DE69620386T2

DE69620386T2 - Laser mit einem passiven optischen resonator

Info

Publication number: DE69620386T2
Application number: DE69620386T
Authority: DE
Inventors: J. Dixon
Original assignee: ATX Telecom Systems Inc
Current assignee: Scientific Atlanta LLC
Priority date: 1995-01-09
Filing date: 1996-01-11
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2016-01-12
Also published as: CA2209670A1; EP0803137B1; WO1996021959A1; US5555253A; DE69620386D1; JPH11502369A; EP0803137A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Laser vom Typ, die Halbleiter-Verstärkungselemente innerhalb eines extern des Elements vorhandenen Hohlraumresonators verwenden. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung die Verwendung optischer Rückführung in das Halbleiter-Verstärkungselement, um die Kopplung von Licht von diesem in einen passiven Hohlraumresonator zu verbessern.

Hintergrund der Erfindung

Laserdioden sind die allgegenwärtigen Arten aktuell verfügbarer Laser. Sie sind kompakt, stabil und relativ billig. Im Allgemeinen zeichnen sich jedoch Laserdioden durch niedrige Ausgangsleistungen aus, die ihre Anwendbarkeit beschränken. Darüber hinaus arbeiten sie typischerweise nur im Nahinfrarotteil des Spektrums. Von Einzelmode-Laserdioden wie Einzelstreifendioden verfügbare Ausgangsleistungen weisen hohe Werte von bis zu 200 Milliwatt (mW) auf, wohingegen die von Multimode-Laserdioden wie Laserdiodenarrays verfügbaren Ausgangsleistungen in der Größenordnung einiger zehn Watt liegen.
Wegen der relativ niedrigen Ausgangsleistungen von Einzelstreifen-Laserdioden ist es bekannt, einen externen, passiven optischen Resonator zum Erhöhen der Leistung derselben zu verwenden. Ein Beispiel für eine resonante Leistungserhöhung einer Einzelstreifen-Laserdiode findet sich im US-Patent Nr. 4,884,276 für Dixon et al., wobei kohärente Strahlung von einer Laserdiode entlang einem Strahlpfad fokussiert wird und in einen externen, konfokalen optischen Fabry-Perot-Resonator eingespeist wird, der ein nichtlineares optisches Material enthält, was zur Erzeugung einer Harmonischen der Resonatorstrahlung führt, die über den Ausgangsspiegel des passiven Resonators ausgegeben wird.
Mit einem geeignet konstruierten passiven optischen Resonator ist es möglich, Leistungsstärken innerhalb des Resonators zu erzielen, die die Eingangsleistung der Laserdiode um mehrere Größenordnungen überschreiten. Diese Leistungsvervielfachung im Resonator kann dazu verwendet werden, den Wirkungsgrad nichtlinearer optischer Prozesse zu verbessern (z. B. Erzeugung der zweiten Harmonischen, Summenfrequenzerzeugung, Differenzfrequenzerzeugung und Raman-Prozesse) oder ein Lasermedium resonant zu pumpen. Resonant verstärkte Erzeugung der Summenfrequenz und der zweiten Harmonischen sind zwei von Verfahren, wie sie aktuell als mögliche Quellen effizienten blauen und grünen kohärenten Lichts untersucht werden. Derartige Laser werden für Vervielfältigungszwecke, Videoanzeigen, optische Datenspeicherung, biomedizinische Diagnostik und viele andere Anwendungen benötigt. Resonantes Pumpen ist ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrads von Lasern mit praktisch drei Niveaus und zum Pumpen schwach absorbierender Laserverstärkungsmedien.
Die Bedeutung resonanter Leistungserhöhung von Lasern auf Halbleiterbasis kann vollständiger dann gewürdigt werden, wenn die Erzeugung der zweiten Harmonischen einer Halbleiterlaserdiode in Kaliumniobat betrachtet wird. Käuflich verfügbare beugungsbegrenzte Diodenlaser, die nahe 860 nm arbeiten, weisen eine maximale Ausgangsleistung von ungefähr 150 mW auf. Ein einzelner Durchlauf von 150 mW Ausgangsleistung durch einen fünf (5) Millimeter (mm) dicken Kristall aus Kaliumniobat führt zu einer Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen, die deutlich unter 1 mW liegt. Wenn jedoch derselbe Kristall in einem geeignet konstruierten optischen Resonator platziert wird, weist das Feld innerhalb des Resonators eine Leistung von über 10 Watt auf. Da der Wirkungsgrad betreffend die Harmonische linear mit der Eingangsleistung zunimmt, kann die Ausgangsleistung des resonanten Bauteils bei der Frequenz der Harmonischen den hohen Wert von 70 mW erzielen. So wird unter Verwendung derselben Laserdiode und eines nichtlinearen Kristalls die Ausgangsleistung der Harmonischen auf das 100- bis 1.000-fache erhöht, wenn ein Hohlraumresonator verwendet wird.
Um die Frequenz einer Laserdiode auf die Resonanzfrequenz eines zugehörigen passiven Hohlraumresonators zu synchronisieren, sind zwei passive Synchronisiertechniken unter Verwendung optischer Rückkopplung bekannt. Die erste dieser Techniken wird allgemein als "schwache Kopplung" bezeichnet, bei der ein kleiner Bruchteil des Intraresonatorfelds des passiven Hohlraumresonators an die Laserdiode rückgekoppelt wird. Diese Technik wird bei der veranschaulichenden Ausführungsform gemäß dem oben genannten Patent für Dixon et al. verwendet.
Bei der Technik mit "schwacher Kopplung" beträgt das Verhältnis der Rückkopplungsleistung zur Diodenlaser-Ausgangsleistung weniger als 5 (fünf) Prozent, und in der Praxis liegt es im Allgemeinen unter einem (1) Prozent. Diese Technik mit "schwacher Kopplung" verengt das Emissionsspektrum der Laserdiode und synchronisiert deren Frequenz über einen bestimmten Bereich der Umgebungsbedingungen (z. B. der Temperatur und einer Schwingung) auf die Frequenz des passiven Resonators, was die Phase der Rückkopplungsstrahlung und die Länge des optischen Resonators beeinflussen kann. Jedoch ist der Bereich der Rückkopplungsphase und der Länge des optischen Resonators, in dem die Laserdiode und der Resonator synchronisiert bleiben, relativ schmal im Vergleich zum Bereich, wie er bei einer typischen kommerziellen Betriebsumgebung zu erwarten ist. Wenn der Diodenlaser z. B. umgebungsmäßig normalen thermischen Schwankungen und Schwingungen ausgesetzt wird, kann dies dazu führen, dass er nicht immer mit dem Resonator synchronisiert bleibt. Im Ergebnis ist außer in den am sorgfältigsten kontrollierten Umgebungen eine zusätzliche elektronische Rückkopplungsschleife erforderlich, um die Amplitude des Felds innerhalb des Resonators konstant zu halten.
Eine zweite Synchronisierungstechnik, die als "starke Kopplung" bezeichnet wird, ist dahingehend eine Verbesserung in Bezug auf die Technik mit "schwacher Kopplung", als der Diodenlaser unabhängig von Änderungen der Phase der Rückkopplungsstrahlung und der Resonatorlänge mit dem passiven Resonator synchronisiert werden kann. So überwindet diese Technik mit "starker Kopplung" die Frequenzinstabilitätsprobleme, die sich bei der Technik mit "schwacher Kopplung" bei Bauteilen zeigen, die in nicht kontrollierten Umgebungen arbeiten. Um die Technik mit "starker Kopplung" zu verwenden, wird die Ausgangsfacette der Laserdiode im Allgemeinen antireflexionsbeschichtet (z. B. für ein Reflexionsvermögen von unter 10&supmin;³), und in die Diodenfacette wird ein optisches Rückkopplungssignal mit einer Amplitude von über fünf (5) Prozent der Diodenlaser-Ausgangsleistung rückwärts abgebildet. Tatsächlich erweitert das Hinzufügen der Antireflexbeschichtung zur Ausgangsfacette der Laserdiode den innerhalb des Halbleiterelements der Diode gebildeten Hohlraumresonator. Der externe passive Resonator ist der äquivalente Ausgangsspiegel des erweiterten Resonators.
Bei der Technik mit "starker Kopplung" wirkt der passive Hohlraumresonator als Transmissionsfilter im erweiterten linearen Resonator. Das Licht wird zweimal durch den passiven Resonator geführt, um einen Teil des Lichts zur Diode rückzukoppeln. Diese Technik mit "starker Kopplung" ist im US- Patent Nr. 5,038,352 für Lenth et al. offenbart, gemäß dem das durch den Ausgangsspiegel des externen Resonators gestrahlte Licht durch einen stark reflektierenden Spiegel durch den passiven Resonator hindurch zur Laserdiode reflektiert wird. Selbst bei dieser Technik mit "starker Kopplung" ist jedoch eine elektronische Rückkopplungsschleife erforderlich, um die Wellenlänge der Laserdiode zu kontrollieren.
In jüngerer Zeit wurde diese Technik mit "starker Kopplung" dadurch modifiziert, dass die elektronische Rückkopplungsschleife durch ein frequenzselektives Beugungsgitter ersetzt wurde. W. J. Kozlovsky, W. P. Risk und W. P. Lenth, "Resonator-Enhanced Frequency Doubling In An Extended Cavity Diode Laser", Digest of the Compact Blue Green Laser Topical Meeting, Addendum and Postdeadline Papers (Optical Society of America, Washington, 1993), Paper PD2. Bei dieser Arbeit betrug der Wert der optischen Rückkopplung ungefähr drei (3) Prozent. Obwohl die Technik mit "starker Kopplung" unter Verwendung eines Beugungsgitters als Ersatz einer elektronischen Rückkopplungsschleife dahingehend sehr effektiv ist, die Frequenz der Laserdiode für alle möglichen Werte der Rückkopplungsphase und der Resonatorlänge mit einem passiven Resonator zu synchronisieren, hat die Anmelderin herausgefunden, dass die Amplitude des harmonischen Ausgangssignals durch ein Signal/Rauschsignal-Verhältnis von ungefähr zwei bis eins gekennzeichnet ist. Bei den meisten Anwendungen von durch Laserdioden gepumpten Hohlraumresonatoren ist eine Amplitudenstabilität von weniger als einem (1) Prozent erforderlich.
