DE69317957T2

DE69317957T2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlen

Info

Publication number: DE69317957T2
Application number: DE69317957T
Authority: DE
Inventors: Naoya Eguchi; Michio Oka
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2013-07-24
Also published as: DE69317957D1; EP0582884A1; US5339324A; JP3309430B2; EP0582884B1; JPH0653593A; ATE165173T1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Laserstrahlen bzw. auf einen Laserstrahlgenerator zum Erzeugen von einem wellenlängenumgesetzten Laserstrahl gemaß den Oberbegriffen der abhängigen Patentansprüche 1 und 2. Ein derartiger Laserstrahlgenerator ist aus der älteren Europäischen Patentanmeldung EP-A-0 560 179, veröffentlicht am 15. September 1993 mit dem Prioritätsdatum vom 02. März 1992, bekannt, wodurch ein Stand der Technik gemaß Art. 54(3) EPÜ vorliegt.
Ein weiterer bekannter Laserstrahlgenerator dieser Art ist durch M. OKA et al. in JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, TEIL 1, Band 31, Nr. 2b, Februar 1992, Toklo, JP, Seiten 513-517 (XP 000323477) beschrieben worden.
Es ist ein Laserstrahlgenerator vorgeschlagen worden, bei dem ein nicht-lineares optisches Element innerhalb eines Resonators angeordnet ist, so daß die Wellenlängenumsetzung durch das nicht-lineare optische Element mittels einer Dichte hoher Leistung innerhalb des Resonators wirksam gemacht ist.
Dieser Typ eines vorgeschlagenen Laserstrahlgenerators umfaßt beispielsweise einen SHG (Generator der zweiten Harmonischen) des externen Resonatortyps oder einen SHG mit einem nicht-linearen optischen Element, das innerhalb eines Laserresonators vorgesehen ist.
Der SHG des externen Resonatortyps hat ein nicht-lineares optisches Element, das zwischen einem Paar von gegenüberliegenden Spiegeln angeordnet ist, die den externen Resonator bilden. Ein Grundlaserstrahl fällt auf diesen externen Resonator ein und verläuft durch das nicht-lineare optische Element. Der externe Resonator hat in diesem Fall eine Länge, die für die Resonanz zu der Frequenz (Wellenlänge) des einfallenden Laserstrahles ausgewählt ist.
In diesem SHG des externen Resonatortyps wird beispielsweise der sogenannte Feinheitswert (entsprechend Q bei der Resonanz) des Resonators auf einen hohen Wert wie z.B. etwa 100 bis 1000 gewählt, so daß die Lichtdichte innerhalb des Resonators um einige 100mal die einfallende Lichtdichte übertrifft, um es so möglich zu machen, daß das nicht-lineare optische Kristallelement wirksam innerhalb des Resonators betrieben wird.
Zusätzlich wird eine für den auf beispielsweise diesen externen Resonatortyp-SHG einfallenden Laserstrahl durch ein Lasermedium und z.B. ein nicht-lineares optisches Element gebildet, die zwischen einem Paar von gegenüberliegenden Spiegeln angeordnet sind, welche einen Laserresonator darstellen. Der als die Grundwelle von dem Lasermedium durch beispielsweise Einstrahlen eines anregenden Lichtstrahles auf das Medium emittierte Laserstrahl wird in einen SHG-Laserstrahl durch das nicht-lineare optische Element innerhalb des Laserresonators umgewandelt. Dieser Laserstrahl fällt auf den externen Resonator ein, in welchem das nicht-lineare optische Element angeordnet ist, wie dies oben beschrieben wurde.
Der Laserstrahlgenerator in welchem ein Laserstrahl einer zweiten Harmonischen oder einer Harmonischen höherer Ordnung oder ein Summenfrequenz-Laserstrahl in der Wellenlänge durch den externen Resonator umgewandelt wird, muß die Änderung (Fehler) der Strahlenganglänge des externen Resonators so gesteuert werden, daß sie auf einen extrem kleinen Bereich von 1/1000 bis 1/10000 der Resonanzwellenlänge oder unter 1 Å gesteuert ist, was bedeutet, daß eine extrem hochgenaue Lagesteuerung erforderlich ist.
Somit sind beispielsweise die den externen Resonator bildenden Spiegel durch ein geschichtetes piezoelektrisches Element gelagert, um eine Bewegung über einen sehr Meinen Abstand zur Einstellung in der Richtung der optischen Achse zu erlauben, und das Abweichungssignal, das proportional zu der Abweichung der Resonatorwellenlänge bezüglich des auf den externen Resonator einfallenden Laserstrahles ist, wird zu dem geschichteten piezoelektrischen Element rückgekoppelt, d.h., es wird eine Servoschlelfe gebildet, so daß der Resonator automatisch in seiner Länge gesteuert ist, um dadurch dessen Resonanzbetrieb auf den Laserstrahl zu stabilisieren, der auf den externen Resonator einfällt.
Der oben erwähnte Artikel von OKA et al.: "Secondharmonic generation green laser for higher density optical discs" in JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Teil 1, beschreibt auf Seite 517, Absatz 4, einen experimentellen Aufbau zur UV-Erzeugung. Jedoch geht dieser Artikel nicht auf irgendeine spezifische Schaltungsanordnung oder eine Funktion der Resonatorlängenservoeinrichtung ein, so daß ein Einziehbetrieb der Servoschleife auf den Seitenknoten der erzeugten, in der Wellenlänge umgesetzten Laserstrahlen vermieden werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserstrahlgenerator zum Erzeugen eines in der Wellenlänge umgesetzten Laserstrahles mit einer automatischen Regelservoschleife für die Resonatorwellenlänge zu erzeugen, so daß der Servobetrieb stabiler und sicherer durchgeführt werden kann und ein Einziehbetrieb der Servoschleife in den Seitenmoden des in der Wellenlänge umgesetzten Laserstrahles zu vermeiden ist. gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Laserstrahlgenerator zum Erzeugen eines in der Wellenlänge umgesetzten Laserstrahles vorgesehen, umfassend:
- eine Laserlichtquelle zum Emittieren eines Laserstrahles einer Grundwellenlänge,
- wenigstens ein Paar von reflektierenden Einrichtungen, wobei ein externer Resonator eine der reflektierenden Einrichtungen von Fig. 1 enthält,
- einen nicht-linearen optischen Kristall, der in dem externen Resonator angeordnet ist und vorgesehen ist, um den Laserstraht der Grundwellenlänge von der Laserlichtquelle zu empfangen und den in eine Wellenlänge umgesetzten Laserstrahl zu erzeugen,
- eine Bewegungseinrichtung zum Verfähren einer Reflexionseinrichtung aus wenigstens dem einen Paar von Reflexionseinrichtungen in einer optischen Achsrichtung, um dadurch die Resonatorwellenlänge zu steuern,
- eine Einrichtung zum Erfassen von Licht, das von dem externen Resonator isoliert ist,
- eine Phasenmodulationseinrichtung zum Phasenmodulieren des einfallenden Laserstrahles der Grundwellenlänge, um so das von dem externen Resonator reflektierte Licht zu verarbeiten,
- eine Einrichtung zum Erzeugen eines Resonatorlängen-Abweichungssignales aufgrund der Differenz zwischen der tatsächlichen Länge des Resonators und derjenigen, die für eine Resonanz auf den phasenmodulierten einfallenden Laserstrahl der Grundwellenlänge einwirkt,
- wobei die Bewegungseinrichtung eine Resonatorlängen-Servoeinheit aufweist, die mit dem Resonatorlängen-Abweichungssignal als Servo-Eingangssignalen gespeist ist, und ein reflektiertes Lichtstärkesignal empfängt, wobei das reflektierte Lichtstärkesignal aus dem erfaßten reflektierten Licht mittels eines Tiefpaßfilters erzeugt wird, um die Modulationskomponente zu entfernen, und wobei das Resonatorlängen-Abweichungssignal aus dem erfaßten reflektierten Licht mittels eines Bandpaßfilters geliefert wird, um die Modulationskomponente herauszunehmen, sowie eine Einrichtung umfaßt, um eine Grundlinie des reflektierten Lichtstärkesignales auf einen Nullpegel einzustellen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorlängen-Servoeinrichtung aufweist:
