischer Rückkopplung. Typischerweise sind bei Ausüben der Erfindung jedoch weniger als etwa 5 % der Resonatorstrahlung für die Rückkopplung erforderlich.
- Falls erforderlich kann die Phase der optischen Rückkopplung auf die Laserdiode 1 durch eine herkömmliche Einrichtung eingestellt werden, um das resonante Feld innerhalb des externen Resonators zu maximieren. Z.B. kann Phaseneinstellung der optischen Rückkopplung dadurch erzielt werden, daß der Abstand zwischen dem externen optischen Resonator und der Laserdiode 1 durch ein piezoelektrisches Element verändert wird, die Temperatur der Struktur, die diese zwei Komponenten trennt, verändert wird oder ein elektrooptischen Elements mit feldabhängigem optischem Pfad zwischen dem externen optischen Resonator und dem Diodenlaser 1 eingebaut wird.
- Die optische Rückkopplung aus dem externen Resonator auf die Laserdiode ist wichtig, da sie es vereinfacht, die Laserdiodenfrequenz mit derjenigen des externen Resonators zur Übereinstimmung zu bringen. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß die Rückkopplung die Laserdiode dazu zwingt, auf einer Frequenz zu laufen, die die Fabry-Perot-Resonanzbedingung für den externen Resonator erfüllt. Darüber hinaus verringert die optische Rückkopplung auf die Laserdiode die Linienbreite des Ausgangssignals der Diode, was demgemäß zu verbesserter Frequenzwandlung des Ausgangssignals der Diode im externen Resonator führt. Diese Kontrolle über die Frequenz und die Linienbreite des Diodenausgangssignals erlaubt die Erzeugung eines intensiven resonatorinternen resonanten Felds innerhalb eines hochraffinierten externen Resonators. Selbstverständlich ist zu beachten, daß der Wirkungsgrad der Frequenzwandlung durch das nichtlineare optische Material 7 eine Funktion der Intensität des resonatorinternen resonanten Feldes ist.
- Der genaue Typ des beim Ausüben der Erfindung verwendeten externen optischen Resonators ist nicht kritisch, und jeder herkömmliche Resonatortyp kann für den in Fig. 1 dargestellten konfokalen Resonator eingesetzt werden. Die Verwendung des konfokalen Resonators von Fig. 1 repräsentiert ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, da ein solcher Resonator ein einfaches Verfahren zum Erzeugen der erforderlichen optischen Rückkopplung für die Laserdiode 1 bildet. Es ist auch zu beachten, daß jedes passende Verfahren verwendet werden kann, um die erforderliche optische Rückkopplung für die Laserdiode zu erzeugen.
- Resonatorstrahlung, die innerhalb des durch die Spiegel 5 und 6 festgelegten optischen Resonators umläuft, wechselwirkt mit dem nichtlinearen optischen Material 7. Diese Wechselwirkung führt zur Umwandlung der Resonatorstrahlung in eine ihrer Harmonischen, z.B. die zweite Harmonische, die als Ausgangsstrahlung über den Spiegel 6 ausgegeben wird. Durch geeignete Ausrichtung des nichtlinearen optischen Materials in bezug auf die wechselwirkende Resonatorstrahlung (Phasenanpassung) tritt wirkungsvolle Erzeugung harmonischer Strahlung des gewünschten Typs auf. Die Abläufe und Kriterien für die Auswahl und die Phasenanpassung nichtlinearer optischen Materialien für einen vorgegebenen Frequenzwandlungsprozeß sind herkömmlich.
- Die geometrische Form des nichtlinearen optischen Materials 7 kann sich in weiten Bereichen ändern. Z.B. kann es stabförmig oder sechseckig sein, und es kann als Linsen ausgebildete Oberflächen aufweisen, falls erwünscht. Es ist auch zu beachten, daß jegliche solche nichtlineare optische Komponente eine Heiz- oder Kühleinrichtung aufweisen kann, um die Temperatur des nichtlinearen optischen Materials einzustellen, um dadurch die Phasenanpassung zu optimieren. Wegen des Ausschließens eines Weglaufens wird nichtkritische Phasenanpassung im allgemeinen, wenn möglich, bevorzugt.