Obwohl die Anmelderin keinerlei veröffentlichte Versuche auf Grundlage der Techniken mit "starker Kopplung" unter Verwendung einer elektronischen Rückkopplungsschleife, wie im oben angegebenen Patent für Lenth et al. beschrieben, kennt, weisen die eigenen Versuche der Anmelderin darauf hin, dass eine elektronische Rückkopplungsschleife das Frequenzsprungverhalten nicht beseitigen kann, das für "starke Kopplung" beim Fehlen eines frequenzselektiven Elements im Rückkopplungspfad charakteristisch ist. Unter Verwendung eines derartigen frequenzselektiven Elements kann jedoch die Technik mit "starker Kopplung" kein amplitudenstabiles Feld innerhalb eines externen Resonators hoher Finesse vom Typ erzeugen, wie er für effiziente Erzeugung der resonanten zweiten Harmonischen, für resonante optische Mischung oder für resonantes Pumpen erforderlich ist. Z. B. werden in Generatoren für die zweite Harmonische Instabilitäten im Feld innerhalb des passiven Resonators im harmonischen Ausgangssignal verstärkt, da das Ausgangssignal proportional zum Quadrat der Leistung innerhalb des Resonators ist. Um ein amplitudenstabiles Feld innerhalb des Resonators zu erzeugen, wie es für praktische Bauteilanwendungen erforderlich ist, sind Verbesserungen an den Techniken erforderlich, wie sie bei "starker Kopplung" verwendet werden.
Zusätzlich dazu, dass die Rückkopplungsstrahlung zweimal durch den passiven externen Resonator geführt wird, wie sowohl im Patent für Lenth et al. als auch in der Veröffentlichung von Kozlovsky et al. angegeben, beschreibt das Patent für Lenth et al. auch ein Rückkopplungsschema auf Grundlage eines L-förmigen Hohlraumresonators für den externen Resonator. Diese Konfiguration ist mit der eines Fox-Smith-Resonators identisch, der dazu verwendet wird, Einzelmodeschwingung eines Argonionenlasers und anderer Laser, die normalerweise in mehreren Longitudinalmoden arbeiten, zu erzwingen. Da das Rückkopplungssignal direkt dem optischen Resonator entnommen wird, sind die unter Verwendung dieses Designs erzielbaren Rückkopplungswerte von Natur aus viel höher als diejenigen, die durch die Doppeldurchführungs-Rückkopplungstechnik erzielt werden können.
Unglücklicherweise ist es unmöglich, eine Impedanzanpassung eines Fox-Smith-Resonators zu erzielen, und die Kopplungsverluste nehmen schnell mit der Finesse des Resonators zu. Außerdem ist die durch das Patent von Lenth et al. angegebene elektronische Wellenlängensteuerung ineffektiv, und zwischen die Diode und den Resonator muss ein frequenzselektives Element eingefügt werden, um die Diodenemission innerhalb der spektralen Phasenanpassungs-Bandbreite des harmonischen Prozesses innerhalb des Resonators zu halten. Es kann erwartet werden, dass die Einfügung eines Gitters zwischen den Diodenlaser und den externen Resonator, wie in der Veröffentlichung von Kozlovsky et al. angegeben, die Amplitude des Rückkopplungssignals deutlich verringert. Der Beugungswirkungsgrad eines typischen Gitters liegt zwischen 60-80 Prozent. So würde die Platzierung eines Gitters zwischen der Diode und dem Fox-Smith-Resonator das Fundamentalfeld innerhalb des Resonators um 20 bis 40 Prozent und das harmonische Ausgangssignal eines Resonanzverdopplers um einen Faktor von 40 bis 64 Prozent verringern. Da das Rückkopplungssignal durch ein Gitter mit Fox-Smith-Konfiguration zweimal reflektiert werden muss, würde die Amplitude der optischen Rückkopplung zur Ausgangsfacette der Diode um einen ähnlichen Faktor verringert werden. Wie beim Doppeldurchführungs-Rückkopplungsschema ist es schwierig, von einer Fox-Smith-Konfiguration ein Rückkopplungssignal zu erhalten, das ausreichend stark ist, um stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist das Hauptziel der Erfindung, die Ausgangsleistung von Laserdioden auf solche Weise zu konzentrieren, dass die Frequenz- und die Amplitudenstabilität der konzentrierten Leistung ohne Kompensationselektronik erhalten bleiben.
Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, für die Ausgangsstrahlung eines Halbleiter-Verstärkungselements eine räumliche und spektrale Modenanpassung an einen externen passiven Resonator zu erzielen, um die Konzentration der Leistung des Ausgangsstrahls innerhalb des Resonators zu maximieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Festkörperlaser zu schaffen, der wirtschaftlich herstellbar ist, während gleichzeitig die oben genannten Aufgaben und Ziele erreicht werden.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Festkörperlaser vom oben genannten Typ zu schaffen, der kompakt und robust ist.
Kurz gesagt, sind die obigen Aufgaben durch einen Festkörperlaser gelöst, dessen Hohlraumresonator eine Facette eines Halbleiter-Verstärkungselements und einen passiven Resonator enthält, wie im Anspruch 1 definiert. Geeignete Optiken sind vorzugsweise für einen Umlaufpfad innerhalb des Hohlraumresonators vorhanden, wodurch ein Doppeldurchlauf durch den passiven Resonator vermieden wird, so dass Verluste innerhalb des Resonators verringert sind und mehr Leistung an das Verstärkungselement rückgekoppelt wird, bei dem es sich um das aktive Medium des Lasers handelt. Dadurch, dass eine Rückkopplung der Strahlung mit hohem Prozentsatz an das Halbleiter-Verstärkungselement gewährleistet wird, kann amplitudenstabiler Betrieb erzielt werden, während die Frequenz des Verstärkungselements auf die des passiven Resonators synchronisiert ist. Dadurch, dass sowohl für Frequenz- als auch amplitudenstabilen Betrieb gesorgt ist, kann die Leistungskonzentration im passiven Resonator für viele Anwendungen nützlich verwendet werden. Z. B. können nichtlineare Kristalle gut bekannter Typen innerhalb des passiven Resonators platziert werden, um eine hocheffiziente Erzeugung der zweiten Harmonischen in einem Leistungsbereich und mit einer Frequenz- und einer Amplitudenstabilität zu erzielen, die bisher nicht erzielbar waren.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf alternative bevorzugte Ausführungsformen mit gewissen Einzelheiten beschrieben wird, ist zu beachten, dass es nicht die Absicht der Anmelderin ist, die Erfindung auf derartige Einzelheiten und Ausführungsformen zu beschränken. Vielmehr ist es die Absicht der Anmelderin, alle Alternativen, Modifizierungen und Äquivalente abzudecken, unabhängig davon, ob sie ausdrücklich beschrieben sind oder nicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 ist eine stark schematische Wiedergabe eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, wobei ein Hohlraumresonator der Laserdiode effektiv über die Ausgangsfacette des Halbleiter-Verstärkungselements hinaus erweitert ist, um einen externen Spiegel mit frequenzabhängigem Reflexionsvermögen zu enthalten;
Fig. 2 ist ein beispielhaftes Kurvenbild zum Veranschaulichen des Reflexionsvermögens des externen Spiegels in der Fig. 1 in Abhängigkeit von der Frequenz;
Fig. 3 ist ein beispielhaftes Kurvenbild zum Veranschaulichen der im Resonator umlaufenden Leistung für den Festkörperlaser der Fig. 1 abhängig vom Abstand Lext zwischen der Ausgangsfacette des Halbleiter-Verstärkungselements und dem Ausgangsspiegel des erweiterten Resonators für verschiedene Werte des Reflexionsvermögens Rfacet der Ausgangsfacette des Verstärkungselements;
Fig. 4 ist ein beispielhaftes Kurvenbild zum Veranschaulichen der im Resonator umlaufenden Leistung für den Festkörperlaser der Fig. 1 abhängig vom Abstand Lext zwischen der Ausgangsfacette des Halbleiter-Verstärkungselements und dem Ausgangsspiegel des erweiterten Resonators für verschiedene Werte des Reflexionsvermögens Rext des externen Spiegels;
Fig. 5 ist ein beispielhaftes Kurvenbild zum Veranschaulichen der Beziehung zwischen dem Rauschsignal (d. h. frequenz- und amplitudenjittern) in der umlaufenden Leistung des erweiterten Resonators des Festkörperlasers der Fig. 1;
Fig. 6 ist eine Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, bei dem das Festkörperlaser eine AR-beschichtete Einzelstreifen-Laserdiode ist und sowohl der erweiterte Resonator als auch der passive externe Resonator linear sind;
Fig. 7 ist eine schematische Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, bei dem das Halbleiter-Verstärkungselement ein AR-beschichteter Einzelstreifen-Diodenlaser ist, dessen erweiterter Hohlraumresonator und passiver externer Resonator beide linear sind, wie bei der Ausführungsform der Fig. 6, jedoch mit solcher Modifizierung, dass innerhalb des passiven Resonators ein doppelbrechendes Intraresonator-Filter vorhanden ist;
Fig. 8 ist eine schematische Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Festkörper-Laserdiode, bei der das Halbleiter- Verstärkungselement ein AR-beschichteter Einzelstreifen-Diodenlaser ist, wobei der erweiterte Resonator linear ist und der passive externe Resonator ein L-förmiger Resonator ist, der ein doppelbrechendes Intraresonator-Filter enthält;
Fig. 9 ist eine schematische Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, bei dem das Halbleiter-Verstärkungselement ein AR-beschichteter Einzelstreifen-Diodenlaser ist und der erweiterte Resonator und der passive, externe Resonator ein linearer bzw. ein Ringresonator sind; und
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines linearen Resonators eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers, bei dem das Halbleiter-Verstärkungselement ein AR-beschichteter Einzelstreifen-Diodenlaser ist und der passive externe Resonator ein degenerierter Resonator ist.