- eine erste und eine zweite Vergleichereinrichtung zum Vergleichen jedes Signales aus dem Resonator-Abweichungssignal und dem Lichtstärkesignal mit gewissen Doppelbegrenzungspegeln, die höher als Pegel von Seitenmodussignalen, jedoch niedriger als die Pegel eines Grundmodussignales des Resonatorlängen-Abweichungssignales bzw. Lichtstärkesignales sind, um Signale entsprechend lediglich den Pegeln der Grundmodussignale zu erzeugen, und
- eine Schalteinrichtung zum Schalten der Resonatorlängen-Servoeinheit für ein einziehen nur dann, wenn die Vergieichereinrichtung Signale entsprechend den Pegeln der Grundmodussignale hat.
Abhängige Patentansprüche 2 bis 8 geben jeweils vorteilhafte Entwicklungen hiervon an.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 Ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemaßen Laserstrahlgenerators,
Fig. 2 einen Graph, der die Änderung des Leistungs-Reflexionsvermägens zu der Strahlengang-Phasendifferenz des Resonators veranschaulicht,
Fig. 3 einen Graph, der die Änderung der Reflexionsphase zu der Strahlengang- Phasendifferenz des Resonators veranschaulicht,
Fig. 4 einen Graph, der die Starke des reflektierten Lichtes zu der Strahlengang- Phasendifferenz des Resonators veranschaulicht,
Fig. 5 einen Graph, der den Abweichungssignalpegel zu der Strahlengang-Phasendifferenz des Resonators veranschaulicht,
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer Generatorschaltung für das Resonatorlängen-Abweichungssignal und das reflektierte Lichtsignal,
Fig. 7 ein Wellenformdiagramm des erfaßten Signales des reflektierten Lichtes von dem Resonator,
Fig. 8 ein Wellenformdiagramm der modulierten Sigalkomponenten des reflektierten Lichtes des erfaßten Signales,
Fig. 9 ein Wellenformdiagramm von sin(wmt) der modulierten Signalkomponenten des reflektierten Lichtes des ertaßten Signales,
Fig. 10 ein Wellenformdiagramm von cos(wmt) der modulierten Signalkomponenten des reflektierten Lichtes des erfaßten Signales,
Fig. 11 ein Zeitdiagramm, auf das bei der Erläuterung der Erzeugung des Resonatorlängen-Abweichungssignales Bezug genommen ist,
Fig. 12 ein Blockdiagramm der Generatorschaltung für das Resonatorlängen-Abweichungssignal und das reflektierte Lichtsignal,
Fig. 13 ein Servoblockdiagramm,
Fig. 14 ein Zeitdiagramm, auf das bei der Erläuterung des Servo-Einzugbetriebes Bezug genommen ist,
Fig. 15 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung eines spezifischen Beispiels des elektromagnetischen Betätigungsgiiedes,
Fig. 16 eine schematische perspektivische Darstellung einer Spiralblattfeder, die in dem spezfischen Beispiel des elektromagnetischen Betätigungsgliedes verwendet ist,
Fig. 17 ein Konstruktionsdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels des Laserstrahlgenerators gemaß der Erfindung,
Fig. 18 ein Diagramm, das einen Aufbau des Laserstrahlgenerators gemaß der Erfindung zeigt,
Fig. 19 ein Diagramm, das einen Aufbau des Laserstrahlgenerators gemaß der Erfindung zeigt,
Fig. 20 ein Diagramm, das einen Aufbau des Laserstrahlgenerators gemaß der Erfindung zeigt,
Fig. 21 ein Diagramm, das einen Aufbau des Laserstrahlgenerators gemaß der Erfindungzeigt.
Fig. 22 ein Diagramm, das einen Aufbau des Laserstrahlgenerators gemaß der Erfindung zeigt,
Fig. 23 ein Konstruktionsdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 24 ein Konstruktionsdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Fig. 1 ist ein Grunddiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Laserstrahlgenerators gemaß der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Laserstrahlgenerator mit einem externen Resonator 3, der aus wenigstens einem Paar von Reflexionseinrichtungen gebildet ist. Der auf ein nicht-lineares optisches Element 4, das in dem externen Resonator vorgesehen ist, einfallende Laserstrahl wird einer Resonanz innerhalb dieses externen Resonators unterworfen, so daß er in einen Laserstrahl umgesetzter, verschiedener Wellenlänge umgesetzt ist. In diesem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist eine Bewegungseinrichtung 5 vorgesehen, um die Reflexionseinrichtung 1, die den externen Resonator 3 bildet und von dem der in der Wellenlänge umgesetzte Laserstrahl austritt, in der optischen Achsrichtung zu verfahren.
Ein Laserstrahl von der Quelle fällt auf die andere Seite der Reflexionseinrichtung 2 des externen Resonators 3 ein.
In Fig. 1 bezeichnet ein Bezugszeichen 6 die Lichtquelle für diesen einfallenden Laserstrahl. Diese Lichtquelle kann ein Festkörper-Laser, ein Halbleiterlaser oder ein Laserstrahlgenerator sein, der einen SHG hat, der in dem Laserresonator vorgesehen ist.
Der Laserstrahl von der einfallenden Laserstrahlquelle 6 wird durch einen Phasenmodulator 7 und ein Kondensatorlinsensystem 8 geschickt und tritt in den externen Resonator 3 ein.
Die Reflexionseinrichtung 1 des Resonators 3 wird beispielsweise durch einen Flachspiegel gebildet, und die Reflexionseinrichtung 2 wird beispielsweise durch einen Konkavspiegel gebildet. Das nicht-lineare optische Element 4 ist auf dem Strahlengang zwischen den Spiegeln vorgesehen.
Der auf den externen Resonator 3 einfällende Laserstrahl wird von dem externen Resonator 3 als reflektiertes Licht (Rückkehrlicht) reflektiert und weiter durch eine Reflexionsoberfläche 14 in einen Lichtdetektor, durch den er erfaßt wird, reflektiert. Als ein Ergebnis erfaßt ein Synchrondetektor 13 das Ausgangssignal von dem Lichtdetektor, um em Resonatorlängen-Abweichungssignal entsprechend der Abweichung der Resonatorwellen länge bezüglich des einfallenden Laserstrahles zu dem externen Resonator 3 zu erzeugen. Dieses Signal wird zu einer Servoschaltung 13 gespeist, durch das die Bewegungseinrichtung 5 dann gesteuert wird, um die Resonatorservowellenlänge in Übereinstimmung mit diesem Signal zu bringen.
Die Bewegungseinrichtung 5 kann ein elektromagnetisches Betatigungsglied oder ein piezoelektrisches Element oder dergleichen sein.
Das nicht-lineare optische Element 4 kann beispielsweise aus Kaliumtitahylphosphat - KTP (KTiOPO&sub4;), Lithiumniobat - LN (LiNbO&sub3;), quasi in der Phase angepaßtem QPMLN (quasi in der Phase angepaßtem LN), beta-Bariumborat - BBO (β-BaB&sub2;O&sub4;), Lithiumtriborat - LBO (LiB&sub3;O&sub4;) oder Kaliumniobat - KN (KNbO&sub3;) bestehen.
Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Laserstrahlgenerator des SHG-Typs wird im folgenden beschrieben.
In diesem Fall ist das innerhalb des externen Resonators 3 angeordnete nicht-lineare optische Element 4 aus beispielsweise BBO hergestellt.
In diesem Fall ist die Lichtquelle 6 für den einfällenden Laserstrahl beispielsweise eine SHG-Typ-Laserlichtquelle. Wenn ein Grün-Laserstrahl von beispielsweise einer Wellenlänge von 532 nm von der Quelle auf den externen Resonator 3 gespeist wird, wird ein Laserstrahl einer Wellenlänge von 266 nm durch den SHG des nicht-linearen optischen Elementes 4 erzeugt und aus der Reflexionseinrichtung 1 austreten gelassen.
