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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserlicht-
Wellenlängenwandler, und insbesondere einen Laserlicht-
Wellenlängenwandler zum Wandeln eines Laserlichts, das von
einem Halbleiterlaser emittiert wird, in ein Laserlicht
kürzerer Wellenlänge.
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Die US-A-4 910 738 offenbart einen TM-Moden-verriegelnden
Halbleiterlaser, der aus ersten und zweiten gespaltenen
Kristallflächen besteht. Wenn ein TM-Modenlicht als kurzer
Impuls, das von der zweiten Kristallfläche des Halbleiterlasers
emittiert wird, in bzw. an einen optischen Wellenleiter
gekoppelt wird, der auf einem Wellenlängenwandlerelement
mittels Linsen hergestellt ist, wird eine zweite
Oberschwingungswelle auf die Substratseite als Cherenkov-Strahlung
geliefert. Das von der ersten Kristallfläche emittierte
Laserlicht, die mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet
ist, wird mit einer optischen Faser gekoppelt. An einer
Kristallfläche der optischen Faser sind ein Polarisator und ein
extemer Reflektor angeordnet, und wenn der Polarisator so
ausgerichtet ist, daß lediglich die TN-Komponente des
Ausgangslichts von dem Halbleiter durchgelassen wird, schwingt
das Laserlicht in dem TM-Modus.
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Orazio Svelto, "Principles of Lasers", Plenum Press, New
York, 1982, Seiten 310-319 beschreibt allgemein die Erzeugung
einer zweiten Oberschwingung und die parametrische
Oszillation.
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Halbleiterlaser werden üblicherweise als die Laserlichtquelle
zur Verwendung in verschiedenen Typen von Lasergeräten
eingesetzt, die zur Anpassung an ihre Anwendungen eine kompakte
Größe haben müssen. Ferner ist es erwünscht, daß das
Laserlicht
bei jedem Anwendungsgerät eine kürzere Wellenlänge hat,
um ein optimales Leistungsvermögen zu erzielen.
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Beispielsweise hat eine Aufzeichnungseinrichtung, die es
erlaubt, daß mehr Daten in einen gegebenen Bereich eines
Aufzeichnungsmediums geschrieben und aus diesem gelesen werden,
einen beträchtlichen Wert im Fall eines optischen
Plattensystems, eines Laserdruckers, eines Laserscanners und anderen
optoelektronischen Vorrichtungen erlangt. Zu diesem Zweck ist
es erforderlich, das Laserlicht in einen Fleck kleineren
Durchmessers zur Konvergenz zu bringen. Wenn die Wellenlänge
eines Laserlichts λ und der Konvergenzwinkel θ ist, wird der
Durchmesser eines Laserflecks φ erhalten aus:
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φ = 2λ/πtanθ
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Es versteht sich, daß, je kleiner die Laserwellenlänge λ ist,
desto kleiner wird der Fleckdurchmesser φ fokussiert. Eine
kürzere Wellenlänge eines Laserlichts ist deshalb zu Erhöhung
der Konvergenz eines Laserlichts erforderlich.
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Eine Laserquelle zur Erzeugung einer kürzeren Laserlicht-
Wellenlänge ist beispielsweise in Form eines He-Cd-Lasers,
eines Excimerlasers oder eines Ar-Lasers bekannt, die jedoch
jeweils eine zu große Abmessung aufweisen, um erfolgreich in
einen beliebigen der vorstehend genannten Lasergeräte
installiert zu werden.
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Ein Halbleiterlaser, bei dem es sich um eine Laserquelle
kleiner Größe handelt, ist zur Installation in den vorstehend
genannten Laseranwendungsgeräten geeignet. Eine zur
Herstellung eines derartigen Halbleiterlasers zur Erfüllung der
vorstehend genannten Anforderung erforderliche
Kristallprozeßtechnik ist jedoch noch nicht bereitgestellt worden. Es
erfordert einige Zeit, bevor ein verbesserter Laser, der eine
kürzere Laserlicht-Wellenlänge erzeugt, entwickelt ist.
