HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser mit einer
Wellenlängenwandlerfunktion, insbesondere einen Wellenlängenumwandlungslaser, bei dem ein
Etalon und eine Brewsterplatte in einem Resonator angeordnet sind, um eine
Einze-Longitudinalmoden-Schwingung hervorzurufen.
Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik
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Wie zum Beispiel in der EP-A-0 712 184 offenbart ist, ist ein Festkörperlaser
bekannt, bei dem ein mit Neodym (Nd) dotierter Festkörper-Laserkristall mit
einem von einem Halbleiterlaser oder dergleichen emittierten Laserstrahl
gepumpt wird. Bei diesem Typ von Festkörperlaser ist es weit verbreitete Praxis,
den von dem Festkörperlaser emittierten Laserstrahl in dessen zweite
Harmonische umzuwandeln, was mit Hilfe eines nicht-linearen optischen Kristalls
geschieht, der in dem Resonator des Festkörperlasers angeordnet ist, um einen
Laserstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge zu erhalten.
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Ein solcher Wellenlängenumwandlungslaser ebenso wie andere Lasertypen
sollten in einem einzelnen Longitudinalmodus schwingen, um
Ausgangsschwankungen zu unterdrücken, die sich aus einem Wettbewerb der
Longitudinalmoden ergaben.
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Um diesem Erfordernis Rechnung zu tragen, wurde ein Festkörperlaser
entwickelt, der einen Nd:YVO&sub4;-Kristall (einen mit Nd dotierten YVO&sub4;-Kristall)
enthielt, was die Realisierung des Schwingens in einem einzelnen
longitudinalen Moden erleichtert, wobei ein Kristall zur Realisierung einer
Phasenanpassung vom Typ I als nicht-linearer optischer Kristall in dem Resonator
angeordnet ist, und in dem Resonator sich ein Etalon befindet.
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Bei einem derartigen Wellenlängenumwandlungslaser jedoch ist die Nutzung
der Anisotropie des YVO&sub4;-Kristalls (die unterschiedliche Verstärkung für π-
Polarisation und σ-Polarisation) nicht ausreichend für eine
Polarisationssteuerung, und insbesondere dann, wenn hohe Pumpleistung vorhanden ist, kommt
es zu einer σ-Polarisations-Schwingung, die den Laser leicht in den
Mehrfach-Longitudinalmoden-Betrieb bringt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf die obigen Betrachtungen und Erläuterungen ist es Hauptziel der
Erfindung, einen Wellenlängenumwandlungslaser anzugeben, der in der Lage
ist einen einzelnen Longitudinalmoden dadurch zu schaffen, daß der
Schwingungsmodus stabilisiert wird.
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Erfindungsgemäß wird gemäß Anspruch 1 ein Wellenlängenumwandlungslaser
geschaffen, bei dem ein Festkörperlaserkristall mit Licht gepumpt wird und die
Wellenlänge eines von dem Festkörperlaserkristall emittierten
Festkörperlaserstrahls von einem nicht-linearen optischen Kristall, der sich in einem
Resonator befindet, umgewandelt wird, um eine Phasenanpassung vom Typ I zu
realisieren, wobei der Resonator außerdem ein Etalon enthält, dadurch
gekennzeichnet daß das Etalon und eine Brewsterplatte als Polarisationssteuerelement
in dem Resonator angeordnet sind, um eine Einzel-Longitudinalmoden-
Schwingung zu bewirken.
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Bei dem Wellenlängenumwandlungslaser gemäß der Erfindung wird von der in
dem Resonator angeordneten Brewsterplatte eine Polarisationssteuerung in
hervorragender Weise durchgeführt, und der Laser kann stabil in einem
Longitudinalmodus schwingen.