Zu dieser Zeit reflektiert die Reflexionseinrichtung 2 oder der Konkavspiegel des externen Resonators 3 den eingespeisten Laserstrahl (532 nm in diesem Fall), und die Reflexionseinrichtung 1 oder der Flachspiegel auf der Austrittsseite wird durch einen zweifarbigen Spiegel gebildet, der den einfallenden Laserstrahl zumeist reflektiert und den ausgehenden Laserstrahl (266 nm in der Wellenlänge) dort durchgehen läßt.
Der Phasenmodulator 7 ist beispielsweise ein EO-(elektrooptisches) Element oder ein AO-(akustisch-optisches) Element.
Dieser Phasenmodulator 7 ist mit einem Modulationssignal von beispielsweise fm= 10MHz von einem Oszillator 9 über ein Ansteuerglied (Ansteuerschaltung) 10 gespeist.
Das von dem externen Resonator 3 als Ergebnis des einfallenden Laserstrahles rückkehrende Licht oder reflektierte Licht wird von der reflektierenden Oberfläche 14 in den Lichtdetektor 12, wie beispielsweise eine Fotodiode, reflektiert und dadurch in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das erfaßte Signal wird zu dem Abtast- und Halte-Synchrondetektor 13 gespeist, der dann ein Resonatorlängen-Abweichungssignal aufgrund der Differenz zwischen der tatsächlichen Länge des externen Resonators 3 und der Resonatorlänge erzeugt, welche in Resonanz mit dem einfallenden Laserstrahl zu sein hat.
In diesem Fall werden das Resonatorlängen-Abweichungssignal und das reflektierte Lichtsignal erzeugt und zu der Bewegungseinrichtung 5 als Servoziehsignale gespeist, um die Resonatorlängenabweichung zu Null zu machen und den Resonator bei der geeigneten Lauge zu verriegeln.
Die Bewegungseinrichtung 5 kann beispielsweise die sogenannte elektromagnetische Betätigerstruktur annehmen. Dieser elektromagnetische Betätiger kann aus wenigstens einer Spule, einem Magnet und einem Joch eines magnetischen Materials, wie der sogenannte Schwingspulenmotor, gebildet sein, wie dies weiter unten näher erläutert werden wird. Dieser elektromagnetische Betätiger verbraucht einen Ansteuerstrom von lediglich einigen 10 bis einigen 100 mA und kann die doppelte Resonanzfrequenz auf 100 kHz oder darüber steigern. Da die Frequenzkenniinie eine kleine Phasenverschlebung hat, kann der Servobereich auf einige 10 kHz erweitert werden.
Dieser elektromagnetische Betätiger ist in der Lage, die Änderung der Strahlenganglänge (Resonatorlänge) des Resonators oder die Lageabweichung der Reflexionseinrichtung 1 auf unter 1/1000 bis 1/10000 der oben erwähnten Wellenlänge oder unter 1 Å steuern.
Jedoch ist diese Bewegungseinrichtung 5 nicht auf den elektromagnetischen Betatiger begrenzt, sondern kann in einigen Fällen ein piezoelektrisches Element sein.
Im folgenden wird das Prinzip der Einfing des Laserstrahles in den externen Resonator 15 oder den sogenannten Fabry-Perot-Resonator und die Fehlereilässung beschrieben. Dieser Resonator ist in Resonanz, wenn die Strahlengang-Phasendifferenz Δ ein ganzzahliges Vielfaches von 2π ist, und schwankt stark in der Reflexionsphase um die Resonanzphase. Die Frequenzsteuerung auf dem Resonator mittels dieser Phasenänderung ist vorgeschlagen als Drever Locking in beispielsweise R.W.P. Drever u.a. "Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator", Applied Physics B 31.97- 105 (1983). Das Prinzip der Abweichungssignalerfassung in dieser Technik wird im folgenden beschrieben.
Wenn im allgemeinen ein nicht-lineares optisches Element des Brechungsindex n und der Dicke L innerhalb des Fabry-Perot-Resonators vorliegt, beträgt die Strahlengang- Phasendifferenz Δ den Wert 4πnL/λ, Wenn zusätzlich die Durchlässigkeit für den Einzel- Impuls durch T dargestellt wird, beträgt die SHG-Umsetzungswirksamkeit für den Einzelimpuls den Wert η, das Einfalls-Oberflächenreflexionsvermögen ist durch R1 gegeben, und das Austritts-Oberflächenreflexionsvermögen ist durch R2 gegeben, wobei das komplexe Reflexionsvermögen r dann ausgedrückt wird durch: Gleichung 1:
Dabei gilt Rm=R2 (T(1-η))2. Der Absolutwert (Leistungs-Reflexionsvermögen) und die Phase (Reflexionsphase) von r zu dieser Zeit sind jeweils in Fig. 2 bzw. 3 gezeigt. Die Resonanzfrequenz fo des externen Resonators 3 fallt (in einem ganzzahligen Vielfachen) mit der Frequenz fc der Einfallslaser-(Grundlaser-)Quelle 6 durch Verwenden dieser Phasenanderung zusammen.
Der Laserstrahl einer Frequenz fc (beispielsweise etwa 500 bis 600 THz) von der Laserquelle 6 wird zu dem Phasenmodulator 7 gespeist, wo er in der Phase durch das Signal einer Frequenz fm (beispielsweise 10 MHz) moduliert wird, um Seitenbänder fc±fm zu erzeugen. Die Schlage bzw. der Takt der Frequenz fc also fc±fm werden von dem Rückkehrlicht des externen Resonators 3 der Resonanzfrequenz fo erfaßt, so daß ein Abweichungssignal mit einer Polarität erhalten werden kann.
Mit anderen Worten, wenn das elektrische Feld E von der Grundwellen-Laserlichtquelle 6 durch E0 exp(i wc t) ausgedrückt wird, ist das elektrische Feld nach einer Modulation gegeben durch E0 exp (i (wct+βsin(wmt))), wobei wc die Winkelfrequenz des Grundwellenlaserstrahles, wm die Winkelfrequenz des Modulationssignales zu dem Phasenmodulator 7 und ß den Modulationsindex bedeuten. Wenn der Moduiationsindex ausreichend Mein gewahlt wird, beispielsweise zu β< 0,2, können im wesentlichen wc und die beiden Seitenbänder wc±wm allein betrachtet werden. Gleichung 2:
In dieser Gleichung (2) sind jeweils J0(β), J1(β) Bessel-Funktionen 0-ter bzw. Erster Ordnung.
Das elektrische Feld des reflektierten Lichtes von dem externen Resonator 3 hat die Terme von wc und zwei Seitenbänder wc±wm, multipliziert mit dem komplexen Reflexionsvermögen oder: Gleichung 3: Gleichung 4:
mit β(0,2, und J0(β) = (1-β2/2)J1 (β)=β/2 ergibt sich somit Gleichung 5:
Somit ist die Intensität E ² wie folgt gegeben, wenn die Terme zweiter und höherer Ordnung von β vernachlaßigt werden: Gleichung 6:
Mit anderen Worten, es wird ausgedrückt durch die Terme von sin(wmt), cos(wmt). Gleichung 7: Gleichung 8:
Wenn dieses reflektierte Licht synchron erfolgt wird, indem eine geeignete Phase dem ursprünglichen Modulationssignal (Winkelfrequenz wm) vermittelt wird, werden die Gleichungen (7) und (8) erhalten, die Jeweils die Terme von sin(wmt) und cos(wmt) sind. Das Abweichungssignal kann aus der Gleichung (8) abgeleitet werden, die der Koeffizient von sin(wmt) ist.
Die Fig. 4 bis 5 zeigen die intensität E ² des reflektierten Lichtes bzw. des Abweichungssignales.
Wenn der externe Resonator 3 in Resonanz mit dem einfallenden Laserstrahl ist, nimmt die reflektierte Lichtintensität den Mindestwert an, da deren Energie ausreichend durch den Resonator 3 absorbiert wird oder da das Rückkehrlicht klein ist.
Dieses Abweichungssignal oder das Resonatorlängen-Abweichungssignal wird durch Abtasten und Halten oder synchrones Erfassen des erfaßten reflektierten Lichtsignales von dem Lichtdetektor 1 erzeugt.
In diesem Fall wird das Resonatorlängen-Abweichungssignal durch die Abtast- und Halteeinrichtung erfaßt, und das reflektierte Lichtsignal wird erzeugt.
Die Generatorschaltung für das Resonatorlangen-Abweichungssignal und das reflektierte Lichtsignal werden anhand der Fig. 6 beschrieben.
Fig. 7 zeigt das eriaßte Signal von dem Lichtdetektor 1 in Fig. 1. Dieses Signal ist die Summe des refleklierten Lichtes (Rückkehrsignal) von dem externen Resonator 3 als ein Ergebnis des Einfalls des Laserstrahles auf den externen Resonator von der Lichtquelle 6 und des modulierten Signales (beispielsweise 10 MHz) von dem Phasenmodulator 7.