Detaillierte Beschreibung der Bevorzugten und Ausführungsformen

Der Grundbetrieb des erfindungsgemäßen amplitudenstabilisierten, optisch synchronisierten Halbleiter-Diodenlasers kann dadurch verstanden werden, dass als Erstes auf die Fig. 1 Bezug genommen wird.
Gemäß dem Grundaufbau der dargestellten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Festkörperlaser ist ein Halbleiter-Verstärkungselement 15 eine Einzelstreifen-Laserdiode mit einer Antireflex(AR)-Beschichtung auf ihrer Ausgangsfacette 21. Im Versuch hat die Anmelderin eine Laserdiode Modell HLP 1400 AR mit einem Ausgangs-Reflexionsvermögen von unter 2 · 10&supmin;&sup4; verwendet, wie von Joachim Sacher, Lasertechnik, Nikolaistr. 9A, D-35037, Marburg, Deutschland, vertrieben. Für besondere Anwendungen der Erfindung kann eine andere Diode zweckdienlich sein. Um z. B. Frequenzverdopplung zu erzielen, ist eine InGaAs-Diode von IBM mit 150 mW mit einem Reflexionsvermögen der Ausgangsfacette von unter 0,1% und einer Wellenlänge von 994 nm bevorzugt.
Einer der zwei den Hohlraumresonator des Lasers bildenden Spiegel ist die Rückfacette 19 der Laserdiode 15. Bei der stark schematischen Darstellung eines erfindungsgemäßen Festkörperlasers in der Fig. 1 ist der zweite Spiegel des Hohlraumresonators ein externer Spiegel 13 mit einem wellenlängenabhängigen Reflexionsvermögen Rext (λ), wobei λ die Wellenlänge repräsentiert. Durch die AR-Beschichtung der Facette 21 ist der Hohlraumresonator der Laserdiode 15 effektiv bis zum externen Spiegel 13 erweitert. So ist, wie nachfolgend angegeben, der "erweiterte Resonator" ein linearer Hohlraumresonator des erfindungsgemäßen Lasers 11, der an einem Ende durch die Rückfacette 19 der Laserdiode 15 und am anderen Ende durch den externen Spiegel 13 gebildet ist, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist.
Die Laserdiode 15 ist auf herkömmliche Weise auf einem thermisch leitenden Träger 17 zur Wärmeabfuhr angebracht. Ebenfalls in herkömmlicher Weise ist die Rückfacette 19 der Diode 15 für hohes Reflexionsvermögen über die Verstärkungsbandbreite der Diode beschichtet, und die Vorderfacette 21 ist für die Wellenlängen der Verstärkungsbandbreite AR-beschichtet. Bei allen Ausführungsformen der Erfindung beträgt das Reflexionsvermögen der AR-beschichteten Facette 21 weniger als 10&supmin;³ (0,1%) über die Verstärkungsbandbreite der Diode 15. Eine Kollimations- und/oder Strahlformungsoptik 23 kann aus Objektivlinsen kurzer Brennweite, Gradientenindexlinsen, Faserlinsen, anamorphotischen Prismenpaaren oder Zylinderlinsen bestehen. Die Optik 23 ist zwischen die Diode 15 und den Spiegel 13 eingefügt. Diese Optik 23 ist so konzipiert, dass sie die optische Rückreflexion zur Diode 15 durch eine ausgewählte Kombination gekippter Flächen, AR- Beschichtungen und Modenanpassung minimiert. Z. B. kann eine Kombination aus einem Faraday-Isolator und einem Polarisator eine Einrichtung zum Minimieren der Rückreflexion bilden. Alternativ kann der externe Resonator so konzipiert sein, dass er für Rückreflexionen sorgt, die nichtkollinear mit der durch den erweiterten Resonator erzeugten Rückkopplung sind.
Das wellenlängenabhängige Reflexionsvermögen Rext (λ) des Spiegels 13 sorgt für einen Rückkopplungspfad 24 von einem passiven Resonator zur AR-beschichteten Facette 21 der Laserdiode 15. Dieser Rückkopplungspfad führt die optische Strahlung zur Laserdiode 15 zurück, die durch einen resonanten Transmissionseffekt, Wellenlängenselektoren, optische Isolatoren, Linsen und Polarisatoren, wie nachfolgend vollständiger erläutert, spektral und räumlich geformt wird. Durch Erhöhen der Intensität des resonanten Transmissionseffekts im Rückkopplungspfad (d. h. durch Erhöhen des Werts Rext (λ) in der Fig. 1) wird die Rauschsignalamplitude innerhalb des externen Resonators Lext in der Fig. 1, wesentlich geschwächt. Tatsächlich weisen die Versuchsergebnisse der Anmelderin darauf hin, dass durch die Erfindung Signal/Rauschsignal-Verhältnisse von unter zwei (2) Prozent erzielt werden können.
Die Fig. 5 ist ein erläuterndes Kurvenbild zur Beziehung zwischen der Rauschsignalamplitude in der umlaufenden Leistung des externen Resonators und dem Relativwert des Reflexionsvermögens, Rext (λ), des Spiegels 13. Wie es das Kurvenbild deutlich zeigt, verringert ein hoher Wert des Reflexionsvermögens Rext (λ) des Spiegels 13 die Störsignalamplitude auf Pegel, die für kommerzielle Anwendungen akzeptierbar sind. Vorzugsweise sorgt der Wert des Reflexionsvermögens, Rext (λ), für optische Rückkopplung zur AR-beschichteten Facette 21 der Diode 15 von mindestens fünf (5) Prozent der durch die Diode hindurchgestrahlten Strahlung.
Wie es nachfolgend vollständiger erläutert wird, kann die Ausgangsleistung in der Fig. 1 ein Prozentsatz der umlaufenden Leistung im erweiterten Resonator sein. Alternativ kann die Ausgangsleistung ein Prozentsatz der umlaufenden Leistung im passiven Resonator sein, die sich aus der Erzeugung der zweiten Harmonischen, einer Frequenzmischung oder resonantem Pumpen innerhalb des Resonators ergibt.
Bei einer Form der Erfindung ist der externe Spiegel 13 ein Modell zum Kombinieren eines Beugungsgitters und eines passiven Resonators. Wie es im Kurvenbild der Fig. 2 dargestellt ist, ist die Gesamt-Reflektivitätsfunktion Rext (λ) des Spiegels 13 das Produkt aus der Reflektivitätsfunktion Rgrating des Gitters (mit gestrichelter Linie dargestellt) und der Resonanz-Transmissionsfunktion Rcavity des passiven Resonators, worin eine Anzahl gleichmäßig beabstandeter Resonanzmoden 16 enthalten ist. Wie es aus dem Kurvenbild der Fig. 2 erkennbar ist, kombinieren diese Funktionen dergestalt, dass eine der Moden 16 des passiven Resonators dem maximalen Reflexionsvermögen des Resonatorgitters entspricht.
Die Longitudinalmoden 16 des passiven Resonators verfügen über eine Frequenztrennung von näherungsweise c/2nLpassive, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, n der mittlere Brechungsindex innerhalb des Resonators ist und Lpassive der Abstand zwischen den zwei Spiegel (in der Fig. 1 nicht dargestellt) des passiven Resonators ist. Die genauen Frequenzen der Moden 16 des passiven Resonators variieren abhängig von Änderungen des Werts der Länge Lpassive des Hohlraumresonators des passiven Resonators, wie durch Mikrofonieeffekte und Änderungen der Umgebungstemperatur hervorgerufen. Jedoch liegt die Frequenz jeder Mode innerhalb eines begrenzten Bereichs, typischerweise weniger als zehn (10) Gigahertz. Da die Laserdiode 15 homogen verbreitert ist, ist zu erwarten, dass der Laser 11 bei der Wellenlänge der Mode des passiven Resonators am Spitzenwert der Reflektivitätsfunktion des Gitters arbeitet, wie es im Kurvenbild der Fig. 2 veranschaulicht ist.
Obwohl die Ausgangsfacette 21 der Diode AR-beschichtet ist, definiert ihr kleines Reflexionsvermögen ein Ende eines extern zur Laserdiode 15 vorhandenen Hohlraumresonators. Das zweite Ende dieses Resonators ist durch den externen Spiegel 13 gebildet. Nachfolgend wird dieser Hohlraumresonator, der durch die AR-beschichtete Ausgangsfacette 21 auf einer Seite und den externen Spiegel 13 auf der anderen Seite gebildet ist, als "externer Resonator" bezeichnet, der über die Länge Lext verfügt, wie es in der Fig. 1 veranschaulicht ist. Die Quelle dieser Modulation ist der Etaloneffekt in der umlaufenden Leistung des erweiterten Resonators, wie durch die AR-beschichtete Facette 21 des Diodenlasers 15 und den frequenzabhängigen Spiegel 13 hervorgerufen.