Bislang sind einige Laserlicht-Wellenlängenwandler zur
Verkürzung der Wellenlänge eines von einem bekannten
Halbleiterlaser emittierten Laserlichts auf die Hälfte unter Verwendung
eines Erzeugers (abgekürzt SHG) für zweite Oberwellen
vorgeschlagen worden. Ein Beispiel für Laserlicht-
Wellenlängenwandler gemäß dem Stand der Technik wird nunmehr
erläutert.
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Ein in Fig. 1 gezeigter Wandler gemäß dem Stand der Technik
verwendet ein Einzelmoden-Halbleiterlaserrnedium 31 als die
Lichtquelle zur Erzeugung einer Einzelmoden-
Grundschwingungswelle, die für eine Wellenwandlung mit hohem
Wirkungsgrad wesentlich ist. Im Betrieb wird von einem
Halbleiterlaser 31 emittiertes Laserlicht durch eine
Kondensorlinse 32 auf dem Einfallsende eines SHG 33 konvergiert, der
aus einem nichtlinearen optischen Kristall gebildet ist,
unter Verwendung einer Cherenkov-Phasenanpassung. Daraufhin
verkleinert der SHG 33 die Wellenlänge des Laserlichts auf
die Hälfte.
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Obwohl die Anordnung des vorstehend erläuterten Wandlers
einfach ist, ist der verwendete Einzelmoden-Halbleiterlaser
nicht in der Lage, eine hohe Ausgangsleistung für Laserlicht
mit einer einzigen Wellenlänge einer Höhe von mehr als
mehreren 100 Milliwatt zu erzeugen. Demnach bleibt der
Wirkungsgrad der Wellenlängenwandlung niedrig und es wird keine hohe
Ausgangsleistung für ein Wellenlängen verkürztes Laserlicht
(auf das nachfolgend als frequenzverdoppelte Welle Bezug
genommen wird) erzielt. Außerdem breitet sich die
frequenzverdoppelte Welle von bzw. aus der Cherenkov-Phasenanpassung in
Konusform aus. Es ist deshalb ein spezielles optisches System
erforderlich, um die frequenzverdoppelte Welle zur Konvergenz
zu bringen.
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Ein weiterer in Fig. 2 gezeigter Wandler gemäß dem Stand der
Technik weist einen Nehrmoden-Halbleiterlaser 41 auf, der als
Erregungsquelle dient und eine hohe Laserlichtleistung
erzeugt. Im Betrieb wird ein von dem Mehrmoden-Laser 41
emittiertes Laserlicht durch eine Kollimatorlinse 42 und einen
dichroitischen Spiegel 43 zu einem Festkörperlasermedium 44
zur Erregung gerichtet bzw. geleitet. Daraufhin wird ein
Festkörperlaserresonator mit dem dichroitischen Spiegel 43,
dem Festkörperlasermedium 44, Linsen 45 und 47 und einem
dichroitischen Spiegel 48 aktiviert, um ein Strahlprofil
geeigneter Konvergenz auf einem SHG-Kristall 46
bereitzustellen. Infolge davon wird gewandeltes Licht einer Wellenlänge,
die halb so groß ist wie diejenige des eingegebenen
Laserlichts von dem SHG-Kristall 46 durch die Linse 47 und den
dichroitischen Spiegel 48 zur Ausgabe ausgebreitet.
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Da die Wellenlängenwandlung in zwei Schritten ausgeführt
wird, wird die gesamte Anordnung dieses Wandlers kompliziert.