Dieses erfaßte reflektierte Signal wird zu einem Eingangsanschluß t1 gespeist. Ein Teil des Signales am Eingangsanschluß wird zu einem Tiefpaßfilter 21 gespeist, wo das modulierte Signal entfernt wird, und dann zu einem Addierer gegeben, wo es zu einem Versetzungssignal addiert wird, so daß der große oder helle reflektierte Lichtpegel des reflektierten Lichtsignales, wie dies durch eine Strichlinie gezeigt ist, auf Null gesetzt ist, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Der verbleibende Rest des Eingangssignales am Eingangsanschluß t1 wird durch ein Bandpaßfilter 22 geschickt, so daß das in Fig. 8 gezeigte modulierte Signal von dem Filter erzeugt wird. Dieses modulierte Signal wird dann in die Terme von sin(wmt) und cos(wmt) getrennt, wie dies in Fig. 9 und 10 gezeigt ist, und die Hüllkurven oder Umhüllungen hiervon werden als das Abweichungssignal abgeleitet. Da in diesem Fall die Hüllkurve der sin(wmt)-Komponente tatsächlich hervorragend in der Gestalt ist, wird diese sin(wmt)-Komponente erzeugt.
Um die sin(wmt)-Komponente zu erhalten, wird das modulierte Signal von dem Bandpaßffiter 22 zu einer Abtast- und Halteschaltung 23 gespeist.
Das Schwingungs- oder Oszffiationsslgnal von f=10 MHz (entsprechend zu fm) oder das Lichtquellen-Phasenmodulationssignal, wie in Fig. 11A gezeigt, von dem Oszillator 9 der Fig. 1 wird zu einem Einganganschluß t2 gespeist. Dieses Signal wird in ein Binärtaktsignal, wie in Fig. 11B gezeigt, durch eine Taktgeneratorschaltung 24 umgewandelt. Das Taktsignal wird weiter zu einer Phasenverzögerungsschaltung 25 gespeist, um dadurch in einem gewissen Ausmaß in der Phase verzögert zu werden, wie dies in Fig. 11C gezeigt ist, was als ein Abtasttakt für die Abtast- und Halteschaltung 23 verwendet wird. Die Abtast- und Halteschaltung tastet bei dem Takt ab und hält das modulierte Signal, wie in Fig. 8 gezeigt ist, um den in Fig. 11D dargestellten erfaßten Ausgang zu liefern. Dieses erfaßte Signal wird durch ein Tiefpaßfilter 26 geschickt, so daß das in Fig. 5 gezeigte Abweichungssignal erhalten werden kann, welches der Hüllkurve der sin(wmt)- Komponente von Fig. 9 entspricht, die aus dem erfaßten reflektierten Lichtsignal von Fig. 7 abgeleitet ist.
In diesem Fall ist der Betrag der Verzögerung, um den die Phasenverzögerungsschaltung 25 verzögert, so gewahlt, daß die Hüllkurve der in Fig. 9 gezeigten sin(wmt)- Komponenten den höchsten Rauschabstand hat.
Wenn die Synchronerfassung durch die Abtast- und Halteeinrichtung erfolgt, ist es möglich, das Problem zu lösen, daß das Abweichungssignal nicht genau in die sin-Komponente und cos-Komponente durch Verwendung eines Multiplizierers in dem allgemeinen Detektions- oder Erfassungsverfahren getrennt werden kann oder daß der Rauschabstandschwach ist.
Fig. 12 zeigt ein anderes Beispiel der Abtast- und Halte-Detektionseinrichtung. In Fig. 12 sind gleiche Elemente entsprechend zu denjenigen in Fig. 6 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht beschrieben. In diesem Beispiel werden ein A/D- Umsetzer 27 und ein D/A-Umsetzer 28 verwendet, um den Abtast- und Haltebetrieb auszuführen.
Die Servoeinrichtung, die den elektromagnetischen Betätiger oder Aktuator als die Bewegungseinrichtung 5 verwendet, wird anhand des Blockdiagrammes von Fig. 13 erläutert. Mit 30 ist ein Schalter bezeichnet, um den Ein-Aus-Betrieb der Servosteuerung an der sogenannten Schwingspule des Antriebsmotors des elektromagnetischen Akuators 31 vorzunehmen.
Die Servoschleife wird gesteuert, um zu öffnen und zu schließen durch Verwenden des Resonatorlängen-Abweichungssignales und des reflektierten Lichtsignales, die in der oben beschriebenen Weise erzeugt sind.
Fig. 14 ist ein Zeitdiagramm, das die zeitliche Beziehung der Steuerung zum Öffnen und Schließen der Servoschleife zeigt. Die Signale c bis h entsprechen den Signalen c bis h des Servoblockdiagrammes von Fig. 13.
Die Servoschleife wird hereingezogen, wenn das reflektierte Lichtsignal einen vorbestimmten Pegel hat oder darüber ist und wenn das Resonatorlängen-Abweichungssignal (im folgenden einfach als das Abweichungssignal bezeichnet) einen Nullpunkt kreuzt.
Die Fig. 14a und 14b zeigen das Abweichungssignal bzw. das reflektierte Lichtsignal. In diesem Fall sind Seitenmoden a2, b2 zusätzlich zu den Grund- bzw. Fundamentalmoden a1, b2 gezeigt. Mit anderen Worten, die einfallende Laserquelle erzeugt grundsätzlich einen Einzelmodus, jedoch gelegentlich Seitenmoden, wie beispielsweise einen Lateralmodus und einen Longitudinalmodus, zusätzlich zu dem Grundmodus unter verschiedenen Bedingungen. Wie weiter unten näher beschrieben werden wird, wird die Einziehoperation der Servoeinrichtung in den Seitenmoden vermieden.
Das reflektierte Lichtsignal wird einem Versetzungssignal durch einen in Fig. 13 gezeigten Versetzungsaddierer 32 beigefügt, so daß die Basis- bzw. Grundlinie der Nullpegel ist. In diesem Fall zeigt die positive Seite des in Fig. 14b dargestellten reflektierten Lichtsignales an, daß das reflektierte Licht (Rückkehrlicht) von dem externen Resonator 3, der in Resonanz ist, klein oder dunkel ist, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.
Das Abweichungssignal und das reflektierte Lichtsignal werden jeweils zu den Vergleichem 33 und 34 gespeist, wo sie mit gewissen Scheiben- oder Doppelbegrenzungspe geln verglichen werden, die höher als die Pegel der Seitenmodensignale a2 und b2 und niedriger als die Pegel der Fundamental- oder Grundmodensignale a1 und b2 sind. Als em Ergebnis entfernen die Vergleicher die Seitenmoden und Rauschen und erzeugen Signale c und e, wie in Fig. 14 gezeigt ist, entsprechend zu lediglich den Pegeln der Grundmodensignale a1 und b1, die höher als die Scheiben- bzw. Doppelbegrenzungspegel sind.
Das Signal c von dem Vergleicher 33 wird zu einem monostabilen Multivibrator 35 gespeist, der ein Gattersignal d erzeugt, um das Gatter zu einer geeigneten Zeit τ von der Vorderflanke des Signales c zu öffnen.
Eine ODER-Schaltung 36 ist vorgesehen, die ein Signal f erzeugt, das eingeschaltet ist, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist, wenn irgendeines der Signale d und e in dem Ein-Zustand ist.
Zusätzlich ist ein Vergleicher 37 vorgesehen, der das Abweichungssignal mit einem Nullpegel vergleicht und ein Signal g erzeugt, das, wie in Fig. 14 gezeigt ist, an den Kreuzungspunkten des Grundmodus und der Seitenmoden des Abweichungssignales mit einem Nullpegel ablällt und ansteigt.
Ein D-Typ-Flipflop 38 ist vorgesehen, das ein Signal h erzeugt, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist, wenn die Vorderflanke des Taktes g zu dem Flipflop gespeist ist und wenn der "1"-Pegel des Ausgangssignales f der ODER-Schaltung 36 zu dem Rücksetzanschluß des Flipflops gespeist ist. Dieses Signal schaltet den Schalter 30 ein. Mit anderen Worten, der Servobetrieb wird eingezogen.
Das Flipflop 38 wird eingeschaltet gehalten, bis das Rücksetzsignal von der ODER- Schaltung 36 nach 0 geht.