Wie die Länge Lpassive des passiven Resonators, variiert auch die Länge des externen Resonators (Lext) aufgrund von Mikrofonieeffekten und Schwankungen der Umgebungstemperatur, wodurch ein Jitter der Frequenz und der Amplitude des Sinals hervorgerufen wird. Typischerweise wird dieser Jittereffekt in der wissenschaftlichen Literatur als "technisches Rauschen" bezeichnet. Das effektive Reflexionsvermögen Rext (λ) des externen Spiegels 13 wird durch diesen Etaloneffekt mit Audiofrequenzen moduliert. Bei bekannten Bauteilen führt diese Modulation zu großen Amplitudeninstabilitäten in den Intraresonator-Feldern der erweiterten Resonatoren passiv gekoppelter Diodenlaser.
Die Signalverläufe im Kurvenbild der Fig. 3 zeigen auf qualitative Weise den Effekt des Reflexionsvermögens Rfacet der Ausgangsfacette 21 der Laserdiode 15 auf das Amplitudenrauschen in der umlaufenden Leistung eines erweiterten Resonators. Wenn das Reflexionsvermögen Rfacet der Ausgangsfacette 21 abnimmt, nehmen die Stärken der Amplitudenschwankungen ab. Bei den Signalverläufen im Kurvenbild der Fig. 3 ist angenommen, dass die Resonanz-Transmissionsfunktion Rcavity mit ungefähr fünf (5) Prozent konstant ist.
Ein ähnliches Ergebnis wird dadurch erzielt, dass das Ausmaß der optischen Rückkopplung erhöht wird, was einer Erhöhung des Maximalwerts des Reflexionsvermögens Rext des externen Spiegels 13 im Kurvenbild der Fig. 2 entspricht. Wenn das Ausmaß der optischen Rückkopplung erhöht wird, werden im Effekt die Relativschwankungen des Reflexionsvermögens Rext des Spiegels 13, die durch vorübergehende Umgebungsbedingungen, wie Temperaturänderungen und Schwingungen verursacht werden, verringert. Daher minimiert eine erhöhte Rückkopplung die Amplituden- und Frequenzfluktuationen in der umlaufenden Leistung weiter. Die erwartete Änderung des Amplituden- und Frequenzrauschens abhängig vom Rückkopplungsumfang ist qualitativ durch die Signalverläufe des Kurvenbilds in der Fig. 4 dargestellt, wobei der Wert von Rfacet auf 0,1 Prozent fixiert ist.
In Einklang mit der Erfindung ist es wünschenswert, Fluktuationen des effektiven Reflexionsvermögens Rext (λ) des Spiegels 13 durch Maximieren des Verhältnisses Rcavity/Rfacet zu minimieren, wobei Rcavity die Resonanz-Transmissionsfunktion des passiven Resonators ist und Rfacet das Reflexionsvermögen der Ausgangsfacette der Diode 15 ist. Während die Anmelderin davon ausgeht, dass ein Reflexionsvermögen der Facette von 0,1 Prozent, in Zusammenhang mit einem Wert von 50 für das Verhältnis, die Amplitudenfluktuationen auf einen akzeptierbaren Wert senkt, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, das Reflexionsvermögen der Facette auf den kleinsten Wert zu senken, der praktisch erzielbar ist. Ferner hat es sich herausgestellt, dass ein Erhöhen der Resonanz-Transmissionsfunktion Rcavity auf Werte deutlich über fünf (5) Prozent wünschenswert ist, da Sättigungseffekte im Verstärkungsmedium (d. h. der Diode 15) bei hohen Rückkopplungswerten so wirken, dass Amplitudenfluktuationen weiter minimiert werden.
Es wird nun auf eine erste Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, gemäß der der Laser in der Fig. 6 einen allgemein mit 31 gekennzeichneten Rückkopplungspfad zum Übertragen eines wesentlichen Bruchteils des innerhalb des passiven Resonators 33 konzentrierten Lichts zurück zu einer Ausgangsfacette 35 einer Laserdiode 37 beinhaltet. Der passive Resonator verfügt über einen ebenen Eingangsspiegel 48 und einen gekrümmten Ausgangsspiegel 51. Der Bruchteil des an die Diode 37 rückgekoppelten Intraresonator-Felds kann nur 0,5 bis zehn (10) Prozent betragen. Jedoch ist der Wert der optischen Rückkopplung in Bezug auf die Ausgangsleistung der Diode 37 größer als fünf (5) Prozent. Das durch den passiven Resonator 33 hindurchgestrahlte Licht wird zu einem Ausgangspolarisator 39 eines optischen Isolators 41 rückreflektiert, der seinerseits die optische Rückkopplung entlang einem Pfad reflektiert, der kollinear zum Pfad des durch den passiven Resonator 33 zurückgeworfenen einfallenden Lichts ist. Ein Polarisations-Rotationselement wie die Halbwellenplatte 43 in der Fig. 6 ist in den Rückkopplungspfad 61 eingefügt, um die Polarisation der Rückkopplungsstrahlung so einzustellen, dass sie beinahe vollständig durch einen Faraday-Isolator 45 hindurchgestrahlt und auf eine Ausgangsfacette 35 der Laserdiode 37 zurückfokussiert wird. Wahlweise kann sich ein Faraday-Isolator (nicht dargestellt) im Rückkopplungspfad 31 befinden, um direkte Rückreflexionen zur Laserdiode 37 oder vom Polarisator 39 herrührendes zurückgeworfenes Licht zu beseitigen. Es ist möglich, Licht vom Polarisator 39 zum Ausgangsspiegel 51 hindurchzustrahlen und es entlang dem Pfad 31 zur Laserdiode 37 rückzureflektieren. Der Isolator im Pfad 31 beseitigt diese Instabilitätsquelle. Der Grund dafür, dass Licht entlang dem Pfad 31 in der Richtung entgegengesetzt zu den Pfeilen laufen kann, besteht darin, dass der Polarisator 39 unvollkommen ist und/oder der Strahl von der Laserdiode 37 nicht perfekt polarisiert ist.
Als Modeanpassungsoptik ist im Rückkopplungspfad 31 zwischen dem zwischen dem Ausgangsspiegel 51 des passiven optischen Resonators 33 und dem Faraday-Isolator 47 eine Linse 49 wie eine herkömmliche Kugellinse vorhanden, um die Kopplung der Rückkopplungsstrahlung in den aktiven Bereich der Laserdiode 37 zu maximieren. Auch ist als Modeanpassungsoptik zwischen dem optischen Isolator 41 und dem passiven Resonator 33 eine Linse 50 wie eine herkömmliche Kugellinse vorhanden.
Vorzugsweise verfügt die Laserdiode 37 auf ihrer Ausgangsfacette 35 über eine Antireflex(AR)-Beschichtung, die dieser Ausgangsfacette ein charakteristisches Reflexionsvermögen Rfacet deutlich unter 0,1 Prozent verleiht. Um eine Ergänzung zu den weniger als 0,1 Prozent Reflexionsvermögen der Ausgangsfacette 35 zu erzielen und um zu gewährleisten, dass sich die Verstärkung der Laserdiode 37 in Sättigung befindet, beträgt die in die Laserdiode gekoppelte Rückkopplungsstrahlung vorzugsweise mehr als fünf (5) Prozent der Ausgangsstrahlung der Diode. Wenn z. B. die Ausgangsleistung 100 mW beträgt, sollte die Leistung der eingekoppelten Rückkopplungsstrahlung fünf (5) Milliwatt (mW) oder mehr betragen.
Für die meisten nichtlinearen optischen Prozesse, die im passiven Resonator 33 in der Fig. 6 ausführbar sind, ist es erforderlich, das Ausgangsspektrum der Laserdiode 37 einzuengen und zu stabilisieren, um es innerhalb der Phasenanpassungs-Bandbreite des nichtlinearen optischen Kristalls im passiven Resonator zu halten. Eine typische Bedingung ist diejenige, dass die spektrale Breite des Lasers weniger als 0,5 nm beträgt. Ein spektrales Einengen der Emission der Laserdiode 37 kann auf mehrere verschiedene Arten bewerkstelligt werden. Bei der in der Fig. 6 veranschaulichten Ausführungsform reflektiert ein Beugungsgitter 53 das durch den passiven Resonator 33 hindurchgestrahlte Licht zum Faraday- Isolator 45 zurück. Um das Ausgangssignal einer GaAlAs-Laserdiode 37 auf 810 Nanometer (nm) zu stabilisieren, wird das Gitter 53 mit einem Blazewinkel für 780 nm und mit einer Grabendichte von 1.200 Gräben/mm versehen. Es ist auch möglich, doppelbrechende Filter, Transmissionetalons, dielektrische Bandpassfilter oder eine Kombination dieser Elemente (nicht dargestellt) zu verwenden, um das Ausgangsspektrum des Diodenlasers 37 einzuengen und zu stabilisieren.
