DE68925810T2

DE68925810T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von blaugrüner Lichtstrahlung

Info

Publication number: DE68925810T2
Application number: DE68925810T
Authority: DE
Inventors: Christoph Stephan Harder; Wilfried Lenth; Heinz Peter Meier; William Paul Risk
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: MediaTek Inc
Priority date: 1989-01-13
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2009-12-19
Also published as: EP0378061A2; EP0378061B1; DE68925810D1; HK203896A; CN1044193A; KR930006854B1; AU626964B2; CN1025394C; JPH02239238A; EP0378061A3; BR9000115A; KR900012312A; AU4778690A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Laserquelle und ein Verfahren zur Erzeugung einer kohärenten blaugrünen Lichtstrahlung und im einzelnen auf eine Miniatur-Festkörper- Laserquelle und ein Verfahren zur Erzeugung der genannten Strahlung durch Erzeugen der zweiten Harmonischen aus dem Ausgang eines Halbleiter-Diodenlasers in einem nichtlinearen Kristall, der eine unkritische Phasenanpassung über einen weiten Bereich von Temperaturen, Winkeln und Eingangswellenlängen erlaubt, wodurch er besonders zur optischen Speicherung geeignet ist.
Blaugrüne Laser sind wünschenswert, weil sie eine wesentliche Steigerung der Speicherdichte eines optischen Aufzeichnungs systems erlauben. Bei der Entwicklung von Diodenlasern, die bei Wellenlängen von < 600 nm arbeiten (das heißt, im blaugrünen Bereich), stellen sich jedoch grundlegende Materialherstellungsprobleme ein.
Soweit wir wissen, wird nur über zwei Beispiele einer direkten Frequenzverdoppelung einer Diodenlaserstrahlung durch Erzeugen der zweiten Harmonischen (SHG) berichtet. T. Taniuchi et al. berichteten in CLEO 87, Abhandlung WP6, über die Erzeugung einer Strahlung von im wesentlichen 420 nm durch die SHG eines GaAlAs-Diodenlasers unter Einsatz eines LiNbO&sub3;-Wellenleiters. Dieses Material erlaubt jedoch keine phasenangepaßte SHG bei 420 nm und das blaugrüne Licht hat eine gekrümmte Wellenfront, die nicht auf einen beugungsbegrenzten Punkt fokussiert werden kann und damit für die optische Speicherung und für viele andere Anwendungen ungeeignet ist. Aufgrund photorefraktiver Prozesse hat LiNbO&sub3; außerdem eine relativ niedrige Schwelle für die zerstörung durch Strahleinschnürung.
J.C. Baumert et. al. berichtete in APPLIED OPTICS, Band 24, Seite 1299 (1985), daß eine Frequenzverdoppelung von 860 nm-GaAlAs-Diodenlasern mit KNbO&sub3; bei Raumtemperatur erreicht werden kann; dieses Material hat jedoch viele Nachteile, die seine Eignung für die Praxis stark einschränken. Zum Beispiel ist das Züchten von KNbO&sub3; schwierig und macht zwischen der Wachstumstemperatur und der Raumtemperatur zwei Phasenübergänge durch. Die Temperatur- und Wellenlängentoleranzen für die Phasenanpassung sind außerdem extrem eng und würden daher einen Laser von sehr spezifischer Wellenlänge und außerdem eine präzise Temperaturstabilisierung des SHG- Kristalls erfordem.