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Dies erhöht den zulässigen Fehler bei der Justierung der Temperatur des
Resonators und gestattet die Verwendung einer relativ einfachen und billigen
Temperaturregeleinrichtung. Außerdem führt der höhere zulässige Fehler bei
der Justierung der Temperatur des Resonators zu einer spürbaren
Verbesserung der altersbedingten Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen
Wellenlängenumwandlungslasern, außerdem wird dadurch ermöglicht, daß der Laser in
einem einzelnen Longitudinalmodus über lange Zeit hinweg schwingt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines
Wellenlängenumwandlungslasers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils des Lasers.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In Fig. 1 enthält ein mittels Laserdioden gepumpter Festkörperlaser gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung einen Halbleiterlaser 11, der als
Pumplichtstrahl einen Laserstrahl 10 emittiert, eine Sammellinse 12, die den als
divergentes Licht vorliegenden Laserstrahl 10 bündelt, einen Nd:YVO&sub4;-Kristall
13, das ist ein mit Nd dotierter YVO&sub4;-Kristall, und einen vor dem Nd:YVO&sub4;-
Kristall 13 (auf der von dem Halbleiterlaser 11 abgewandten Seite)
angeordneten Resonatorspiegel 14.
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Eine Brewsterplatte 17, ein MgO:LiNbO&sub3;-Kristall (mit MgO dotiertes LiNbO&sub3;),
bei dem es sich um einen nicht-linearen optischen Kristall mit periodischen
Domänenumkehrungen handelt, und ein Etalon 16 befinden sich zwischen dem
Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 und dem Resonatorspiegel 14 in dieser Reihenfolge,
beginnend auf der Seite des Nd:YVO&sub4;-Kristalls 13.
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Der Halbleiterlaser 11 ist ein Breitband-Typ mit einer etwa 50 um breiten
aktiven Schicht, wobei der emittierte Laserstrahl 10 eine Wellenlänge im 809-nm-
Band besitzt. Die Richtung der linearen Polarisation des Laserstrahls 10 wird
gemäß den Fig. 1 und 2 auf die Richtung β eingestellt. Der Halbleiterlaser 11
wird in einem Halter 20 eingesetzt und dort gehalten.
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Die Sammellinse 12 kann vom Brechungsindex-Typ (zum Beispiel eine
Selfoc-Linse, Handelsmarke) sein. Die Sammellinse 12 ist auf einer Seite
sphärisch und ist an dem Halter 20 so befestigt, daß die sphärische Seite dem
Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 zugewandt ist, so daß die Vergrößerung der Sammellinse
12 den Wert 0,8 bis 1,0 · erhält. Der Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 hat eine Dicke von 1
mm und ist derart positioniert, daß der Laserstrahl 10 zu einer Stelle konvergiert
wird, die von der Lichteintritts-Stirnfläche aus einen Abstand von 0,3 ± 0,1 mm
besitzt. Der Halbleiterlaser 11 und die Sammellinse 12 sind an dem Halter 20
gehaltert, und die aus diesen Elementen bestehende Anordnung wird im
folgenden als "die Pumpanordnung" bezeichnet.
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Das Etalon ist zum Beispiel aus einer 0,3 mm dicken Quarzplatte gebildet und ist
gegenüber der optischen Achse um 45' geneigt. Die Brewsterplatte 17 wird
durch eine 0,385 mm dicke Quarzplatte gebildet.
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Der Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 emittiert Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm,
wenn Neodym-Ionen in dem Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 von dem Laserstrahl 10
angeregt werden. Die Lichteintrittsfläche 13a des Nd:YVO&sub4;-Kristalls 13 ist mit einer
Beschichtung versehen, die für Licht der Wellenlänge 1064 nm stark
reflektierend ist (das Reflexionsvermögen ist nicht kleiner als 99,9%), für den
Pumplaserstrahl 10 mit einer Wellenlänge von 809 nm hingegen stark durchlässig
(eine Durchlässigkeit von nicht weniger als 90%). Die Lichtaustritts-Stirnfläche
des Nd:YVO&sub4;-Kristalls 13 ist mit einer Beschichtung ausgestattet, die für Licht
mit 1064 nm stark durchlässig ist.