Im Allgemeinen ist es ein Haupterfordernis für die Elemente außerhalb des passiven Resonators 33, dass die Transmission für außerhalb des Bands liegende Wellenlängen klein ist. Während Beugungsgitter wie das Gitter 53 und Bandpassfilter dieser Bedingung genügen, sind die Verluste in Zusammenhang mit diesen Bauteilen groß im Vergleich zu denen eines Etalons oder eines doppelbrechenden Filters. Unglücklicherweise weisen doppelbrechende Filter und Etalons häufig erhebliche Transmission bei mehreren Wellenlängen auf. In diesem Zusammenhang veranschaulicht die Fig. 7 den Laser der Fig. 6 mit einem doppelbrechenden Filter 55, das innerhalb des passiven optischen Resonators 33 positioniert ist, um als frequenzselektives Element zu wirken. Durch Positionieren des Filters innerhalb des Resonators 33 kann es der umlaufenden Leistung Verluste außerhalb des Bands auferlegen. Da das im Resonator umlaufende Licht das Filter 55 mehrfach durchläuft, ist seine Fähigkeit, außerhalb des Bands liegende Strahlung auszufiltern, verbessert. Das doppelbrechende Filter innerhalb des Resonators arbeitet wirkungsvoller als dasselbe Element mit Platzierung außerhalb des Resonators 33, da der Energieaufbau innerhalb des passiven Resonators hoch empfindlich auf Verluste innerhalb des Resonators reagiert. Als Beispiel sei ein Hohlraumresonator betrachtet, der durch einen Eingangsspiegel mit 2% Impedanz angepasst ist. Der maximale Aufbau im Resonator tritt dann auf, wenn die Summe der Verluste innerhalb des Resonators der Transmission des Eingangsspiegels, d. h. 2% entspricht. Ein deutlicher Zuwachs innerhalb des Resonators (und der durchgestrahlten Leistung) tritt auf, wenn die Verluste innerhalb des Resonators auf 4 % erhöht werden. Daher ist eine Differenz von 2% bei der Transmission zwischen Spitzenwerten eines doppelbrechenden Filters von hoher Bedeutung, wenn das Filter innerhalb des Resonators platziert wird. Wenn es außerhalb platziert würde, wäre eine Verringerung der Transmission von nahezu 100% auf 98% unbedeutend.
Im Rückkopplungspfad existieren zwei Spiegel 53 und 54. Diese Spiegel sind beide für die Wellenlänge der Diode 37 hochreflektierend. Die Linsen und Prismen 56, die die Diode 37 mit dem optischen Isolator 41 koppeln, dienen für den Umlauf und die Kollimation des Ausgangssignals der Laserdiode. Sie bilden die erste Stufe in der optischen Kette, die das Licht anpasst, das in den externen optischen Resonator eintritt und ihn verlässt.
Bei von der Anmelderin unter Verwendung der Ausführungsform der Fig. 9 ausgeführten Versuchen wurde eine deutliche Abnahme der Rauschsignalamplitude in der umlaufenden Leistung des passiven Resonators beobachtet, wenn eine Einzelquantentrog-Laserdiode durch eine herkömmliche Heterostruktur-Laserdiode ersetzt wurde. Obwohl die Einzelquantentrog-Laserdiode bei diesen Versuchen an ihrer Ausgangsfacette ein Reflexionsvermögen aufwies, das viel kleiner als das einer Heterostruktur-Laserdiode war, war dennoch die Rauschsignal- Amplitude deutlich größer. Die Anmelderin geht davon aus, dass dieses erhöhte Rauschen in der Einzelquantentrog-Laserdiode auf Schwierigkeiten beim stabilen Koppeln der Rückkopplungsstrahlung vom externen Resonator in den kleineren Wellenleiter der Einzelquantentrog-Laserdiode beruht.
Bei den in den Fig. 6 und 7 veranschaulichten Ausführungsformen der Erfindung muss sich die Modeanpassungslinse 49 im Pfad zwischen dem Ausgangsspiegel 51 des passiven Resonators 33 und dem Faraday-Isolator 45 befinden, um die Rückkopplungsstrahlung wirkungsvoll in die Laserdiode 37 zu koppeln. Um für eine Modenanpassung des Rückkopplungsstrahls ohne Verwendung zusätzlicher brechender Elemente wie der Linse 49 bei den Ausführungsformen der Fig. 6 und 7 zu sorgen, muss die Länge des Beugungspfads zwischen der Modenanpassungslinse 50 und dem Ausgangsspiegel 51 des passiven Resonators 33 dieselbe wie diejenige des Beugungspfad zwischen der Modenanpassungslänge und dem Eingangsspiegel 48 des passiven Resonators sein.
Bei der in der Fig. 8 veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet der erfindungsgemäße Rückkopplungspfad ein Element 57, das unter Verwendung einer einzelnen Modeanpassungslinse 61 automatisch die Mode der Rückkopplungsstrahlung an die Laserdiode 59 anpasst. Das Element 57 erlaubt es, die Modeanpassungslinse 49 der Ausführungsformen der Fig. 6 und 7 wegzulassen. Das optische Element 57 verfügt über einen Brechungsindex n über 1,00, und es ist in den Rückkopplungspfad eingefügt, um die Beugungspfadlänge hinsichtlich des körperlichen Abstands zwischen dem Ausgangsspiegel 67 und der Modeanpassungslinse 61 zu verringern. Allgemein gesagt, können die Beugungspfadlängen bei der Ausführungsform der Fig. 8 wie folgt gleichgemacht werden: der körperliche Abstand zwischen dem Strahlteiler 79 und dem Eingangsspiegel 65 des passiven Resonators 63 entspricht der Summe aus:
(1) der körperlichen Länge der Luftstrecken im Rückkopplungspfad zwischen dem Ausgangsspiegel 67 des passiven Resonators und dem Strahlteiler 79 und
(2) der körperlichen Länge des optischen Pfads durch das optische Element 57, geteilt durch dessen Brechungsindex.
Bei der in der Fig. 8 veranschaulichten Ausführungsform besteht der passive Resonator 63 aus ebenen Eingangs- und Ausgangsspiegeln 65 bzw. 67 sowie einem ablenkenden Kugelspiegel 69, der dazu verwendet wird, einen stabilen Resonator zu erzeugen. Der passive Resonator 63 wird am Ablenkspiegel 69 so gefaltet, dass er über zwei Arme der Längen L&sub1; und L&sub2; verfügt, wie dargestellt. Der Ausgangsspiegel 67 verfügt über ein Transmissionsvermögen bei der Eingangswellenlänge zwischen 0,5 Prozent und 20 Prozent, während das Transmissionsvermögen des Eingangsspiegels 65 für eine Impedanzanpassung der anderen Umlaufverluste im passiven Resonator gewählt ist (Z. B. Streuung, Absorption, Transmission des Ausgangsspiegels und nichtlineare Verluste). Der kugelförmige Ablenkspiegel 69 ist hochreflektierend (z. B. R > 99,7 Prozent), und er verfügt über einen Konkavradius, der kleiner als die Beugungspfadlänge des längeren der zwei Arme des passiven Resonators 63 ist.
Im Idealfall, der für die Ausführungsform nicht gilt, sind die Beugungspfadlängen der zwei Arme des passiven Resonators 63 gleich, wodurch Strahltaillen am Eingangs- und am Ausgangsspiegel 65 und 67 erzeugt werden, die dieselbe Größe haben. Die Taillen sind von derselben Größe, da es dadurch möglich ist, die maximale Kopplung der Transmission durch den Resonator zurück zum Diodenlaser mittels einer einzelnen Linse zu erzielen. Wie bei der Ausführungsform ist innerhalb des passiven Resonators 63 ein doppelbrechendes Filter 71 enthalten, und die Beugungspfadlänge des Arms mit dem Filter ist um einen Wert erhöht, der dem Folgenden entspricht:
L&sub3; - L&sub3;/n
wobei L&sub3; die körperliche Länge des Filters ist und n der Brechungsindex desselben ist.
Um den Rückkopplungspfad 73 zu vervollständigen, wird der Rückkopplungsstrahl durch eine Halbwellenplatte 75, ein fresnelsches Parallelepiped oder eine andere optische Komponente, die die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht ändert, um 90 Grad in Bezug auf den Eingangsstrahl gedreht. In Einklang mit der Erfindung kann dieses Polarisations-Rotationselement 75 entweder auf der Eingangs- oder der Ausgangsseite des passiven Resonators 63 platziert werden. Um die Rückkopplungsstrahlung in die Ausgangsfacette 77 der Laserdiode 59 abzubilden, wird der Rückkopplungsstrahl mit gedrehter Polarisation in einen polarisierenden Strahlteiler 79 gestrahlt, so dass er sich in Gegenrichtung entlang dem Pfad des Eingangsstrahls zur Laserdiode hin ausbreitet.
Dieselbe Modenanpassung kann ohne zusätzliche Brechungselemente dadurch bewerkstelligt werden, dass das optische Element 57 in das Innere des passiven Resonators 63 eingesetzt wird und die körperlichen Abstände zwischen dem Strahlteiler 79 und jedem der zwei ebenen Resonatorspiegel 65 und 67 des passiven Resonators einander gleichgemacht werden. In diesem Fall sind die zwei Arme des Resonators nicht gleich. Es wird etwas hinsichtlich der Modenanpassungseffizienz geopfert, jedoch wird dadurch gewonnen, dass kein die Beugung kompensierendes Element einzufügen ist. Als weitere mögliche Alternative kann das optische Element 57 weggelassen werden, wenn der L-förmige passive Resonator 63 auf solche Weise konzipiert wird, dass die Beugungslängen zwischen den zwei ebenen Spiegeln 65 und 67 und der Modeanpassungslinse 61 gleich sind. Für diesen Typ einer Architektur existiert ein Unterschied bei den Taillengrößen am Eingangs- und am Ausgangsspiegel 65 bzw. 67 des passiven Resonators 63. Die Fleckgrößen sind verschieden, da die Längen der zwei Resonatorarme verschieden sind. Jedoch verringert diese Fleckgrößendifferenz nur den Wert des eingekoppelten Rückkopplungssignals, um einen kleinen Wert, wenn die Ausgangstaille genau auf die Ausgangsfacette 77 der Laserdiode 59 abgebildet wird. Z. B. führt ein Taillengrößenverhältnis von 2,0 zu einer Verringerung der eingekoppelten Leistung von ungefähr 10 Prozent. Der Isolator und die Fokussierlinse in der Fig. 8 spielen dieselbe Rolle wie bei anderen Konstruktionen linearer Resonatoren. Der einzige Unterschied besteht hierbei darin, dass die Modeanpassungslinse im Rückkopplungspfad weggelassen ist.