Das Abweichungssignal wird zu einer Phasenkompensationsschaltung 39 gespeist, um in seiner Phase kompensiert zu werden. Das Signal von der Phasenkompensations schaltung wird durch den Schalter 30 geschickt, der eingeschaltet ist, und zu einer Ansteuereinheit 40 gespeist. Das Ausgangssignal von der Ansteuereinheit treibt den Antriebsteil 31 des elektromagnetischen Aktuators an, so daß die Reflexionseinrichtung 5 des in Fig. 1 gezeigten externen Resonators 3 gesteuert wird, um sich in der Richtung der optischen Achse zu bewegen, wodurch die Resonatorlänge des externen Resonators 3 verandert wird.
Wenn die Resonatorlänge auf einen Wert gewählt ist, bei dem der Resonator in Resonanz mit dem einfallenden Laserstrahl ist, wird die Menge des reflektierten Lichtes von dem Resonator 3 klein, und damit wird der Pegel des erfaßten Lichtsignales von dem Lichtdetektor 12 reduziert. Als ein Ergebnis ist das Abweichungssignal Null, und der elektromagnetische Aktuator stoppt in dieser Position und ist somit im Resonanzzustand verriegelt.
Gemaß diesem Aufbau wird ein vorbestimmter Scheiben- bzw. Doppelbegrenzungspegel für das Fehlersignal gesetzt, und auch die ODER-Schaltung 36 erzeugt das Rücksetzsignal von diesem Scheiben- bzw. Doppelbegrenzungspegel oder darüber für das Flipflop. Signale entsprechend den Seitenmoden und Rauschen werden entfernt. Dann werden der erste Nullkreuzungspegel oder der Nullpegel des Fundamental- bzw. Grundmodussignals entfernt, wenn das ursprüngliche Abweichungssignal nach den Seitenmoden und Rauschen kommt. Lediglich dieser Nullpegel wird, wie in einem Punkt P in Fig. 14a angezeigt ist, verwendet, um den Schalter 30 einzuschalten oder den Servobetrieb durch diesen Nullpegel einzuziehen.
Sobald der Servobetrieb aktiv wird, wird das Abweichungssignal auf einen Nullpegel durch die Resonatorlängensteuerung konvergiert, wie dies durch die Strichlinie in Fig. 14a angezeigt ist. Wenn somit das Einziehen des Servobetriebes durch lediglich dieses Abweichungssignal erfolgt, kann nicht entschieden werden, ob das Abweichungssignal ist oder nicht oder ob der Servobetrieb aktiv ist oder nicht. Wenn jedoch gemaß dem obigen Aufbau der Servobetrieb aktiv ist, wird das reflektierte Lichtsignal über dem Scheiben- bzw. Doppelbegreruungspegel beibehalten, wie dies durch die Strichlinie in Fig. 14b gezeigt ist, und somit wird der Rücksetzausgang 1 von der ODER-Schaltung 36 zu dem Flipflop 38 gespeist gehalten, oder der Schalter 30 wird eingeschaltet gehalten.
Mit anderen Worten, bei diesem Aufbau kann die ODER-Operation, die das Abweichungssignal und das reflektierte Lichtsignal beide verwendet, unnötiges Einziehen des Servobetriebes oder einen übermaßigen Servobetrieb oder das sogenannte überschießen aufgrund der Seitenmoden und des Rauschens vermeiden. Zusätzlich wird der Servobetrieb sicher eingezogen, wobei ein Auslaufen der Steuerung vermieden und der Betrieb stabilisiert wird. Selbst wenn der Servobetrieb einmal außerhalb eines korrekten Einziehbereiches ist, wird er rasch stabilisiert und kann eine korrekte Steuerung für die Resonatorlänge ausführen.
Die Seitenmoden und das Rauschen des reflektierten Lichtsignales können ebenfalls durch die Scheiben- bzw. Doppelbegrenzungspegel-Einstellung entfernt werden, und somit können fehlerhafte Operationen vermieden werden.
Es wird nunmehr ein Beispiel der elektromagnetischen Aktuatorstruktur der Bewegungseinrichtung 5 für die Reflexionseinrichtung beschrieben, durch die die Resonatorlänge gesteuert ist.
Fig. 15 ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung eines Beispiels des elektromagnetischen Aktuators.
In Fig. 15 wird die in Fig. 1 gezeigte Reflexionseinrichtung 1 aus einem Reflexionsspiegel 51 mit einem Überzug gebildet. Dieser Spiegel ist fest in einen Spuienkörper 52 emgepaßt, der aus einem ringförmigen oder zylindrischen Isolator aus Keramik oder anderen Materialien besteht. Eine Spule (die sogenannte Schwingsspule) 53 ist wie ein Solenoid auf den Spulenkörper 52 gewickelt.
Dieser Spulenkörper 52 ist auf einer Blattfeder 54 einer wirbelnden Gestalt (Spiralgestalt) befestigt, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist. Die spiralförmige Blattfeder 54 ist durch emen Permanentmagnet 55 auf einem ringförmigen Joch 56 fest gelagert.
Der Magnet 55 ist angeordnet, um die Spule 53 zu umgeben, die zylindrisch auf den Spulenkörper 52 gewickelt ist. Dieser Magnet 55 ist magnetisiert, um beispielsweise den N-Pol auf der Innenumfangsseite und den S-Pol auf der Außenumfangsseite zu haben.
Der Außenumfang des Magnetes 55 ist an dem Joch 56 aus ferromagnetischem Material, wie beispielsweise Eisen, mit einem Haftmittel oder dergleichen, festgelegt.
Die Blattfeder 53 ist beispielsweise an den Ober- und Unterseiten des Spulenkörpers 53 mit einem Haftmittel oder dergleichen festgelegt. Der Außenumlang der Blattfeder 54 ist auf dem Joch 56 gelagert. Alle Teile sind zwischen zwei Abschirmplatten 57, 58 aus ferromagnetischem Material, wie beispielsweise Eisen, gehalten.
Die Abschirmplatten 57, 58 dienen beide selbst als Rückkehrpfad für den Magnetfluß von dem Magnet 55 zusammen mit dem Joch 56. Da alle Teile durch diese Abschirmplatten 57, 58 umgeben sind, kann dieser Aktuator in befriedigender Weise einfach gehandhabt werden.
Gemaß dem elektromagnetischen Aktuator dieser Struktur, die in Fig. 15 (und Fig. 16) gezeigt ist, wird keine leitende und magnetische Substanz, wie Metall, innerhalb der Spule 53 verwendet, und der Magnetkreis ist im wesentlichen geschlossen. Somit ist die Antriebskraft (Antriebskraft in der Richtung der optischen Achse) groß, und die Übertragungskennlinie hat eine kleine Phasenverschiebung. Da zusätzlich der Spulenkörper 52 aus einem keramischen Material hergestellt ist, ist der Bewegungsteil leichtgewichtig, und somit können Doppekesonanzfrequenzen auf 100 kHz oder darüber ausgedehnt werden.
Die Spule 53 des elektromagnetischen Aktüators entsprechend beispielsweise dem in Fig. 13 gezeigten Antriebssteuerteil 31 wird mit einem Servostrom von der Ansteuereinheit 40 so versorgt, daß der Spiegel 51 oder die Reflexionseinrichtung 1 in der Richtung der optischen Achse bewegt werden.
Während bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausfiihrungsbeispiel die Bewegungseinrichtung 5 so vorgesehen ist, daß die Reflexionseinrichtung 1 des externen Resonators 3 auf der Strahlaustrittsseite in der Richtung der optischen Achse bewegt werden kann, kann die Bewegungseinrichtung 5, beispielsweise der elektromagnetische Aktuator, angeordnet werden, um die Reflexionseinrichtung 2 auf der Einfallseite oder beide Einrichtungen 1 und 2 in der Richtung der optischen Achse zu bewegen.
lig. 17 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laserstrahlgenerators. Der einfallende Laserstrahl oder der Fundamental- bzw. Grundwellen-Laserstrahl, der von der Laserlichtquelle 6 emittiert ist, wird in der Phase durch den Phasenmodulator 7 moduliert und fällt auf den externen Resonator 3 durch die Kondensorlinse 8 ein. Dieser externe Resonator 3 hat die erste und zweite Reflexionseinrichtung der konkaven Spiegel 1, 2 und das nicht-lineare optische Kristallelement 4, das zwischen den Reflexionseinrichtungen vorgesehen ist. Der Strahlengang des Resonators 3 wird durch diese Reflexionseinrichtungen 1, 2 und einen Flachsplegel (dessen Reflexionsfläche) 63 gebildet.