- Kaliumtitanylphosphat, KTiOPO&sub4;, wie auch LiNbO&sub3; und KNbO&sub3; sind als nichtlineare optische Materialien stark bevorzugt. Jedoch ist zu beachten, daß jedes nichtlineare optische Material beim Ausführen der Erfindung verwendet werden kann. Geeignete nichtlineare optische Materialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, KH&sub2;PO&sub4;, LiNbO&sub3;, KNbO&sub3;, ß-BaB&sub2;O&sub4;, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5;, LiIO&sub3;, HIO&sub3;, KB&sub5;O&sub8; 4H&sub2;O, Kaliumlithiumniobat, Harnstoff und Verbindungen mit der Formel MTiO(XO&sub4;), wobei M aus der Gruppe mit K, Rb und Tl ausgewählt ist und X aus der Gruppe mit P und As ausgewählt ist.
- Modulation der harmonischen Ausgangsstrahlung 10 kann leicht durch Modulieren der Eingangsstrahlung aus der Laserdiode 1 erzielt werden, z.B. durch Modulation der Spannungsversorgung der Laserdiode 1. Herkömmliche Einrichtungen stehen zum Modulieren des Ausgangssignals aus Laserdioden über den Bereich von 0 Hz bis über 1 GHz zur Verfügung, und die Verwendung einer solchen Modulationseinrichtung repräsentiert ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- Bei einem speziellen Beispiel des in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiels wird eine Einstreifen-Laserdiode vom Typ Mitsubishi ML 2701 mit 10 mW mit einer Emissionswellenlänge von 886 nm bei Raumtemperatur als Laserdiode 1 verwendet. Kollimiertes Licht aus der Laserdiode wird durch einen (in Fig. 1 nicht dargestellten) Faraday-Isolator geführt und auf den Eingangsspiegel 5 des durch die Spiegel 5 und 6 festgelegten konfokalen externen Resonators fokussiert. Die Spiegel 5 und 6 weisen einen Krümmungsradius von 2,5 cm und ein Reflexionsvermögen von 98,5 % für Strahlung einer Wellenlänge von 886 nm auf. Ein optisches Rückkopplungssignal vom externen Resonator wird durch den Faraday-Isolator auf die Laserdiode rückgeführt, der dazu verwendet wird, den Anteil der Rückkopplung einzustellen und zu steuern. Das nichtlineare optische Material 7 ist ein Quader aus Kaliumniobat (KNbO&sub3;), der für Strahlung einer Wellenlänge von 886 nm antireflektierend beschichtet ist. Der Kaliumnitratkristall ist so in den externen konfokalen Resonator eingesetzt, daß seine kristallographische C-Achse im wesentlichen mit der Polarisation der einfallenden Strahlung aus der Laserdiode 1 übereinstimmt, und der Kaliumniobat-Kristall wird durch Beheizen mit einem (in Fig. 1 nicht dargestellen) Widerstandsheizer auf eine Temperatur von etwa 77 ºC für Frequenzverdoppelung in der Phase angepaßt. Blaues Licht mit einer Wellenlänge von 443 nm wird durch Wechselwirkung des resonanten Felds innerhalb des externen Resonators mit dem Kaliumniobat-Kristall erzeugt und als Ausgangsstrahlung entlang der Pfade 10 und 12 ausgegeben.