Eine resultierende frequenzverdoppelte Welle hat eine größere
Wellenlänge als 500 nm, obwohl seine Leistung auf wenige
Nilliwatt erhöht ist. Der Wirkungsgrad bei der Wandlung der
Ausgangsleitstung bzw. des Ausgangssignals eines
Halbleiterlasers ist etwa 1 % niedrig. Deshalb muß ein Laser mit hoher
Energieversorgung und hoher Ausgangsleistung verwendet
werden.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Laserlicht-Wellenlängenwandler bereitzustellen, der eine
kompakte Abmessung aufweist, einfach aufgebaut bzw. angeordnet
und in der Lage ist, eine hohe Ausgangsleistung mit
frequenzverdoppelten Wellen (von Wellenlängen gewandeltem Licht) mit
hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
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Beim Betrieb des Laserlicht-Wellenlängenwandlers gemäß der
vorliegenden Erfindung emittiert das Halbleiterlasermedium
durch eine modenverriegelte Resonanzwirkung, ein
modenvernegeltes Resonanzlaserlicht. Das modenverriegelte
Resonanzlaserlicht dient als Grundschwingungswelle und wird seinerseits
wellenlängengewandelt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 und 2 zeigen schematische Ansichten des optischen
Systems unter Darstellung eines Paars von Laserlicht-
Wellenlängenwandlern gemäß dem Stand der Technik;
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Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht des optischen Systems
eines Laserlicht-Wellenlängenwandlers gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des
Laserlicht-Wellenlängenwandlers gemäß der vorliegenden
Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird in Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht des optischen Systems
eines Laserlicht-Wellenlängenwandlers gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie gezeigt bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein
Halbleiterlasermediumelement zum Emittieren eines
Laserlichts, das als Grundschwingungswelle dient, von dem eine
emittierende Seite mit einer nichtreflektierenden
Beschichtung zum Übertragen bzw. Durchlassen der
Grundschwingungswelle beschichtet ist. Ein modenverriegelter Resonator 4 besteht
dadurch aus dem Halbleiterlasermediumelement 1, einer
Kopplerlinse 2 und einer optischen Faser 3. Die
Modenverriegelungsresonanz startet, wenn ein Aktivierungsstrom mit einer
Frequenz, die mit einer Zeit synchronisiert ist, die für eine
Einzyklusbewegung eines Laserlichts entlang der Länge des
Resonators 4 erforderlich ist, an das
Halbleiterlasermediumelement 1 angelegt wird.
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Die modenverriegelte resonierende Grundschwingungswelle wird
durch eine Koppierlinse 5 zu einem SHG 6 gerichtet, der aus
einem nichtlinearen optischen Kristall gebildet ist, wo sie
bezüglich der Wellenlänge vor einer Emission in die durch den
Pfeil in Fig. 3 gezeigte Richtung auf die Hälfte verkürzt
wird. Der SHG 6 enthält einen Kristall mit einer derartigen
nichtlinearen optischen Konstante, das eine Phasenanpassung
bei 90º für die Wellenform einer Grundschwingungswelle
bewirkt und dadurch ein Ausbreitungspfad bereitgestellt wird,
der in der Anpassungsrichtung verläuft. Das emittierende Ende
des SHG 6 ist mit einer reflektierenden Beschichtung zur
Reflexion der Grundschwingungswelle beschichtet. Der Rest der
Grundschwingungswelle, der noch nicht bezüglich der
Wellenlänge verkürzt ist, wird dadurch auf die reflektierende
Beschichtung reflektiert, während die frequenzverdoppelte Welle
durchgelassen wird. Der SHG 6 kann vom Ausbreitungspfad-
Wellenlängendispersionstyp, vom Domäneninversionstyp oder
dergleichen sein.
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Gemäß der vorstehend genannten Anordnung weist die
Ausgangsleistung einer Grundschwingungswelle im Mittel 10 mW und im
höchsten Wert mehr als 200 Milliwatt in der Form einer Reihe
von sich wiederholenden Impulsen über 500 Mpps auf. Obwohl
die vorstehend genannte Anordnung einen SHG-
Wellenlängenwandler vom Extrahohlraumtyp bildet, kann auch
ein SHG-Wellenlängenwandler vom Intrahohlraumtyp eingesetzt
werden, der einen modenverriegelten Laserresonator 4 enthält,
der aus solchen Bestandteilen 1, 2, 3, 5 und 6 besteht, die
in Fig. 3 gezeigt sind. Mehr als 500 Mpps mit hoher
Wiederholung bzw. Wiederholungsrate stellt eine Frequenz dar, die
hoch genug ist, um die Frequenz (weniger als 20 MHz) eines
üblichen Aufzeichnungssignals nicht mehr zu stören. Da der
Wandlungswirkungsgrad des SHG 6 proportional zur Amplitude
der Grundschwingungswelle ist, trägt die
Spitzenwertausgangsleistung zum hohen Wandlungswirkungsgrad bei. Insbesondere
stellt die modenverriegelte Resonanz eine nützliche Technik
zur Vergrößerung des Wandlungswirkungsgrads in dem SHG 6 dar.