T.Y. Fan et al. berichtete in APPLIED OPTICS, Band 24, Seite 2390 (1987), daß eine Frequenzverdoppelung von 1064 nm-Nd:YAG-Diodenlasern mit einem nichtlinearen Kristall erreicht werden kann, der im wesentlichen aus KTiOPO&sub4; (KTP) besteht. Dies erreicht man durch unkritische phasenangepaßte Erzeugung der zweiten Harmonischen des Strahls. Eine Frequenzverdoppelung bei anderen Frequenzen wird nicht beschrieben.
In anderen verwandten Ansätzen werden mittels Diodenlaser gepumpte Nd:YAG-Laser zur Erzeugung einer Strahlung von 530 nm durch phasenangepaßte SHG erzeugt, da geeignete nichtlineare Materialien für diesen Zweck zur Verfügung stehen. Auch eine Frequenzmischung eines 808 nm-Diodenlasers und eines 1,06 µm-Nd:YAG-Lasers ist im handelsüblichen nichtlinearen Material KTiOPO&sub4; (KTP) möglich, wie es in der U.S. Patentschrift 4,791,631, Ausgabe 13. Dezember 1988, beschrieben wird, die an den Rechtsnachfölger der vörliegenden Erfindung abgetreten wurde.
Es wird ein praktisches, nichtlineares, schneidbares Material für die unkritische, phasenangepaßte SHG der kürzestmöglichen wellenlänge benötigt, kombiniert mit einem Halbleiter-Diodenlaser, der an der Phasenanpassungs-Wellenlänge arbeitet. Söweit die Anmelder wissen, wurde bisher keine kohärente Strahlung eines Diödenlasers durch SHG in einem nichtlinearen Kristall beschrieben, der im wesentlichen aus KTP besteht.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird in den Ansprüchen im Anhang definiert.
Zu diesem Zweck und gemäß der Erfindung wurde eine Miniatur- Blaugrün-Laserquelle entwickelt, die zwei Schlüsselkomponenten aufweist: (a) einen Halbleiter-Diödenlaser, der vör kurzem von anderen entwickelt wurde und eine wellenlänge von im wesentlichen 980-1.000 nm hat; und (b) einen Kristall aus KTP, von dem die Anwender unerwarteterweise festgestellt haben, daß er eine unkritische phasenangepaßte SHG vöm Typ II mit einer Strahlung von im wesentlichen 980-1.000 nm und über einen weiten Bereich vön Temperaturen, Eingangswellenlängen und Winkeln des Eingangsstrahls zum Kristall erlaubt.
Die Vorrichtung und das Verfahren, die die Erfindung ausgestalten, erzeugen köhärente, blau grüne Lichtstrahlung mit einer Wellenlänge von im wesentlichen 490-500 nm. Ein Diodenlaser, beispielsweise ein Spannschicht-InGaAs/GaAs-Halbleiterlaser, liefert einen Strahl von im wesentlichen 980-1.000 nm und ein nichtlinearer Kristall, im wesentlichen aus KTP, erzeugt die blaugrüne Strahlung durch unkritische phasenangepaßte SHG des genannten Strahls. Der Strahl hat vorzugsweise eine Wellenlänge von 994 nm zur Erzeugung einer Strahlung von 497 nm. Außerdem ist die Frequenz des Lasers vorzugsweise mit der Frequenz eines optischen Resonators, in dem der Kristall angeordnet ist abgestimmt und synchronisiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer mittels Resonator verbesserten Vorrichtung zur Erzeugung von blaugrünem Licht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer solchen Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer mit einem Resonator verbesserten Vorrichtung zur Erzeugung von blaugrünem Licht gemäß einem modifizierten Ausführungsbeispiel; und