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Die Spiegelfläche 14a des Resonatorspiegels 14 ist mit einer Beschichtung
versehen, die für Licht mit 1064 nm stark reflektierend ist (ein Reflexionsvermögen
von nicht weniger als 99,9%), und für Licht mit 532 nm stark durchlässig ist
(Transmissionsgrad nicht kleiner als 90%).
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Folglich wird Licht mit 1064 nm zwischen der Lichteintritts-Stirnfläche 13a des
Nd:YVO&sub4;-Kristalls 13 und der Spiegelfläche 14a des Resonatorspiegels 14
eingefangen und verursacht ein Laser-Schwingen, wodurch ein Laserstrahl 18 mit
einer Wellenlänge von 1064 nm erzeugt wird. Nach der Phasenanpassung des
Typs I durch den MgO:LiNbO&sub3;-Kristall 15 wird der Laserstrahl 18 in seine
zweite Harmonische 19 mit einer Wellenlänge von 532 nm umgewandelt. Die
zweite Harmonische 19 tritt hauptsächlich aus dem Resonatorspiegel 14 aus.
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Bei dieser Ausführungsform ist der Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 entlang der a-Achse
geschnitten und hat eine Dicke von 1 mm, der MgO:LiNbO&sub3;-Kristall 15 hat eine
Länge von 2 mm, der Krümmungsradius des Resonatorspiegels 14 beträgt 50
mm, und der Abstand zwischen der Lichteintritts-Stirnfläche 13a und dem
Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 einerseits und der Spiegeloberfläche 14a des
Resonatorspiegels 14, andererseits, welche den Resonator bilden, beträgt etwa 14 mm.
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Die Kristalle 13 und 15 sind so positioniert, daß ihre c-Achsen in Richtung β
gemäß Fig. 2 verlaufen. Die periodischen Domänenumkehrungen des
MgO:LiNbO&sub3;-Kristalls 15 sind mit Mittenabständen von etwa 7,0 um gebildet,
so daß die Phasenanpassung bei einer Temperatur erreicht wird, bei der die
Mittenwellenlänge des Laserstrahls 10 aus dem Halbleiterlaser 11 809 nm
beträgt.
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Die Brewsterplatte 17 ist als Polarisationssteuerelement derart positioniert, daß
der Festkörperlaserstrahl 18 unter einem Winkel von 55,5º auf die Platte 17
auftrifft. Lediglich derjenige Teil des Lichts mit 1064 nm, der in Richtung β linear
polarisiert ist durchsetzt die Brewsterplatte 17, und dementsprechend wird
auch das schwingende Licht mit 532 nm in Richtung β polarisiert.
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Weiterhin ist die in Richtung des Resonatorspiegels 14 weisende Stirnfläche
17a der Brewsterplatte 17 mit einer Beschichtung versehen, die für Licht mit
532 nm stark reflektierend ist (ein Reflexionsvermögen von nicht weniger als
95%), hingegen für Licht mit 1064 nm stark durchlässig ist
(Transmissionsvermögen von nicht weniger als 99,8%), so daß das von dem MgO:
LiNbO&sub3;-Kristall 15 erzeugte Licht mit 532 nm in Richtung des Nd:YVO&sub4;-Kristalls 13 läuft
und von der Brewsterplatte 17 außerhalb des Resonators reflektiert wird, so
daß nur die zweite Harmonische 19 mit 532 nm aus dem Resonatorspiegel 14
austritt und die Fluktuation der Ausgangsleistung durch Interferenz zwischen
der zweiten Harmonischen 19 mit 532 nm und dem von dem MgO:LiNbO&sub3;-
Kristall 15 erzeugten Licht mit 532 nm unterdrückt wird.
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Das Etalon 16 bewirkt, daß der Schwingungsmodus des Festkörperlasers ein
einzelner Longitudinalmodus ist, wobei die Lichteinfall-Stirnfläche des Etalons
16 mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen ist, die ein
Reflexionsvermögen von 24% für Licht mit 1064 nm besitzt, das Reflexionsvermögen für Licht
mit 532 nm aber nicht größer als 0,5% ist. Der Nd:YVO&sub4;-Kristall 13, der
MgO:LiNbO&sub3;-Kristall 15, das Etalon 16, die Brewsterplatte 17 und der
Resonatorspiegel 14 sind an einem Block 21 gehaltert, und die Anordnung dieser
Elemente wird hier als die "Resonatoranordnung" bezeichnet.