Wenn die Strahlenganglänge LR des Resonators 3 so verändert wird, daß die Strahlengang-Phasendifferenz Δ ein ganzzahliges Vieliaches von 2π ist, ist der Resonator in Resonanz und ändert stark das Reflexionsvermögen und die Reflexionsphase. Beispielsweise wird die Reflexionseinrichtung 1 des Resonators 3 in der Richtung der optischen Achse durch die Bewegungseinrichtung 5, beispielsweise den elektromagnetischen Aktuator, verfahren.
In Fig. 17 sind gleiche Teile entsprechend zu denjenigen in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht beschrieben.
Der erfindungsgemaße Laserstrahlgenerator kann andere verschiedene Konstruktionen annehmen als diejenigen der obigen Ausführungsbeispiele. Einige Grundkonstruktionen des Laserstrahlgenerators gemäß der Erfindung werden anhand der Fig. 18 bis 22 beschrieben.
In Fig. 18 ist die Laserquelle 6 ein sogenannter Festkörper-Laseroszillator, der ein Lasermedium 74 von Nd:YAG oder dergleichen hat, das zwischen zwei Reflexionsflächen (Reflexionseinrichtungen) eines Resonators 71 angeordnet ist. Der Fundamentalwellen- Laserstrahl von beispielsweise 1064 nm in der Wellenlänge von der Laserquelle 6 fällt auf das nicht-lineare optische Kristallelement 4 aus LN oder dergleichen zwischen den beiden Reflexionsflächen (Reflexionseinrichtungen) 1, 2 des externen Resonators 3 ein. Dann wird beispielsweise die zweite Harmonische von 532 nm in der Wellenlänge erzeugt (SHG), und eine der Reflexionsflächen des externen Resonators 3, beispielsweise die Reflexionsflläche 2, wird in der Richtung der optischen Achse durch den elektromagnetischen Aktuator als der Bewegungseinrichtung 5 bewegt bzw. verfähren.
In Fig. 19 ist die Laserquelle 6 ein Festkörper-Laseroszillator, der das Lasermedium 74 aus Neodym hat, das mit Yttriumaluminiumgranat (Nd:YAG) oder dergleichen dotiert ist, welches zwischen den beiden Reflexionsflächen 72, 73 des Resonators 71 angeordnet ist. Beispielsweise fällt ein Grund- bzw. Fundamentalwellen-Laserstrahl von 1064 nm in der Wellenlänge von der Laserquelle 6 auf das nicht-lineare optische Kristallelement 4 aus LN oder dergleichen zwischen einem Paar von Reflexionsflächen 1, 2 des externen Resonators 3 ein. Dann wird beispielsweise der SHG-Laserstrahl von 532 nm in der Wellenlänge erzeugt, und eine der Reflexionsflächen, beispielsweise die Reflexionsfläche 73 des Resonators 71 der Laserquelle 6, wird. In der Richtung der optischen Achse durch den elektromagnetischen Aktuator als die Bewegungseinrichtung bewegt bzw. verfahren.
Wenn bei dieser Anordnung die Oszillations- bzw. Schwingungsfrequenz des Fundamentalwellen-Laserstrahles von der Laserquelle 6 verändert wird, wird das Reflexionsvermögen des externen Resonators 3 für den Laserstrahl geändert, so daß der Laserstrahl in den externen Resonator 3 mit hoher Wirksamkeit und mit guter Stabilität eintreten kann. Der Servobetrieb für den Resonator, der der Ansteuereinrichtung 5 der Laserquelle 6 zugeordnet ist, kann durch das reflektierte Licht (Rückkehrlicht) des Laserstrahles von dem externen Resonator in der gleichen Weise durchgeführt werden, wie dies anhand der Fig. 6-14 beschrieben ist.
In den Grundanordnungen der Fig. 18 und 19 kann das Lasermedium 51 aus Nd:YVO&sub4;, Neodym-Tetraphosphat (LNP), mit Neodym dotiertem Lanthanberyllat (Nd:BEL) oder dergleichen außer Nd:YAG bestehen. Das nicht-lineare optische Kristallelement 3 kann aus (KTP), quasi-phasenangepaßtem (QPM), LN, LBO, BBO oder dergleichen außer LN bestehen.
Die Laserquelle 6 kann ein sogenannter SHG-Laseroszillator sein. Die Laserquelle, von der die erste Grundanordnung in Fig. 18 dargestellt ist, kann durch einen in Fig. 20 gezeigten SHG-Laseroszillator ersetzt werden. In Fig. 20 sind das Lasermedium 74 aus Nd:YAG oder dergleichen und ein nicht-lineares optisches Kristallelement 75 aus KTP (KTiOPO&sub4;) oder dergleichen zwischen den beiden Reflexionsflächen 72, 73 des Resonators 71 zur SHG-Lasererzeugung vorgesehen. Der Fundamentalwellen-Laserstrahl von 1064 nm der Wellenlänge von dem Lasermedium 74 wird durch das nicht-lineare optische Kristallelement 75 geschickt, um es so in Resonanz zu bringen, so daß ein SHG-Laserstrahl von beispielsweise 532 nm erzeugt wird. Dieser SHG-Laserstrahl wird zu dem externen Resonator 3 gespeist. Eine der beiden Reflexionsflächen 1, 2 des externen Resonators 3, beispielsweise die Reflexionsfläche 2, wird durch beispielsweise den elektromagnetischen Aktuator als die Bewegungseinrichtung 5 in der Richtung der optischen Achse bewegt bzw. verfahren. Das nicht-lineare optische Kristallelement 4 aus BBO oder dergleichen des externen Resonators 3 erzeugt die zweite Harmonische des einfallenden Laserstrahles oder die vierte Harmonische des ursprünglichen Fundamentalwellen-Laserstrahles (von 1064 nm in der Wellenlange) oder beispielsweise einen Laserstrahl von 266 nm. Dieser Laserstrahl wird aus dem externen Resonator 3 herausgenommen.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann ein Spiegel des Paares der Spiegel des SHG-Laseroszillators als einer Laserquelle durch den elektromagnetischen Aktuator zusammen mit der Grundanordnung von Fig. 19 angesteuert sein. Wenn so der Laserresonator des Tvps, der die zweite Harmonische erzeugt, als eine Laserquelle vorgesehen ist und ein Laseroszillator einer homogenen Linienverbreiterung, wie beispielsweise ein Festkörper-Laserosziliator vorliegt, tritt eine polarisierte Lichtschwingllng in einem Modus auf, der zunächst zu dem Spitzenwert der Verstärkungskurve ist (Frequenz-Kennlinienkrve der Verstärkung). Da somit die Verstärkung gesättigt ist, tritt die Einzelmodusoszillation oder schwingung ein, jedoch wird gelegentlich tatsächlich eine Mehrmodusoszillation durch den Lochbrenneffekt hervorgerufen. Dies beruht darauf, daß die Verstärkung nicht ausreichend aufgrund der Knoten einer stehenden Welle gesättigt ist, die innerhalb des Laserresonators 71 vorhanden ist. Wenn ein Longitudinalmehrmodus innerhalb des gleichen polarisierten Lichtmodus als der Fundamentalwellen-Laserstrahl vorliegt, kann ein Modussprungrauschen aufgrund einer Moduskopplung innerhalb des gleichen polarisierten Lichtmodus auftreten.
Es ist gewünscht, daß die folgenden Techniken verwendet werden, um den Lochbrenneffekt in dem SHG-Laserresonator zu steuern und die Erzeugung eines Modussprungrauschens zu verhindern.
Eine der Techniken besteht darin, daß ein optisches Element oder das sogenannte Etalon oder dergleichen zum Steuern der Kopplung aufgrund der Summenfrequenzerzeugung zwischen den beiden Polarisationsmoden des Fundamentalwellen-Laserstrahles innerhalb des Laserresonators vorgesehen ist oder daß ein Lasermedium nahe einer 1/4 Wellenlängenplatte angeordnet ist, um die Mehrmodusoszillation aufgrund des Lochbrenneffektes zu steuern. Die andere Technik besteht darin, daß ein optisches Element zum Steuern der Kopplung zwischen den beiden Eigenpolarisationsmoden des Fundamentalwellen-Laserstrahles und demjenigen eines Einstellelementes vorgesehen ist, um die Polarisation einzustellen, damit der Fundamentalwellen-Laserstrahl, der im Lasermedium zurück und vor geht, zirkular polarisiert ist.