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur Erzeugung von blaugrünem Licht unter Einsatz eines optischen Wellenleiters gemäß einer Variation der Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, umfaßt die Vorrichtung, welche die Erfindung ausgestaltet, zwei Spannschicht-InGaAs/GaAs- Diodenlaser 10 und 11 mit einer Kollimationsoptik und modulierten Ausgangsstrahlen 12 beziehungsweise 13, die jeweils eine Grundstrahlung von im wesentlichen 994 nm liefern. Die Strahlen 12 und 13 sind orthogonal polarisiert und auf einen in der herkömmlichen Weise beschichteten Polarisationsstrahlteiler 14 gerichtet. Der Strahlteiler 14 vereinigt die 994 nm-Strahlen 12 und 13 zu einem Strahl 15, der auf einen Standard-Strahlteiler 16 gerichtet ist. Der Strahlteiler 16 leitet die 994 nm-Grundstrahlung über eine Fokussierlinse 17 zu einem passiven Fabry-Perot-Resonator 18. Der Resonator 18 ist bei einer wellenlänge von 994 nm resonanzfähig. Er kann durch Anordnen eines im wesentlichen aus KTP bestehenden Kristalls 19 zwischen zwei Spiegeln 20 und 21, die bei 994 nm hochreflektierend sind, gebildet werden; oder der Resonator 18 kann, falls bevorzugt, durch Polieren sphärischer und/oder flacher Oberflächen an gegenüberliegenden Seiten des Kristalls und durch Abscheiden von hochreflektierenden Beschichtungen auf diesem Kristall gebildet werden. Die Spiegel 20 und 21 haben einander gegenüberliegende Flächen, die die 994 nm reflektieren; der Spiegel 21 überträgt die 497 nm- Strahlung.
Die Doppelbrechnung des KTP-Kristalls 19 bewirkt, daß der Resonator 18 zwei Gruppen von Resonanzwellentypen hat. Die Laserdiode 10 wird linear entlang der a-Achse des KTP-Kristalls polarisiert und ist mit der durch die a-Achse polarisierten Resonanz des Resonators in einer nachfolgend beschriebenen Weise frequenzsynchronisiert. Die Laserdiode 11 ist entlang der c-Achse des Kristalls polarisiert und ist in ähnlicher Weise mit der durch die c-Achse polarisierten Resonanz des Resonators frequenzsynchronisiert. Der Strahl 15 mit einer Strahlung von im wesentlichen 994 nm wird durch die Linse 17 in den KTP-Kristall 19 fokussiert und pflanzt sich entlang der b-Achse des Kristalls 19 fort, wodurch ein Strahl 22 aus kohärentem blaugrünem Licht bei im wesentlichen 497 nm durch unkritische phasenangepaßte SHG des Strahls 15 erzeugt wird. Die Frequenzen dieser beiden Resonanzen sind möglicherweise nicht identisch; solange sie jedoch innerhalb der 1,4 nm breiten Phasenanpassungs-Bandbreite für die SHG liegen, wird der Strahl 22 wirksam erzeugt.
Die Diodenlaser 10 und 11 sind mit den Resonanzen des Resonators 18 durch die entsprechenden Rückkoppelungsschleifen, die einen Polarisationsstrahlteiler 25 und zwei Erfassungs- und Rückkoppelungsschaltungen 26 und 27 enthalten, frequenzsynchronisiert. Der Strahlteiler 16 richtet einen Strahl 28 mit einer Strahlung von 994 nm auf den Strahlteiler 25, der dann den genannten Strahl in einen an der a-Achse polarisierten Strahl 29 und einen an der c-Achse polarisierten Strahl 30 aufteilt. Der Strahl 29 wird auf die Erfassungs/Rückkoppelungsschaltung 26 gelenkt, die aus Darstellungsgründen ein Schaltungstyp sein kann, wie er im "IEEE Journal of Lightwave Technology" in der Ausgabe vom April 1987 auf den Seiten 485 ff. beschrieben wird. Diese Schaltung 26 umfaßt Mittel (nicht gezeigt) zur Erzeugung eines Signals, das Abweichungen der Frequenz des Strahls 12 von der Frequenz des Resonators 18 anzeigt, und zum Anpassen des Injektionsstroms an den Diodenlaser 10 und/oder seine Temperatur, so daß die Laserfrequenz auf der Resonatorfrequenz gehalten wird. Der Strahl 30 wird auf die Erfassungs-/Rückkoppelungsschaltung 27 gerichtet, die ähnliche Mittel (nicht gezeigt) umfaßt, um den Injektionsstrom an den Diodenlaser 11 und/oder seine Temperatur anzupassen.