- Fig. 2 veranschaulicht schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Erzeugung harmonischer Strahlung in einem linearen optischen Fabry-Perot-Resonator für stehende Wellen ausgeführt wird, und ein Faraday-Isolator, dessen Ausgangspolarisator entfernt ist, wird dazu verwendet, die Laserdiode von rückreflektiertem Licht abzutrennen. Gemäß Fig. 2 ist die Laserdiode 20 auf einer Wärmesenke 21 angebracht. Kohärente Strahlung von der Laserdiode 20 wird durch eine Fokussiereinrichtung 23 entlang eines Strahlpfads 22 fokussiert, durch einen Faraday-Isolator 24 geleitet, dessen Ausgangspolarisator entfernt ist, und in den linearen optischen Fabry-Perot-Resonator mit stehenden Wellen eingekoppelt, der durch die Spiegel 25 und 26 festgelegt ist, und ein nichtlineares optisches Material 27 enthält. Das resonante Feld (Resonatorstrahlung) innerhalb des externen optischen Resonators wechselwirkt mit dem nichtlinearen optischen Material 27, und diese Wechselwirkung führt zur Erzeugung einer Harmonischen der Resonatorstrahlung, die über den Spiegel 26 als Ausgangsstrahlung 28 ausgegeben wird. Ein unbedeutender Anteil der Resonatorstrahlung wird durch den Spiegel 25 geführt und als Rückkopplungssignal auf die Laserdiode 20 entlang des Strahlpfads 22 rückgeführt, um die Linienbreite der Laserdiode einzuengen und die Frequenz der Laserdiode auf die des externen optischen Resonators einzurasten. Jede Strahlung von der Laserdiode 20, die entlang des Pfads 22 durch den Spiegel 25 rückgestrahlt wird, wird durch den Faraday-Isolator 24 abgeblockt und daran gehindert, zur Laserdiode 20 zurückzukehren.
- Jede Strahlung aus der Laserdiode 20, die vom Spiegel 25 auf die Laserdiode rückgestrahlt wird, weist eine unerwünschte Tendenz zum Hervorrufen von Amplituden- und Frequenzschwankungen in der Ausgangsstrahlung der Laserdiode 20 auf. Demgemäß wird die Laserdiode 20 durch den Faraday-Isolator 24 gegenüber jeglicher derartiger rückgestrahlter Strahlung abgetrennt. Das Licht aus der Laserdiode 20 ist linear polarisiert. Demgemäß ist das rückgestrahlte Licht vom Spiegel 25 auf dieselbe Weise polarisiert, und es wird durch den Faraday-Isolator 24 an der Rückkehr zur Laserdiode gehindert. Jedoch läuft jeder Anteil der Resonatorstrahlung, die durch den Spiegel 25 übertragen wird und der durch die Doppelbrechung des nichtlinearen optischen Materials 27 oder durch andere Resonatorkomponenten in rechtwinklige Polarisation verdreht ist, durch den Faraday-Isolator 24, da dessen Ausgangspolarisator entfernt ist, und kehrt als optisches Rückkopplungssignal zur Laserdiode 20 zurück. Der Anteil der optischen Rückkopplung auf die Laserdiode 20 kann durch herkömmliche Mittel eingestellt werden, z.B. durch Einstellen des Reflexionsvermögens des Spiegels 25.