Es wird nun auf die in der Fig. 9 dargestellte bevorzugte Architektur der Erfindung Bezug genommen, gemäß der ein passiver Resonator 81 in Form eines Ringresonators mit Spiegeln M1, M2, M3 und M4 vorliegt. Der Eingangsspiegel M1 des passiven Resonators 81 verfügt über ein Reflexionsvermögen von ungefähr 98 Prozent. Die anderen Spiegel M2, M3 und M4 sind alle bei der Wellenlänge der Diode 85 - d. h. 994 nm - hochreflektierend. Der Ausgangsspiegel M2 verfügt über hohes Transmissionsvermögen bei einer Wellenlänge von 497 nm. In Einklang mit der Erfindung wird ein Element 83 im Resonator wie ein doppelbrechendes Filter dazu verwendet, ein spektralgefiltertes Rückkopplungssignal an die Laserdiode 85 zu erzeugen. Das Element 84 innerhalb des Resonators ist so positioniert, dass eine seiner Flächen mit der Taille des Felds innerhalb des Resonators übereinstimmt und normal zur optischen Achse des Resonators ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist die Laserdiode 85 eine InGaAs-Diode von IBM mit 150 mW mit einem Reflexionsvermögen der Ausgangsfacette von unter 0,1 Prozent und einer Wellenlänge von 994 nm. Diese Diode ist zur Verwendung mit KTP als verdoppelndem Kristall, der innerhalb des passiven Resonators 81 positioniert ist, besonders gut geeignet.
Das doppelbrechende Filter 83 ist mit seinen Polarisationsachsen unter einem spitzen Winkel in Bezug auf die Polarisation des Eingangsstrahls ausgerichtet, um die Rückkopplungsstrahlung spektral zu filtern. Der spitze Winkel befindet sich in der Ebene normal zur Ausbreitungsrichtung des Felds im Resonator. Optimalerweise fällt die Fläche des doppelbrechenden Filters 83, die zum Erzeugen des Reflexions-Rückkopplungssignals an die Laserdiode 85 verwendet wird, räumlich mit der Taille des passiven Resonators 81 zusammen. Bei den Ausführungsformen der Fig. 6-8 beinhaltet die Ringresonator-Ausführungsform der Fig. 9 ein anamorphotisches Prismenpaar 86 für den Umlauf und die Kollimierung des Strahls von der Laserdiode 85, bevor er durch die Modeanpassungslinse 88 in den passiven Ringresonator 81 fokussiert wird. Das anamorphotische Paar wird von Melles Griot, 1770 Kettering St., Irvine, California 92714 (Cat. No. 06GPU001) hergestellt. Die Modeanpassungslinse 88 wird so positioniert, dass die Taille der in den Ringresonator 81 eingegebenen fokussierten Strahlung mit der Taille der Mode im Hohlraumresonator übereinstimmt. Vorzugsweise wird die Brennweite der Linse 88 so gewählt, dass sie zu den Taillengrößen des Eingangsstrahls und der Mode im Resonator passt. Jede der Linsen 88 und 99 ist eine geformte asphärische Kollimationslinse von Corning Glass.
Die Linse 88 in der Fig. 9 ist eine Modeanpassungslinse, wie die Linse 61 in der Fig. 8. Bei der Ausführungsform der Fig. 9 wird kein Faraday-Isolator benötigt, da keine direkte Rückreflexion vom Eingangsspiegel des externen Resonators besteht. Eine attraktive Eigenschaft von Ringresonatoren ist die Tatsache, dass die direkte Rückreflexion nicht kollinear zum Eingangsstrahl ist.
Durch Erhöhen des Reflexionsvermögens der Fläche des Elements 83 im Resonator, das sich an der Taille des Resonators 81 befindet, wird ein Teil (z. B. unter 15%) des Felds im Resonator in eine Mode gekoppelt, die sich in der Gegenrichtung ausbreitet. Dieses Feld im Resonator, das sich in der Gegenrichtung ausbreitet, wird durch den Eingangsspiegel M1 hindurchgestrahlt, und es synchronisiert die Laserdiode auf eine Resonanzfrequenz des erweiterten Resonators. Eine Beschreibung dieser Technik, die nur Rückkopplungswerte zum Errichten schwacher Kopplung der Diode verwendet, wurde von A. Hemmerich et al. in Optics Letters, 15, 372 (1990) veröffentlicht. In Einklang mit der Erfindung wird das Feld innerhalb des Resonators für diejenigen Wellenlängen maximiert, für die das Element 83 innerhalb des Resonators eine Nacheilung einer vollen Welle erzeugt. Abhängig vom gewünschten Spektrum, auf das der Laser zu synchronisieren ist, können Mehrfachplatten-Intraresonatorelemente im Ringresonator 81 verwendet werden.
Die reflektierende Fläche des doppelbrechenden Filters 83 verfügt über ein Reflexionsvermögen, das den Intraresonatorverlusten des Ringresonators 81 entspricht und das typischerweise größer als ein Prozent ist. Eine Impedanzanpassung wird dadurch erzielt, dass die Transmission des Eingangsspiegels M1 des Ringresonators 81 an die Summe der Reflexions- und Intraresonatorverluste des Rings angepasst wird. Z. B. sorgt in einem Resonator mit Intraresonatorverlusten von zwei Prozent die reflektierende Fläche des doppelbrechenden Filters 83 für ein Reflexionsvermögen von zwei Prozent für einen einfallenden Strahl, und der Eingangsspiegel des Ringresonators weist eine Transmission von vier Prozent auf. Bei optimiertem Raummode-Anpassungsbedingungen ist die vom doppelbrechenden Filter 83 reflektierte Strahlung, die an die Laserdiode 85 rückgeführt wird, näherungsweise halb so stark wie der Eingangsstrahl von der Laserdiode.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das doppelbrechende Filter 83 ein frequenzverdoppelnder Kristall wie KTP, der für eine unkritische Erzeugung der zweiten Harmonischen vom Typ II für Eingangsstrahlung von 994 nm ausgerichtet ist. Bei der Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) vom Typ II garantiert eine Polarisation im Resonator unter 45 Grad in Bezug auf die Achsen des verdoppelnden Kristalls, das der Kristall im Resonator als doppelbrechendes Filter wirkt. Die Transmissionswellenlänge von KTP wird durch Einstellen der Temperatur, unter Verwendung herkömmlicher Techniken, eingestellt. Eine Temperatureinstellung eines KTP-Kristalls kann dadurch bewerkstelligt werden, dass er in Wärmekontakt mit der Oberfläche eines thermoelektrischen Kühlers gebracht wird. Die Temperatur des Kristalls wird durch einen Thermistor überwacht, der ebenfalls mit der Oberfläche des Kühlers in Kontakt steht. Um die Temperatur einzustellen, wird der Widerstand des Thermistors mit einem Bezugswert verglichen, und eine Rückkopplungs-Regelungsschaltung wird dazu verwendet, die Temperatur des T.E.-Kühlers so einzustellen, dass der Thermistorwiderstand (und die Kristalltemperatur) konstant ist. In der Praxis kann ein T.E.-Kühler leicht durch einen einfachen Widerstandsheizer ersetzt werden.
Bei den Architekturen bekannter Systeme erforderten passive Resonatoren typischerweise eine Raummode-Anpassung des Eingangsstrahls an die TEM&sub0;&sub0;-Mode des Resonators, um den Leistungsaufbau zu maximieren. Unglücklicherweise weist ein optisches System, das für diese Modeanpassung sorgt, typischerweise ein Transmissionsvermögen von 60 bis 70 Prozent auf. Als Ergebnis hiervon sind die Transmissionsverluste, die in den passiven Resonator abgebildete Leistung, deutlich kleiner als die Leistung des Ausgangsstrahls der Laserdiode. So wird die Leistung des in die Laserdiode rückgekoppelten optischen Rückkopplungssignals entsprechend verringert. Das Erfordernis einer Raummode-Anpassung des Eingangsstrahls an den passiven Resonator rührt aus der Tatsache her, dass bei der Architektur des typischen Resonators die Transversalmoden höherer Ordnung bei Frequenzen resonant sind, die sich von denen der fundamentalen Transversalmode (d. h. der TEM&sub0;&sub0;-Mode) unterscheiden. Dies macht es für einen passiven Resonator unmöglich, gleichzeitig mehrere Transversalmoden mit einem Eingangsstrahl einer einzelnen Frequenz anzuregen. Bei einer passiv synchronisierten Laserdiode, wie denen der Erfindung, synchronisiert die Laserdiode typischerweise auf die Transversalmode mit der höchsten Kopplung an die Eingangsmode, und nicht an diese Mode angepasste Strahlung wird am Eingangsspiegel des passiven Resonators reflektiert.