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Der SHG 6 enthält außerdem eine 90º phasenangepaßte
Anordnung, die eine der besten Eigenschaften eines kristallinen
Materials darstellt, wodurch weitere Verbesserungen bezüglich
des Wandlungswirkungsgrads und der -stabilität erzielt
werden. Der hohe Wirkungsgrad und die stabile Resonanz in dem
SHG 6 werden nunmehr im einzelnen erläutert.
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Der Wirkungsgrad η bezüglich der Wandlung einer
Grundschwingungswelle in eine frequenzverdoppelte Welle kann unter
Verwendung der folgenden Formelabschwächung der
Grundschwingungswelle approximiert werden, ohne die Wandlung in Betracht
zu ziehen.
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η = Kl²sin²(Δkl/2)/(Δkl/2)² PW/S
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wobei Δk k2W-2kW (kW und k2W sind Wellenzahlenvektoren der
Grundschwingungs- und frequenzverdoppelten Wellen), wobei K
eine Konstante (proportional zum Quadrat einer nichtlinearen
Konstante) ist, wobei PW die Amplitude der
Grundschwingungswelle ist, wobei S die Querschnittsfläche eines Strahls ist,
und wobei l eine Kohärenzlänge ist.
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Die optimale phasenangepaßte Anordnung für einen maximalen
Wirkungsgrad wird erhalten, wenn:
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sin²(Δkl/2) / (Δkl/2)² = 1 (Δk - 0).
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Dann gilt
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η = Kl² PW/S
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Nunmehr muß die Kohärenzlänge 1 in Betracht gezogen werden.
Wenn Δk = 0, d.h., wenn sowohl die Grundschwingungswelle wie
die frequenzverdoppelte Welle entlang der Phasenebene sich in
derselben Richtung ausbreiten, weichen ihre echten
Ausbreitungsrichtungen oder Zielvektorrichtungen voneinander ab (was
als "walk-off" bekannt ist). Deshalb wird der Abstand l, der
eine Interferenz zwischen der Grundschwingungswelle und der
frequenzverdoppelten Welle erzeugt, kurz, wodurch der
Wandlungswirkungsgrad verringert wird. Es ist deshalb
erforderlich, zwei Zielvektorrichtungen zu haben, um in einem
phasenangepaßten Zustand übereinzustimmen. Wenn der
Anpassungswinkel θm 90º beträgt, fluchten die Phasenwelle und der
Zielvektor in derselben Richtung und dadurch wird "walk-off"
vermieden. Infolge davon kann der Abstand l auf einen gewünschten
Wert verringert werden. Wenn mit anderen Worten der Kristall
in geeigneter Weise gelängt wird, wird die
Grundschwingungswelle zu 100% in die frequenzverdoppelte Welle ohne
Berücksichtigung
einer Abschwächung der Grundwelle während der
Wandlung gewandelt.
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In der Praxis wird die Amplitude der Grundschwingungswelle
während der Wandlung abgeschwächt und der
Wandlungswirkungsgrad der Grundschwingungswelle in die frequenzverdoppelte
Welle wird auf eine bestimmte jedoch akzeptable Rate gesenkt.
Zur Erzielung der akzeptablen Wandlerrate ist ein Optimum der
Kohärenzlänge erforderlich. Deshalb ist die 90º
Phasenanpassungsanordnung wesentlich zum Durchführen der Wandlung mit
hohem Wirkungsgrad.