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, umfaßt die Vorrichtung, welche die Erfindung ausgestaltet, einen einzelnen Spannschicht- InGaAs/GaAs-Diodenlaser 60 mit Kollimationsoptik und einem Ausgangsstrahl 61, der im wesentlichen eine Grundstrahlung von linearer Polarisation mit 994 nm liefert. Der im wesentlichen aus KTP bestehende Kristall 64, ist Teil eines passiven Resonators 65. Die Spiegel 66 und 67 an den gegenüberliegenden Seiten des Kristalls 64 sind bei 994 nm hochreflektierend. Der Spiegel 67 ist bei 497 nm hochdurchlässig. Der nichtlineare Kristall 64 ist so ausgerichtet, daß seine a-Achse und seine c-Achse in einem Winkel von 45 zu der Polarisation des Strahls 61 von im wesentlichen 994 nm für die unkritische phasenangepaßte Erzeugung der zweiten Harmonischen des Typs II liegen. Die Phasenplatte 69 ist so ausgerichtet, daß sie die Polarisation der 994 nm-Strahlung, die aus dem Kristall 64 austritt, korrigiert, so daß die 994 nm-Strahlung eine Polarisationsrichtung von 45º zur a- und c-Achse des KTP-Kristalls 64 hat, wenn sie nach einem Umlauf durch den Resonator wieder in den Kristall eintritt. Der Diodenlaser 60 ist mit der Resonanz des Resonators 65 durch eine Rückkoppelungsschleife, die einen Strahlteiler 62 und die Erfassungs- und Rückkoppelungsschaltung 71 umfaßt, frequenzsynchronisiert. Die Rückkoppelungs-Schaltung 71 paßt, wie bereits in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beschrieben, den Injektionsstrom an den Diodenlaser 60 und/oder seine Temperatur an.
Wie in Fig. 3 gezeigt wird, umfaßt die Vorrichtung, die die Erfindung ausgestaltet, einen einzelnen Spannschicht-In- GaAs/GaAs-Diodenlaser 40 mit Kollimationsoptik und moduliertem Ausgangsstrahl 41, der eine Grundstrahlung von im wesentlichen 994 nm liefert. Der Strahl 41 wird durch einen dichroitischen Strahlteiler 42 und eine Fokussierlinse 43 in einen Kristall 44, im wesentlichen aus KTP, gelenkt, der Teil eines passiven Resonators 45 ist. Die Spiegel 46 und 47 (oder hochreflektierende Beschichtungen) an gegenüberliegenden Seiten des Kristalls 44 sind bei 497 nm hochreflektierend; der Spiegel 47 hat jedoch eine kleine Resttransmission bei 497 nm, die entsprechend der Eigenschaften des jeweils verwendeten KTP-Kristalls auf eine maximale blaugrüne Ausgangsleistung eingestellt ist.
Der Strahl 41 wird mit 45º zur a- und c-Achse des Kristalls 44 polarisiert. Der Resonator 45 ist so konzipiert, daß er bei der Wellenlänge der zweiten Harmonischen von im wesentlichen 497 nm resonanzfähig ist. Da die Strahlung der zweiten Harmonischen linear entlang der a-Achse des Kristalls 44 polarisiert ist, kann die Strahlung der zweiten Harmonischen, die in dem Kristall erzeugt wird, einen entsprechenden an der a-Achse polarisierten Resonanzwellentyp des Resonators 45 erregen. So wird ein Strahl 48 aus kohärentem blaugrünem Licht bei im wesentlichen 497 nm durch unkritische phasenangepaßte SHG des Strahls 41, der durch die Linse 43 fokussiert wird, erzeugt.