Wenn die Strahlenganglänge des Resonators der SHG-Laserquelle als ein ganzzahliges Vielfaches von derjenigen des externen Resonators gewählt ist, kann der SHG-Laserstrahl in den externen Resonator mit hoher Wirksamkeit eintreten. Dies ist erforderlich, um in den externen Resonator alle Longitudinalmoden des SHG-Laserstrahles aufgrund der beiden eigenen Polarisationsmoden des Fundamentalwellen-Laserstrahles eintreten zu lassen, welche durch Einfügen eines doppekeflektierenden Elementes, wie beispielsweise einer 1/4 Wellenlängenplatte, in den Resonator der SHG-Laserquelle verursacht ist, in welcher die sogenannte Typ-II-Phasenanpassungsbedingung zwischen dem Fundamentaiwellen-Laserstralil und dem SHG-Laserstrahl erfüllt ist. Wenn die Strahlenganglänge des Resonators der SHG-Laserquelle zu einem ganzzahligen Vielfachen von derjenigen des externen Resonators gewahlt ist, kännen mehrere Moden mit hoher Wirksamkeit einfallen.
Mit anderen Worten, der SHG-Laserstrahl von dem Laserresonator des SHG (Er- Zeugung der zweiten Harmonischen), in welchem die Frequenzdifferenz zwischen den Longitudinalmoden der beiden Eigenpolarisationsmoden des Resonators, der ein nicht-lineares optisches Kristallelement hat, ein ungeradzahliges Vielfaches der Hälfte des Resonanz-Longitudinal-Modusabstandes ist, fällt auf den externen Resonator mit dem nicht-linearen optischen Kristallelement ein. Zusätzlich wird die Strahlenganglänge des externen Resonators zu einem ganzzahligen Vielfachen von derjenigen des SHG-Laserresonators gewahlt. Somit können zwei Moden oder mehr des Laserstrahles von dem SHG-Laserresonator in den externen Resonator zu einer Zeit eingeführt werden, was es möglich macht, die Wirksamkeit der Mehrstufen-Wellenlängenumsetzung zu steigern.
Fig. 21 zeigt einen anderen Laserstrahlgenerator gemaß der Erfindung, der zwei externe Resonatoren 3a, 3b hat, die in Reihe angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel von Fig. 21 wird der Laserstrahl von beispielsweise 1064 nm in der Wellenlänge von dem Resonator 71 als einer Fundamentalwellen-Laserquelle in den ersten externen Resonator 3a so eingeführt, daß er in einen SHG-Laserstrahl von beispielsweise 532 nm durch den nicht-linearen optischen Effekt des nicht-linearen optischen Irristallelementes 4a, wie beispielsweise eines LN, umgewandelt wird. Dieser SHG-Laserstrahl wird weiter in den zweiten externen Resonator 3b eingeführt, so daß er in einen Laserstrahl der Erzeugung einer vierten Harmonischen (FHG) von beispielsweise 266 nm durch den nicht-linearen optischen Effekt des nicht-linearen optischen Kristallelementes 4b, wie beispielsweise β- Bariumborat (BBO) umgewandelt wird. Eine Oberfläche des Paares von Reflexionsflächen 1a, 2a des ersten externen Resonators 4a, beispielsweise die Reflexionsfläche 2a, wird in der optischen Achsrichtung durch die Bewegungseinrichtung 5, wie beispielsweise den elektromagnetischen Aktuator, versetzt. Eine Oberfläche eines Paares der reflektierenden Oberflächen 1b, 2b des zweften externen Resonators 3b, beispielsweise die Reflexionsfläche 2b, ist in der Richtung der optischen Achse durch die Bewegungseinrichtung 5b, wie beispielsweise den elektromagnetischen Aktuator, versetzt. Somit sind die Bedingungen für die Strahlenganglänge zwischen den Resonatoren 71, 3a, 3b erfüllt.
Fig. 22 zeigt einen anderen Laserstrahlgenerator der Erfindung, der eine Wellenlängenumsetzung durch das sogenannte Summenfrequenzmischen ausführt. Ein SHG- Laserstrahl von einer Wellenlänge von beispielsweise 532 um von einer derartigen SHG Laserquelle 6a, wie diese anhand der Fig. 20 beschrieben ist, wird durch einen synthetischen Spiegel 97, wie beispielsweise einen sogenannten zweitarbigen Spiegel, zu dem externen Resonator 3 gespeist. Eine Oberfläche des Paares von Reflexionsfiächen 72a, 73a des Resonators 71a der SHG-Laserquelle 6a, beispielsweise die Reflexionsfläche 73a, ist in der Richtung des Strahlenganges durch die Bewegungseinrichtung 5b, wie beispielsweise den oben beschriebenen elektromagnetischen Aktuator, versetzt. Ähnliche Elemente entsprechend zu denjenigen in Fig. 19 sind mit den gleichen Bezugszeichen mit einem Index "b" anstelle von "a" festgelegt, wobei ein Laserstrahl von beispielsweise 1064 nm in der Wellenlänge von der Laserquelle 6b durch den Spiegel (Reflexionsfiäche) 98 polarisiert und über den synthetischen Spiegel 97 zu dem externen Resonator 3 gesandt wird. In diesem externen Resonator 3 werden der Laserstrahl von 532 nm und der Laserstrahl von 1064 nm gemischt, um einen Laserstrahl einer Summenfrequenz durch den nicht-linearen optischen Effekt des nicht-linearen optischen Kristallelementes 4, wie beispielsweise BBO, zu bilden. Als ein Ergebnis wird ein Laserstrahl von beispielsweise 355 nm in der Welleninnge erzeugt und herausgenommen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele begrenzt. Beispielsweise kann die Wellenlänge des Fundamentalwellen-Laserstrahles von dem Lasermedium aus Nd:YAG eine Komponente von 1064 nm, 956 nm oder 1318 nm sein. Die Laserquelle kann zusätzlich zu dem Festkörperlaser, dem Halbleiterlaser, wie beispielsweise der sogenannten Laserdiode, ein Gaslaser, wie beispielsweise ein He-Ne-Laser, sein. Der Laserstrahl von jeder Lichtquelle für das Summenfrequenzmischen, wie dieses in Fig. 22 gezeigt ist, kann der Laserstrahl von dem in Fig. 21 dargestellten externen Resonator sein.
Während in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der auf den externen Resonator 3 einfallende Laserstrahl zusätzlich in der Phase durch den Phasenmodulator 7 moduliert ist, um ein Resonatorlängen-Abweichungssignal zu erzeugen, kann dieser Phasenmodulator 7 weggelassen werden, und stattdessen kann eine Phasenmodulations-Bewegungseinrichtung 105 in der Bewegungseinrichtung, die in wenigstens einer Reflexionseinrichtung des Paares von Reflexionseinrichtungen 1, 2 oder 72, 73 des externen Resonators 3 angeordnet ist, oder in dem Resonator der Lichtquelle 6 für den darauf einfallenden Laserstrahl oder in der Bewegungseinrichtung 5 als dem sogenannten Servoaktuator für die Resonatorlängensteuerung oder getrennt hiervon vorgesehen werden, wodurch diese Reflexionseinrichtung über einen sehr kleinen Abstand in der Richtung der optischen Achse bewegt bzw. verfähren werden kann. Diese Bewegungseinrichtung 105 vibriert immer ein klein wenig bei einer gewissen Frequenz von beispielsweise f=10MHz längs der Richtung der optischen Achse. Als Ergebnis wird das reflektierte Licht (Rückkehrlicht) von dem externen Resonator 3 äquivalent bei einer Frequenz von beispielsweise fm=10MHz moduliert. Somit kann die Bewegungseinrichtung 5 durch die gleiche Einrichtung, wie dies anhand der Fig. 1, 6-14 beschrieben ist, servogesteuert werden.
Die Fig. 23 und 24 zeigen Beispiele von diesem Fall. In den Fig. 23 und 24 sind gleiche Bauteile entsprechend zu denjenigen in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht näher beschrieben.
In Fig. 23 ist die Phasenmodulations-Bewegungseinrichtung 105 in der Reflexionseinrichtung 2 des externen Resonators 3 vorgesehen, um von der Servobewegungseinrichtung 5 getrennt zu sein.
in Fig. 24 dient die Phasenmodulations-Bewegungseinrichtung 105 für sich selbst und als Servobewegungseinrichtung 5, um die Resonatoriängensteuerung und die sehr Meine Phasenmodulationsvibration durchzuführen.
Die Phasenmodulations-Bewegungseinrlchtung 105 kann verwendet werden, um für sich selbst und als Bewegungseinrichtung 5 zu dienen, oder die Einrichtung 105 kann vorgesehen werden, um getrennt von der Bewegungseinrichtung 5 zu sein. Was beansprucht ist, ist in den Patentansprüchen angegeben.