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Die Resonatoranordnung und die vorerwähnte Pumpanordnung sind durch
Bonden an einer Basisplatte 30 angebracht, die mit Hilfe eines Peltier-Elements
31 an einer Gehäusebasis 32 fixiert ist.
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Ein in der Resonatoranordnung gelagerter Thermistor 33 erfaßt die in dem
Resonator herrschende Temperatur, und eine (nicht gezeigte)
Temperaturregelschaltung regelt den Strom zu dem Peltier-Element 31 auf der Grundlage der
von dem Thermistor 33 erfaßten Temperatur, um die Temperatur in dem
Resonator auf einem vorbestimmten Wert zu halten.
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Da es bevorzugt ist, wenn die Elemente auf der Basisplatte 30 gleiche
Temperatur haben, wird bevorzugt, wenn der Halter 20, der Block 21 und die
Basisplatte 30 aus einem Material, beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung,
gebildet sind, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Weiterhin erfolgt das
Bonden der Elemente vorzugsweise unter Verwendung eines Lots oder eines
Klebstoffs hoher Wärmeleitfähigkeit. Man kann aber auch einen normalen
Klebstoff, zum Beispiel einen Epoxyklebstoff, verwenden, solange die
Klebstoffschicht eine geringe Dicke hat (zum Beispiel nicht weniger als 10 um ist)
und der Wärmeübergangswiderstand gering ist.
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Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der
Festkörperlaserstrahl 18 von der Brewsterplatte einer Polarisationssteuerung
unterzogen und von dem Etalon 16 dazu gebracht, in einem einzelnen
Longitudinalmodus zu schwingen, wodurch die zweite Harmonische 19 ebenfalls in
einem einzigen Longitudinalmodus schwingen kann. Das heißt: durch die
Anordnung der Kristalle 13 und 15 sowie der Brewsterplatte 17 gemäß Fig. 2
schwingt der Festkörperlaserstrahl 18 konstant in der π-Polarisation
(Orientierung der Polarisation in Richtung β), und dementsprechend bleibt er in einem
einzigen Longitudinalmodus.
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Dementsprechend wird der Temperaturbereich, in welchem ein einzelner
Longitudinalmodus gehalten werden kann, aufgeweitet, und die Alterungsstabilität
wird im Vergleich zu herkömmlichen Wellenlängenumwandlungslasern deutlich
verbessert. Selbst wenn die Pumpleistung gesteigert wird, kann der Laser stabil
in einem Einzel-Longitudinalmodus schwingen.
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Wenn die Spezifikation der Beschichtung der Brewsterplatte 17 für Licht mit 532
nm (die Beschichtung kann bei Bedarf weggelassen werden) geändert wird,
kann die Reihenfolge des MgO:LiNbO&sub3;-Kristalls 15, des Etalons 16 und der
Brewsterplatte 17 anders sein, als dies oben beschrieben wurde.
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Der nicht-lineare optische Kristall, der eine Phasenanpassung vom Typ I
bewirkt, ist nicht auf den MgO:LiNbO&sub3;-Kristall 15 mit periodischen
Domänenumkehrungen beschränkt, sondern es kann auch ein MgO:LiNbO&sub3;-Kristall ohne
periodische Domänenumkehrungen oder ein anderer Kristall sein,
beispielsweise LiTaO&sub3;, β-BBO, LBO, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5; oder dergleichen.
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Wird ein Kristall mit periodischen Domänenumkehrungen als nicht-linearer
optischer Kristall verwendet, der eine Phasenanpassung vom Typ I bewirkt, so
kann auch ein LiNbO&sub3;-Kristall, ein LiTaO&sub3;-Kristall oder ein KTP-Kristall mit
periodischer Domänenumkehr verwendet werden.