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Wenn Phasenfehlanpassung auftritt, wird Δk nicht Null. Der
Wandlungswirkungsgrad η ist dann proportional zu
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sin²(Δkl/2) / (Δkl/2)²
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(die der Einfachheit halber auch als α bezeichnet wird).
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Wenn der Winkel des Wellenzahlenvektors der
frequenzverdoppelten Welle gegenüber der Z-Achse θ beträgt, kann die
Beziehung ausgedrückt werden als
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Selbst wenn eine Phasenfehlanpassung θ-θm vorhanden ist, wird
Δkl/2 T 0 erzeugt, weil sin(2θm)=0, wenn θm 90º ist. α kann
deshalb auf einen Maximalwert von 1 bleiben. Die 90º-
phasenangepaßte Anordnung minimiert demnach eine Anderung des
Wandlungswirkungsgrads, der von der Winkelabweichung, wie
beispielsweise eine Ablenkung aus der optischen Achse
abhängt,
und die stabile Arbeitsweise des SHG wird
sichergestellt.
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Die praktische Anordnung des Laserlicht-Wellenlängenwandlers
gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr in Bezug auf
die schematische perspektivische Ansicht von Fig. 4
erläutert.
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Eine Basis 7 wird beispielsweise aus Alumuniumoxidkeramik
gebildet und mißt wenige Zentimeter im Quadrat (beispielsweise
3 cm x 3 cm) und ist wenige Millimeter dick (beispielsweise
2,5 mm). Die Basis 7 stellt auch Wärmeableitungswirkungen
bereit. Der Halbleiterlaser 1 und der SHG 6 sind entlang einer
Kante der Basis 7 ausgerichtet und miteinander durch eine
optische Faser 3 gekoppelt. Der SHG 6 ist durch ein
Peltierelement 8 auf der Basis 7 angebracht. Ferner ist eine
Stromquelle 9 zur Energieversorgung des Lasers 1 vorgesehen.
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Für eine modenverriegelte Resonanzwirkung bei z.B. 500 Mpps
bei dieser Anordnung ist ein Resonatorsystem mit einer
optischen Länge von 30 cm erforderlich. Die optische Faser 3 ist
dazu vorgesehen, das Resonatorsystem kompakt zu machen, und
sie besteht deshalb aus einer Einzelmodenfaser, die eine
kurze Faserlänge aufweist und 90º fasenangepaßt ist. Die
optische Faser 3 weist einen Brechungsindex von 1,4 auf,
erstreckt sich 81,5 cm und kann zur Installation auf der Basis
7 bezüglich eines Durchmessers von wenigen Zentimetern
spiralartig so gewickelt sein, daß sich ein kompakter stabiler
Resonator ergibt. Wenn eine höhere Wiederholungsrate der
Resonanzwirkungen erforderlich ist, kann eine kürzere
Wellenlänge für die optische Faser verwendet werden.
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Wie vorstehend erläutert, ist der Laserlicht-
Wellenlängenwandler gemäß der vorliegenden Erfindung so
bereitgestellt, daß er einen Halbleiterlaser aufweist, der in
Modenverriegelungsresonanz in Bezug auf die
Grundschwingungswelle betrieben wird, die daraufhin in eine
frequenzverdoppelte Welle gewandelt wird. Demnach kann die
Wellenlängenwandlung mit hohem Wirkungsgrad auf einer kompakteren
einfachen Anordnung ausgeführt werden, und außerdem kann eine
frequenzverdoppelte Welle höherer Stärke und höherer
Wiederholrate erzielt werden, wodurch zu der Verbesserung
verschiedener Lasergeräte beigetragen wird. Zusätzlich kann der
Laserlicht-Wellenlängenwandler eine kurze Impulsbreite von
mehreren 10 Picosekunden bereitstellen und dadurch erfolgreich als
Laserquelle zur Lichtauflösung und -aufspaltung bzw. -teilung
auf Zeitbasis verwendet werden.