Claims

1. Laserstrahlgenerator zum Erzeugen eines in der Wellenlänge umgesetzten Laserstrahles, umfassend:

- eine Laserlichtquelle (6) zum Emittieren eines Laserstrahles einer Grundwellenlänge,

- wenigstens ein Paar von Reflexionseinrichtungen (1, 2; 72, 73),

- einen externen Resonator (3) mit einer Reflexionseinrichtung des Paares von Reflexionseinrichtungen;

- einen nicht-linearen optischen Kristall (4), der in dem externen Resonator (3) vorgesehen und angeordnet ist, um den Laserstrahl von der Laserlichtquelle (6) zu empfangen und den in der Wellenlänge umgesetzten Laserstrahl zu erzeugen,

- eine Bewegungseinrichtung (5) zum Bewegen einer Reflexionseinrichtung von wenigstens einer Reflexionseinrichtung des Paares von Reflexionseinrichtungen (1, 2; 72, 73) in der Richtung der optischen Achse, um dadurch die Resonatorlänge zu steuern,

- eine Einrichtung (12) zum Erfassen des reflektierten Lichtes von dem externen Resonator,

- eine Phasenmodulationseinrichtung (7, 105) zum Phasenmodulieren des einfallenden Laserstrahles der Grundwellenlänge und dadurch des reflektierten Lichtes von dem externen Resonator;

- eine Einrichtung (13, 22-26; 27, 28) zum Erzeugen eines Resonatorlängen- Abweichungssignales aufgrund der Differenz zwischen der tatsächlichen Länge des Resonators und derjenigen, die dafür wirkt, den phasenmodulierten einfallenden Laserstrahl der Grundwellenlänge in Resonanz zu bringen;

- wobei die Bewegungseinrichtung eine Resonatorlängenservoelnheit aufweist, die mit dem Resonatorlängen-Abweichungssignal als Servoeinziehsignale und einem reflektierten Lichtstärkesignal eingespeist ist, das reflektierte Lichtstärkesignal von dem erfaßten reflektierten Licht (t1) mittels eines Tiefpaßfilters (21) erzeugt ist, um die Modulations komponente zu entfernen, und das Resonatorlängen-Abweichungssignal aus dem erfaßten reflektierten Licht (t1) mittels eines Bandpaßfilters (22) erzeugt Ist, um die Modulationskomponente herauszunehmen, und

- eine Einrichtung (32) zum Setzen einer Basislinie des reflektierten Lichtstärkesignales auf einen Nullpegel,

dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorlängenservoeinheit aufweist:

- erste und zweite Vergleichereinrichtungen (33, 34) zum Vergleichen dieses Signales aus dem Resonatorlängen-Abweichungssignal und dem Lichtstärkesignal mit gewissen Doppelbegrenzungspegeln, die höher als Pegel der Modulationsseiten-Modussignale (a2, b2), jedoch niedriger als die Pegel des Modulationsgrundmodussignales (a1, b1) des Resonatorlängen-Abweichungssignales bzw. des Lichtstärkesignales sind, um Signale (c, e) entsprechend lediglich zu den Pegeln der Grundmodussignale (a1, b1) zu erzeugen, und

- eine Schalteinrichtung (30, 35, 36, 38) zum Schalten der Resonatorlängenservoeinheit auf Einziehen nur dann, wenn die Vergleichereinrichtungen die Signale entsprechend den Pegeln der Grundmodussignale (a1, b1) erzeugt haben.

2. Laserstrahlgenerator nach Anspruch 1, bei dem die Laserlichtquelle (6) ein zweites Paar von Reflexionseinrichtungen (72, 73) aufweist.

3. Laserstrahlgenerator nach Anspruch 2, bei dem die Bewegungseinrichtung (5) gestaltet ist, um eine Reflexionseinrichtung (73) des zweiten Paares von Reflexionseinrichtungen (72, 73) zu bewegen.

4. Laserstrahlgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Schalteinrichtungen gestaltet sind, um die Resonatorlängenservoeinheit zum Einziehen zu bringen, wenn die Vergleichereinrichtungen einen Nullkreuzungspegel des Resonatorlängen-Abweichungssignales während einer gewissen Zeit τ nach dem Vergleich des Resonatorlängen-Abweichungssignales während emer gewisen Zeit τ bewerten, nachdem der Vergleich des Resonatorlängen-Abweichungssignales mit dem gewissen Doppelbegrenzungspegel dazu führt, daß das Grundmodussignal erfaßt ist.

5. Laserstrahlgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Synchrondetektoreinrichtung zum Erzeugen des Resonatorlängen-Abweichungssignales.

6. Laserstrahlgenerator nach Anspruch 5, bei dem die Synchrondetektoreinrichtung eine Abtast- und Halteeinrichtung umfaßt.

7. Laserstrahlgenerator nach einem der Ansprüch 1 bis 6, bei dem eine Takt signalgeneratoreinrichtung (24) zum Erzeugen eines Taktsignales aus dem Phasenmodulationssignal der Phasenmodulationseinrichtung vorgesehen ist, wobei das Taktsignal verwendet wird, um das erfaßte phasenmodulierte reflektierte Lichtsignal abzutasten und zu halten.

8. Laserstrahlgenerator nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 7, bei dem die Bewegungseinrichtung der Reflexionseinrichtung angeordnet ist, um bei einer bestimmten Frequenz mittels eines Phasenmodulationssignales der Phasenmodulationseinrichtung zu vibrieren, so daß der auf den externen Resonator einfallende Laserstrahl in der Phase moduliert wird.