- Fig. 3 veranschaulicht schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem optische Mischstrahlung innerhalb eines externen konfokalen optischen Fabry-Perot-Resonators erzeugt wird. Gemäß Fig. 3 ist eine Laserdiode 40 auf einer Wärmesenke 41 angebracht. Kohärente Strahlung einer Frequenz ω&sub2; aus der Laserdiode 40 wird durch eine Fokussiereinrichtung 43 entlang eines Strahlpfades 42 fokussiert und in den durch Spiegel 44 und 45 festgelegten externen konfokalen optischen Fabry-Perot-Resonator eingespeist, der ein nichtlineares optisches Material 46 enthält. Das innerhalb des externen optischen Resonators durch Einspeisen der Strahlung aus der Laserdiode 40 erzeugte resonante Feld (Resonatorstrahlung) wird entlang Pfaden 47 und 48 aufgebaut. Ein unbedeutender Anteil der Resonatorstrahlung wird durch den Spiegel 44 übertragen und als Rückkopplungssignal entlang des Strahlpfades 42 auf die Laserdiode 40 rückgeführt, um die Linienbreite des Ausgangssignals der Laserdiode einzuengen und die Frequenz der Laserdiode auf diejenige des externen konfokalen optischen Resonators einzurasten. Jede Strahlung von der Laserdiode 40, die durch den Spiegel 44 zurückgestrahlt wird, wird entlang des Pfads 49 abgewiesen. Kohärente Eingangsstrahlung 50 einer Frequenz ω&sub1; von der Strahlungsquelle 51 wird durch eine Fokussiereinrichtung 52 fokussiert, durch einen optischen Isolator 53 geführt und entlang des Pfads 47 in den externen optischen Resonator eingespeist. Strahlung der Laserdiode 40 und Eingangsstrahlung aus der Strahlungsquelle 51 erfahren im nichtlinearen optischen Material 46, das an den gewünschten optischen Mischprozeß phasenangepaßt ist, optische Mischung, z.B. Summenfrequenzerzeugung. Mindestens ein Teil der sich ergebenden optischen Mischstrahlung mit der Frequenz ω&sub3; wird als Ausgangsstrahlung 54 durch den Spiegel 45 gegeben.
- Die Strahlungsquelle 51 kann eine beliebige Quelle kohärenter optischer Strahlung sein. Geeignete Quellen umfassen, obwohl keine Beschränkung hierauf besteht, Farbstofflaser und Festkörperlaser. Jedoch ist eine Laserdiode eine stark bevorzugte Quelle.
- Der durch die Spiegel 44 und 45 festgelegte externe optische Resonator ist für Strahlung der Laserdiode 40 resonant. Falls erwünscht kann der Resonator auch resonant sein für: (a) entweder Eingangsstrahlung aus der Quelle 51 oder Ausgangsstrahlung 54; oder (b) sowohl Eingangsstrahlung von der Quelle 51 als auch Ausgangsstrahlung 54. Tatsächlich kann dann, wenn die Quelle 51 eine Laserdiode ist, optische Rückkopplung aus dem externen Resonator dazu verwendet werden, deren Linienbreite einzuengen und ihre Frequenz auf diejenige des externen Resonators einzurasten, auf dieselbe Weise wie bei der Laserdiode 40.
- Der optische Isolator 53 dient dazu, jegliche Reflexion von Eingangsstrahlung 50 auf den Spiegel 45 und zurück zur Quelle 51 zu verhindern. Jede solche Rückstrahlung weist eine unerwünschte Tendenz zum Erzeugen von Amplituden- und Frequenzschwankungen in der Ausgangsstrahlung der Quelle 51 auf. Jede herkömmliche Einrichtung zum Erzielen optischer Isolierung der Quelle 51 kann verwendet werden, z.B. ein Faraday-Isolator oder eine Viertelwellenlängenplatte. Jedoch ist es zu beachten, daß optische Isolierung der Eingangsquelle 51 für die Ausübung der Erfindung nicht wesentlich ist und lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel repräsentiert.
- Die Ausgangsstrahlung 54 kann das Ergebnis jedes beliebigen optischen Mischprozesses sein, und das nichtlineare optische Material 46 ist an den ausgewählten optischen Mischprozeß phasenangepaßt. Wenn z.B. ω&sub1; größer als ω&sub2; ist, kann der optische Mischprozeß entweder Summenfreguenzerzeugung (ω&sub3; = ω&sub1; + ω&sub2;) oder Differenzfrequenzerzeugung (ω&sub3; = ω&sub1; - ω&sub2;) sein.
- Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl die Eingangsstrahlung von der Laserdiode 40 als auch die Eingangsstrahlung 50 von der Strahlungsquelle 51 polarisiert, und die Polarisationsebenen sind auf solche Weise eingestellt, daß der Wirkungsgrad für optische Mischung im nichtlinearen optischen Material 46 optimiert ist. Z.B. sollten diese Polarisationsebenen für Summenfrequenzerzeugung rechtwinklig für Phasenanpassung vom Typ II sein, und identisch für Phasenanpassung vom Typ I.
- Modulation der Ausgangsstrahlung 54 nach optischem Mischen kann einfach dadurch erzielt werden, daß entweder die Eingangsstrahlung aus der Laserdiode 40 oder die Eingangsstrahlung aus der Strahlungsquelle 51 moduliert wird. Wenn eine Laserdiode dazu verwendet wird, Eingangsstrahlung zu liefern, kann eine solche Modulation geeignet durch Modulieren der Spannungsversorgung der Laserdiode erzielt werden.
- Fig. 4 veranschaulicht schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem optische Mischstrahlung innerhalb eines linearen optischen Fabry-Perot-Resonators mit stehenden Wellen statt in dem in Fig. 3 dargestellten konfokalen Resonator erzeugt wird. Gemäß Fig. 4 ist eine Laserdiode 60 auf einer Wärmesenke 51 angebracht. Kohärente Strahlung einer Frequenz ω&sub2; der Laserdiode 60 wird durch eine Fokussiereinrichtung 62 fokussiert, durch einen Faraday- Isolator 63 geleitet, dessen Ausgangspolarisator entfernt ist, durch einen Ablenkspiegel 64 um 90 Grad abgelenkt und in den externen, linearen optischen Fabry-Perot-Resonator mit stehenden Wellen eingespeist, der durch Spiegel 65 und 66 festgelegt ist und ein nichtlineares optisches Material 67 enthält. Ein unbedeutender Anteil des durch Einspeisen der Strahlung aus der Laserdiode 60 im externen optischen Resonator erzeugten resonanten Feldes (Resonatorstrahlung) wird durch den Spiegel 65 gesandt und entlang des Pfades für Eingangsstrahlung für den Resonator von der Diode als Rückkopplungssignal auf die Laserdiode 60 rückgeführt, um die Linienbreite des Diodenausgangssignals einzuengen und die Diodenfrequenz auf diejenige des externen Resonators einzurasten. Jede Strahlung der Laserdiode 60, die entlang des Eingangspfads durch den Spiegel 65 zurückgestrahlt wird, wird durch den Faraday-Isolator 63 abgeblockt und daran gehindert, zum Diodenlaser 60 zurückzukehren. Kohärente Eingangsstrahlung einer Frequenz ω&sub1; von einer Strahlungsquelle 68 wird durch eine Fokussiereinrichtung 69 fokussiert, durch einen 90-Grad-Spiegel 64 geleitet und in den durch die Spiegel 65 und 66 festgelegten externen Resonator eingespeist. Strahlung der Laserdiode 60 und der Strahlungsquelle 68 erfahren im nichtlinearen optischen Material 67, das für den gewünschten optischen Mischprozeß phasenangepaßt ist, optische Mischung. Zumindest ein Teil der sich ergebenden optischen Mischstrahlung mit der Frequenz ω&sub3; wird als Ausgangsstrahlung 70 durch den Spiegel 66 geführt.
- Der 90-Grad-Ablenkspiegel 64 ist auf solche Weise aufgebaut, daß er hohes Reflexionsvermögen für Eingangsstrahlung aus der Laserdiode 60 aufweist, jedoch im wesentlich durchsichtig für Eingangsstrahlung aus der Quelle 68 ist. Z.B. kann der Spiegel 64 eine geeignete dielektrische Beschichtung auf einem geeigneten Substrat aufweisen. Es ist jedoch zu beachten, daß der 90-Grad-Ablenkspiegel 64 kein wesentliches Element der Erfindung ist. Wenn der Ablenkspiegel 64 fehlt, kann jedes geeignete alternative Verfahren dazu verwendet werden, Eingangsstrahlung aus der Laserdiode 60 und der Quelle 68 in den durch die Spiegel 65 und 66 festgelegten externen Resonator einzuspeisen.