In Einklang mit der Erfindung kann für den passiven Resonator eine Architektur verwendet werden, bei der alle Transversalmoden (d. h. die TEM-Moden) auf derselben Frequenz liegen. Ein derartiger passiver Resonator wird allgemein als "degenerierter Resonator" bezeichnet. Wenn alle Transversalmoden auf derselben Frequenz liegen, ist es möglich, Eingangsstrahlen resonant anzuregen, die räumlich nicht an die fundamentale TEM&sub0;&sub0;-Mode des passiven Resonators modeangepasst sind. Unter Verwendung eines degenerierten Resonators als passiver Resonator bei der Erfindung können die Verluste in der Modeanpassungsoptik beseitigt werden, um dadurch sowohl die Eingangsleistung in den passiven Resonator als auch den Prozentsatz der von der Laserdiode emittierten Strahlung, der zu ihr als optisches Rückkopplungssignal rückgeführt werden kann, zu erhöhen. Degenerierte Resonatoren sind von J. A. Arnaud in "Degenerate Optical Cavities", Applied Optics, 8. 189 (1969) beschrieben.
Es wird nun auf die Fig. 10 Bezug genommen, in der eine andere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht ist, die die Intraresonator-Wellenlängenselektion der in der Fig. 7 veranschaulichten Ausführungsform, einen degenerierten optischen Resonator und "automatische" Techniken zur Modenanpassung der Rückkopplungsstrahlung an die Laserdiode, wie in den Architekturen der Fig. 8 und 9 veranschaulicht, beinhaltet. Bei der Ausführungsform der Fig. 10 verfügt eine Einzelstreifen-Laserdiode 91 vorzugsweise über eine Struktur, die dahingehend optimiert ist, Rückkopplungsstrahlung von einem linearen passiven Resonator mit Spiegeln M1, M2, M3, M4 und M5 effizient zu koppeln. Das Ausgangssignal der Laserdiode 91 wird durch eine einzelne Linse 93 durch einen Faraday-Rotator 95 von 45 Grad und einem polarisierenden Strahlteiler 97 auf den Eingangsspiegel M1 des linearen passiven Resonators abgebildet. Z. B. verfügt eine Laserdiode Sharp LT015 mit einer AR-Beschichtung auf ihrer Ausgangsfacette mit einem Reflexionsvermögen unter 0,2% für einen Ausgangsstrahl, der mit einer Kollimationslinse Newport FL20 mit einer Brennweite von 8,8 mm auf den Eingangsspiegel M1 abgebildet wird. Der Faraday-Rotator kann z. B. ein in der Wellenlänge einstellbarer Faraday-Isolator NIR5 sein, dessen Eingangspolarisator weggelassen ist, hergestellt von Optics For Research, Caldwell, New Jersey).
Um den Kopplungswirkungsgrad der Rückkopplungsstrahlung in die Diode 91 zu erhöhen, ist es wünschenswert, Astigmatismen im Ausgangsstrahl der Laserdiode zu beseitigen und den Strahl auf eine Taille zu fokussieren, die sich an der Beschichtung des Eingangsspiegels M1 befindet. Astigmatismus des Strahls der Laserdiode 91 kann dadurch beseitigt werden, dass zwischen die Kugellinse 93 und den linearen passiven Resonator eine schwache Zylinderlinse (nicht dargestellt) eingefügt wird, wie allgemein durch das anamorphotische Prismenpaar 86 bei den Ausführungsformen der Fig. 6-8 angezeigt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 10 ist der lineare passive Resonator mit den Spiegeln M1, M2, M3, M4 und M5 ein degenerierter Resonator, dessen optische Eigenschaften entsprechend dem Formalismus konzipiert werden, wie er von Arnaud in seinem oben angegebenen Artikel auf den Seiten 192 - 93 angegeben ist. Wie es in der Fig. 10 dargestellt ist, enthält der passive Resonator ein doppelbrechendes Filter 99. Wie bei der in der Fig. 7 veranschaulichten Ausführungsform erhöht die Verwendung des doppelbrechenden Filters 99 als Element im Resonator Verluste außerhalb des Bands, während die maximale Transmission bei der ausgewählten Frequenz des Filters erhalten bleibt. Selbstverständlich erfordert es diese Technik, dass die maximale Transmission des frequenzselektiven Elements so dicht wie möglich bei 100 Prozent liegt, jedoch kann diese Bedingung unter Verwendung moderner Techniken optischer Herstellung und Beschichtung leicht erfüllt werden. Das doppelbrechende Filter 99 arbeitet mit normalem Einfall. Auch müssen die optischen Pfadlängen entlang den zwei rechtwinkligen Kristallachsen des Filters 99 gleich sein, um die Degeneriertheit des passiven Resonators aufrecht zu erhalten.
Die dreidimensionale Anordnung der Spiegel M1 bis M5 sorgt dafür, dass der passive Resonator für alle Transversalmoden hoher Ordnung und nicht nur die mit der Spezifizierung TEM0n oder TEMn0, wobei n eine ganze Zahl ist, degeneriert ist. Die Reflexionsvermögen der Spiegel werden so ausgewählt, dass 50 Prozent der auf den Eingangsspiegel M1 fallenden Strahlung durch den Ausgangsspiegel M5 hindurchgestrahlt werden. Die Transmissionsimpedanz des Eingangsspiegels ist an die anderen Verluste im Resonator angepasst. Z. B. weist der Ausgangsspiegel M5 in einem Resonator mit Verlusten im Resonator von ungefähr 1,5 Prozent eine Transmission auf, die diesen Verlusten (d. h. 1,5 Prozent) entspricht, und der Eingangsspiegel M1 verfügt über eine Transmission, die der Summe aus der Ausgangstransmission und den Verlusten im Resonator (d. h. drei (3) Prozent) entspricht.
Die aus dem Ausgangsspiegel M5 austretende spektral gefilterte Rückkopplungsstrahlung wird durch ein mit 90 Grad polarisierendes Rotationselement 101 gelenkt (z. B. eine Halbwellenplatte, die mit Achsen unter 45 Grad zur Eingangsstrahlung ausgerichtet ist). Das Rotationselement 101 richtet den Rückkopplungsstrahl so aus, dass seine Transmission durch den Polarisator 97 maximal ist und er räumlich mit dem Eingangsstrahl überlappt, sich jedoch in der entgegengesetzten Richtung ausbreitet. Ein hochreflektierender Spiegel M6 lenkt den Rückkopplungsstrahl in den Polarisator 97. Der Abstand zwischen dem Ausgangsspiegel M5 und dem Polarisator 97 wird so eingestellt, dass die Beugungspfadlänge von der Fokussierlinse 93 zum Eingangsspiegel M1 der Länge vom Ausgangsspiegel M5 zur Linse entspricht. Wenn die verschiedenen optischen Elemente korrekt ausgerichtet sind, ist die Rückkopplungsstrahlung vom passiven Resonator durch die Fokussierlinse 93 automatisch an den aktiven Wellenleiter des Diodenlasers 91 modenangepasst.
Wie es der Fachmann auf dem Gebiet des Laserdesigns erkennt, sind die in den Fig. 6-10 veranschaulichten Ausführungsformen der Erfindung nur als spezielle Ausführungsformen repräsentativ, die die Konzepte der Erfindung dazu verwenden, die Amplitudenstabilität der umlaufenden Leistung für eine passiv synchronisierte Laserdiode zu verbessern. Abhängig von der Anwendung kann zufriedenstellende Amplitudenstabilität unter Verwendung nur einer der Techniken erzielt werden, wie durch die Ausführungsform in der Fig. 6 nahegelegt. Bei anderen Anwendungen können mehrere Techniken gemeinsam verwendet werden, wie bei der Ausführungsform der Fig. 10. In jedem Fall sollen die folgenden Ansprüche alle derartige Ausführungsformen, unabhängig von der Anwendung, überdecken. Durch Bereitstellen einer starken Kopplung der Laserdiode unter Verwendung der hier offenbarten Techniken wird die Rauschsignalamplitude in der umlaufenden Leistung eines passiven Resonators wesentlich abgesenkt, um dadurch praxisgerechte und effiziente Erzeugung der zweiten Harmonischen, Frequenzmischung und resonantes Pumpen zu ermöglichen.