Die wellenlänge der erzeugten Strahlung der zweiten Harmonischen kann durch Abstimmen der Grundwellenlänge des Diodenlasers so gesteuert werden, daß die erzeugte Strahlung von im wesentlichen 497 nm mit der Resonanzwellenlänge des Resonators 45 frequenzsynchronisiert ist, indem man den Strahl 49 auf die Erfassungs-/Rückkoppelungsschaltung 50 lenkt, welche, wie in dem bereits vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel, den Injektionsstrom an den Diodenlaser 40 und/oder seine Temperatur anpaßt.
Es ist zu beachten, daß die mit der Konfiguration der Figuren 1 und 2 erreichte Wirksamkeit im wesentlichen dem Quadrat der Finesse ihrer passiven Resonatoren 18 beziehungsweise 65 entspricht. Die Verbesserung der Wirksamkeit bei der Konfiguratin der Fig. 3 entspricht im wesentlichen der Finesse ihres Resonators 45. Die Verbesserung der Wirksamkeit ist also für die Konfiguration der Fig. 3 geringer, diese Konfiguration ist jedoch einfacher als die der Fig. 1, bei der nur ein Diodenlaser mit einem Resonanzwellentyp des Resonators frequenzsynchronisiert werden muß.
Der Resonator 18 oder 45 kann, falls gewünscht, durch einen Ringresonator ersetzt werden, der drei oder mehr reflektierende Oberflächen umfaßt. Diese Oberflächen können externe Spiegel oder polierte Kristallflächen sein, wie sie zum Beispiel im "IEEE Journal of Quantum Electronics" in der Ausgabe vom Juni 1988 auf Seite 913 ff. beschrieben werden.
Falls gewünscht, kann, wie es in der Fig. 4 gezeigt wird, ein optischer Wellenleiter 50 an eine Kante eines KTP-Kristalls 51 angelegt werden. Ein Diodenlaser 52 mit Kollimationsoptik und moduliertem Ausgangsstrahl 53 liefert eine Grundstrahlung von im wesentlichen 994 nm. Der Strahl 53 wird durch eine Fokussierlinse 54 in den Wellenleiter gelenkt, um die SHG-Effizienz bei der Erzeugung eines Strahls 55 aus kohärentem blaugrünern Licht bei im wesentlichen 497 nm zu verbessern. Man beachte, daß bei diesem Ausführungsbeispiel eine Synchronisation der Laserfrequenz mit der Resonatorfrequenz nicht erforderlich ist.
Außerdem ist zu beachten, daß, gemäß einem Erfindungsmerkmal, die Phasenanpassung des hierin beschriebenen Typ II-Lasers durch Abstimmen der Frequenz der Diodenlaserquelle auf die Frequenz des passiven Resonators durch Feineinstellung des Laserinjektionsstroms erreicht wird. Dies steht im Gegensatz zu dem Verfahren nach dem Stand der Technik, bei dem die Resonatorfrequenz auf die Frequenz der Laserquelle abgestimmt wird, indem man an den Resonator Felder anlegt.
Zwar wurde die Erfindung für bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben, die besonders für den Einsatz bei der optischen Speicherung geeignet sind; die Erfindung ist aber auch gut für den Einsatz in Druckern und Farbanzeigen geeignet.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer kohärenten blaugrünen Lichtstrahlung, folgendes umfassend:

mindestens einen Diodenlaser (10, 11, 40, 52, 60), der einen Strahl (12, 13, 41, 53, 61) bereitstellt; und

einen nichtlinearen Kristall (19, 44, 51, 64), im wesentlichen aus KTiOPO&sub4; (KTP), der die kohärente Strahlung durch unkritische phasenangepaßte Umwandlung der zweiten Harmonischen des genannten Strahls erzeugt;

dadurch gekennzeichnet, daß:

der Strahl, der von mindestens einem Diodenlaser bereitgestellt wird, eine Wellenlänge von im wesentlichen 980-1.000 nm hat, so daß die blaugrüne Lichtstrahlung eine Wellenlänge von im wesentlichen 490-500 nm hat; und

die Vorrichtung weiter einen Resonator (18, 45, 65) umfaßt, der bei einer Wellenlänge von im wesentlichen 980-1.000 nm resonanzfähig ist, und in dem der genannte Kristall angeordnet ist.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Diodenlaser (10, 11, 40, 52, 60) ein Diodenlaser mit einer Spannschicht aus InGaAs/GaAs ist.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der Strahl (12, 13, 41, 53, 60) eine Wellenlänge von im wesentlichen 994 nm zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge von im wesentlichen 497 nm hat.

4. Eine Vorrichtung nach jedem vorangehenden Anspruch, bei der der Resonator (18, 45, 65) aus einem Paar von Reflektoren (20, 21, 46, 47, 66, 67) besteht, die an gegenüberliegenden Seiten des Kristalls angeordnet sind.

5. Eine Vorrichtung nach jedem vorangehenden Anspruch, weiter umfassend Mittel (20, 21, 46, 47, 66, 67) zum Anpassen der Lichtfrequenz des Strahls von im wesentlichen 980-1.000 nm an die Resonanzfrequenz des Resonators (18, 45, 65).

6. Eine Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die kohärente Strahlung sich entlang der b-Achse des Kristalls fortpflanzt.

7. Eine Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, bei der:

der mindestens eine Diodenlaser aus zwei Diodenlasern besteht, die so ausgerichtet sind, daß sie orthogonal polarisierte Strahlen mit einer Wellenlänge von im wesentlichen 980-1.000 nm liefern; und

der nichtlineare Kristall mit seiner a- und seiner c-Achse parallel zu der Polarisationsrichtung der genannten orthogonal polarisierten Strahlen ausgerichtet ist.

8. Eine Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, Synchronisationsmittel enthaltend, die folgendes umfassen:

Mittel (26, 27) für jeden Laser (10, 11) zum Erzeugen eines Signals, das Abweichungen in der Frequenz des ge- nannten Laserstrahls von einer jeweils vorgewählten Frequenz anzeigt; und

Mittel (26, 27), für jeden Laser Rückkoppelungsmittel enthaltend, zur Steuerung der Temperatur und/oder des Injektionsstroms dieses Laserstrahls entsprechend der Veränderungen des genannten Signals, um den Laserstrahl bei seiner jeweiligen Frequenz zu halten.

9. Eine Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der genannte Strahl bei im wesentlichen 454 zu der a- und der c-Achse des genannten Kristalls polarisiert ist.

10. Eine Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der:

der Resonator weiter eine Phasenplatte (69) umfaßt, die so ausgerichtet ist, daß die Polarisation der Strahlung von im wesentlichen 980-1.000 nm in einem Winkel von im wesentlichen 45º zu der a- und der c-Achse des Kristalls liegt, wenn sie nach einem Umlauf durch den Resonator wieder in den genannten Kristall eintritt;

und bei der die Vorrichtung weiter umfaßt:

Mittel (62, 71) zum Synchronisieren der Frequenz des Diodenlasers mit einer Resonanzfrequenz des Resonators.

11. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der genannte nichtlineare Kristall einen optischen Wellenleiter umfaßt, der so ausgerichtet ist, daß der Strahl sich entlang dem genannten Wellenleiter fortpflanzt, um die kohärente Strahlung durch unkritische phasenangepaßte Erzeugung der zweiten Harmonischen des genannten Strahls zu erzeugen.

12. Ein Verfahren zum Erzeugen einer kohärenten blaugrünen Lichtstrahlung, folgende Schritte umfassend:

Einsatz von mindestens einem Diodenlaser (10, 11, 40, 52, 60) zur Bereitstellung eines Strahls (12, 13, 41, 53, 61); und

Erzeugen der genannten Strahlung durch unkritische phasenangepaßte Erzeugung der zweiten Harmonischen des genannten Strahls in einem nichtlinearen Kristall (19, 44, 51, 64), der im wesentlichen aus KTiOPO&sub4; (KTP) besteht;

dadurch gekennzeichnet, daß:

die blaugrüne Lichtstrahlung eine Wellenlänge von im wesentlichen 490-500 nm hat;

der von dem mindestens einem Diodenlaser bereitgestellte Strahl eine Wellenlänge von im wesentlichen 980-1.000 nm hat; und

der Kristall in einem Resonator (18, 45, 65) angeordnet ist, der bei einer Wellenlänge von im wesentlichen 980-1.000 nm resonanzfähig ist.