Claims (21)
1. Vorrichtung zur Erzeugung optischer Strahlung mit:
(a) einer Laserdiodeneinrichtung (1; 20) zur Erzeugung
kohärenter optischer Strahlung einer ersten Frequenz;
(b) einem optischen Resonator (5, 6; 25, 26), der bei
optischer Strahlung mit der ersten Frequenz resonant und von
jedem als Bauelement der Laserdiodeneinrichtung verwendeten
optischen Resonator getrennt ist;
(c) einer Einrichtung zur Einkopplung der Strahlung
einer ersten Frequenz aus der Laserdiodeneinrichtung in den
optischen Resonator;
(d) einer Rückkoppeleinrichtung zur Rückführung eines
kleineren Teils der Strahlung einer ersten Frequenz aus dem
optischen Resonator zu der Laserdiodeneinrichtung, wobei
dieser kleinere Teil ein Einengen der Linienbreite der optischen
Emission der Laserdiodeneinrichtung und ein Festhalten der
optischen Emission der Laserdiodeneinrichtung bei der ersten
Frequenz bewirkt; und
(e) einer im optischen Resonator angeordneten
nicht-linearen optischen Einrichtung (7; 27) zur Erzeugung kohärenter
Strahlung einer zweiten Frequenz durch Wechselwirken mit der
Strahlung einer ersten Frequenz.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlung einer
zweiten Frequenz die zweite Harmonische der Strahlung einer
ersten Frequenz ist.
3 Vorrichtung nach Anspruch 1, die zusatzlich eine
Einrichtung zum Modulieren der Strahlung einer ersten Frequenz
aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die nicht-lineare
optische Einrichtung eine aus der Gruppe mit KTiOPO&sub4;, LiNbO&sub3;
und KNbO&sub3; gewahlte Substanz beinhaltet.
5. Vorrichtung zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung
mit:
(a) einer Einspeiseeinrichtung (51; 68) zur Erzeugung
kohärenter Strahlung einer ersten Frequenz, ω&sub1;;
(b) einer Laserdiodeneinrichtung (40; 60) zur Erzeugung
kohärenter optischer Strahlung einer zweiten Frequenz, ω&sub2;;
(c) einem optischen Resonator (44, 45; 65, 66), der bei
optischer Strahlung mit der zweiten Frequenz resonant und von
jedem als Bauelement der Einspeiseeinrichtung und der
Laserdiodeneinrichtung verwendeten getrennt ist;
(d) einer Einrichtung zur Einkopplung der Strahlung
einer ersten Frequenz und der Strahlung einer zweiten Frequenz
in den optischen Resonator;
(e) einer Rückkoppeleinrichtung zur Rückführung eines
kleineren Teils der Strahlung einer zweiten Frequenz aus dem
optischen Resonator zu der Laserdiodeneinrichtung, wobei
dieser kleinere Teil ein Einengen der Linienbreite der optischen
Emission der Laserdiodeneinrichtung und ein Festhalten der
optischen Emission der Laserdiodeneinrichtung bei der zweiten
Frequenz bewirkt; und
(f) einer in dem optischen Resonator angeordneten
nichtlinearen optischen Einrichtung (46; 67) zur Erzeugung
kohärenter Strahlung einer dritten Frequenz, ω&sub3;, durch
Wechselwirken mit der Strahlung einer ersten Frequenz und der
Strahlung einer zweiten Frequenz.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei ω&sub3; = ω&sub1; &sbplus; ω&sub2;.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei ω&sub3; gleich der
Differenz zwischen ω&sub1; und ω&sub2; ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die
Einspeiseeinrichtung eine Laserdiode umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, die zusätzlich eine
Einrichtung zum Modulieren der Strahlung einer zweiten Frequenz
aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, die zusätzlich eine
Einrichtung zum Justieren und Steuern der Polarisation der
Strahlung einer ersten Frequenz und der Polarisation der
Strahlung einer zweiten Frequenz aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die nicht-lineare
optische Einrichtung eine aus der Gruppe mit KTiOPO&sub4;, LiNbO&sub3;
und KNbO&sub3; gewählte Substanz beinhaltet.