Claims

1. Laser umfassend:

ein Halbleiterverstärkungselement (15) mit einer Rückfacette (19) und einer mit einer Antireflexschicht beschichteten, ein Reflexionsvermögen Rfacet aufweisenden Vorderfacette (21) zum Emittieren von optischer Strahlung;

einem erweiterten Resonator mit einem ersten und einem zweiten, einander gegenüberliegenden Spiegel, wobei der erste Spiegel die Rückfacette des Halbleiterverstärkungselements ist, und der zweite Spiegel (13) ein Reflexionsvermögen Rext aufweist und einen physikalisch von dem Verstärkungselement getrennten, passiven Resonator mit einer Resonanztransmissionsfunktion RCavity umfasst, um die optische Strahlung, die durch die Vorderfacette des Halbleiterverstärkungselements emittiert wird, als umlaufende Leistung zu speichern;

optische Kopplungselemente (23), um die optische Strahlung aus dem Verstärkungselement in den passiven Resonator einzukoppeln;

einen Rückkopplungsweg (24), um einen Teil der umlaufenden Leistung des passiven Resonators an das Halbleiterverstärkungselement zurückzugeben; und

ein optisches Filter (55), um den Teil der umlaufenden Leistung des passiven Resonators, der an das Verstärkungselement zurückgegeben wird, spektral zu filtern,

dadurch gekennzeichnet, daß

die optischen Kopplungselemente (23) eine Optik enthalten, die das Verstärkungselement davor bewahrt, eine aufgrund der Fehlanpassung der Impedanz zwischen Verstärkungselement und passivem Resonator zurückreflektierte Strahlung des passiven Resonators aufzufangen; und

der Wert des Verhältnisses Rcavity/Rfacet so ist, daß Fluktuationen in der Amplitude der umlaufenden Leistung in dem erweiterten Resonator unter fünf Prozent (5%) des Durchschnittswerts der umlaufenden Leistung gehalten werden.

2. Laser nach Anspruch 1, wobei der Wert des Verhältnisses Rcavity/Rfacet größer ist als fünfzig (50).

3. Laser nach Anspruch 1, wobei die Resonanztransmissionsfunktion Rcavity des passiven Resonators mehr als fünf Prozent (5%) der optischen Strahlung des Halbleiterverstärkungselements zurückgibt.

4. Laser nach Anspruch 1, wobei das Reflexionsvermögen Rfacet der Vorderfacette des Halbleiterverstärkungselements kleiner als 0,1 Prozent ist.

5. Laser nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterverstärkungselement eine Einzelstreifen-Laserdiode ist.

6. Laser nach Anspruch 2, wobei der passiver Resonator ein Ringresonator ist.

7. Laser nach Anspruch 6, wobei der passive Resonator einen Eingangsspiegel und einen Ausgangsspiegel enthält, und der Rückkopplungsweg eine reflektierende Fläche innerhalb des optischen Resonators enthält, um den Teil der optischen Strahlung durch den Eingangsspiegel zurückzureflektieren, der die Amplitudenfluktuationen unter fünf Prozent (5%) des Durchschnittswerts der umlaufenden Leistung hält.

8. Laser nach Anspruch 2, wobei das optische Filter ein doppelbrechendes Filter ist.

9. Laser nach Anspruch 2, wobei das optische Filter ein Prisma ist.