12. Verfahren zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung,
das beinhaltet:
(a) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer ersten
Frequenz durch eine Laserdiode (1; 20);
(b) Einkoppeln der Strahlung einer ersten Frequenz in
einen optischen Resonator (5, 6; 25, 26), der bei der
Strahlung einer ersten Frequenz resonant und von jedem als
Bauelement der Laserdiode verwendeten optischen Resonator getrennt
ist;
(c) Erzeugen eines optischen Rückkopplungssignals für
die Laserdiode durch Herausziehen eines kleineren Betrags der
Strahlung einer ersten Frequenz aus dem optischen Resonator
und Rückführen dieses kleineren Betrags der Strahlung zu der
Laserdiode zum Einengen der Linienbreite der optischen
Emission der Laserdiode und Festhalten der optischen Emission der
Laserdiode bei der ersten Frequenz; und
(d) Erzeugen kohärenter Strahlung einer zweiten Frequenz
durch Wechselwirkung der Strahlung einer ersten Frequenz mit
einer in dem optischen Resonator angeordneten nicht-linearen
optischen Substanz (7; 27).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zweite Frequenz
die zweite Harmonische der ersten Frequenz ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, das zusätzlich ein
Modulieren der Strahlung einer zweiten Frequenz durch Modulieren der
Strahlung einer ersten Frequenz umfaßt.
15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die nicht-lineare
optische Substanz aus der Gruppe mit KTiOPO&sub4;, LiNbO&sub3; und KNbO&sub3;
gewählt wird.
16. Verfahren zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung,
mit:
(a) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer ersten
Frequenz, ω&sub1;, durch eine erste Quelle (51; 68);
(b) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer
zweiten Frequnz, ω&sub2;, durch eine aus einer Laserdiode (40; 60)
bestehenden zweiten Quelle;
(c) Einkoppeln der Strahlung einer ersten und einer
zweiten Frequenz in einen optischen Resonator (44; 45), der
bei der Strahlung einer zweiten Frequenz resonant und von
jedem als Bauelement bei der ersten und zweiten Quelle
verwendeten getrennt ist;
(d) Erzeugen eines optischen Rückkopplungssignals für
die Laserdiode durch Herausziehen eines kleineren Betrags der
Strahlung einer zweiten Frequenz aus dem optischen Resonator
und Rückführen dieses kleineren Betrags der Strahlung zu der
Laserdiode zum Einengen der Linienbreite der optischen
Emission der Laserdiode und Festhalten der optischen Emission der
Laserdiode bei der zweiten Frequenz; und
(e) Erzeugen kohärenter optischer Strahlung einer
dritten Frequenz, ω&sub3;, durch Wechselwirkung der Strahlung einer
ersten Frequenz und der Strahlung einer zweiten Frequenz mit
einer in dem optischen Resonator angeordneten nicht-linearen
optischen Substanz (46; 67).
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei ω&sub3; = ω&sub1; &sbplus; ω&sub2;.
18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei ω&sub3; gleich der
Differenz zwischen ω&sub1; und ω&sub2; ist.
19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die erste Quelle eine
Laserdiode umfaßt.
20. Verfahren nach Anspruch 16, das zusätzlich ein
Modulieren der Strahlung einer dritten Frequenz durch Modulieren der
Strahlung einer zweiten Frequenz beinhaltet.
21. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die nicht-lineare
optische Substanz aus der Gruppe mit KTiOPO&sub4;, LiNbO&sub3; und KNbO&sub3;
gewählt wird.
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