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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf optische parametrische
Oszillatoren und etwas genauer auf einen verbesserten optischen
parametrischen Oszillator mit einer hervorragenden Strahlqualität.
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Der
Stand der Technik zu optischen parametrischen Oszillatoren beinhaltet
einen Flach-Flach-Resonator (unter Verwendung von zwei flachen Spiegeln,
die auf gegenüberliegenden
Seiten eines KTP-Kristalls angeordnet sind, der als ein nichtlineares
Medium fungiert) sowie einen instabilen Resonator mit einem diagonalen
Kopplungsspiegel im Inneren des Resonators. Derartige optische parametrische
Oszillatoren sind in einer Veröffentlichung
von Mark Bowers et al., Veröffentlichung
CThY3, Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO, Tagung zu
Lasern und Elektro-Optik), Baltimore, Maryland, Seite 455 (1997)
offenbart.
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Der
Flach-Flach-Resonator besitzt aufgrund seines begrenzten Modenunterscheidungsvermögens eine
relativ schlechte Ausgangsstrahl-(Signal-)Qualität. Der in der Veröffentlichung
von Bowers et al. vorgeschlagene Ansatz mit der Kopplung über einen diagonalen
Spiegel ist relativ aufwendig und ist bislang nicht gezeigt worden.
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US-Patent
Nr. 5,390,211 von Clark et al. offenbart einen optischen parametrischen
Leistungsoszillator (OPO), der einen Hohlraum mit einem parametrischen
Verstärkungsmedium
besitzt, das innerhalb eines instabilen Resonators angeordnet ist.
Der instabile Resonator besitzt einen starken Reflektor mit einer
planen Außenseite
und einer konkaven Innenseite an einem Ende sowie einen meniskusartigen
Ausgangskoppler an dem anderen Ende. Der instabile Resonator beinhaltet
ferner eingangsseitige und ausgangsseitige dichroitische Strahlteiler,
um den Pumpstrahl durch das parametrische Verstärkungsmedium zu lenken. Der
Pumpstrahl wird also mit Hilfe des dichroitischen eingangsseitigen
Strahlteilers dem Leistungs-OPO zugeführt, durch das parametrische
Verstärkungsmedium
hindurchgeführt
und von dem ausgangsseitigen dichroitischen Strahlteiler aus dem
Resonanzhohlraum heraus reflektiert.
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Das
US-Patent mit der Nummer 4,717,842 von Komine offenbart modenangepasste,
Laser/Raman-gekoppelte instabile Resonatoren, die von ersten und
zweiten halbmondförmigen
Spiegeln gebildet werden.
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Es
ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
verbesserten optischen parametrischen Oszillator mit einer hervorragenden
Strahlqualität
anzugeben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
diese und andere Aufgaben zu lösen,
schlägt
die vorliegende Erfindung einen optischen parametrischen Oszillator
mit den Merkmalen vor, die in Anspruch 1 definiert sind.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die zwei halbmondförmigen Spiegel
auf gegenüberliegenden
Seiten eines KTP-Kristalls angeordnet, der als ein nichtlineares
Medium verwendet wird, so dass sie einen konfokalen instabilen Resonator
zur Verwendung als optischer parametrischer Oszillator ausbilden.
Solch ein optischer parametrischer Oszillator besitzt eine bessere
Strahlqualität
als das herkömmliche
Flach-Flach-Prinzip. Außerdem
kann ein Pumpstrahl direkt durch einen der Spiegel gekoppelt werden,
wodurch das Kopplungsprinzip vereinfacht wird.
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Es
wurde gezeigt, dass die vorliegende Erfindung eine wesentlich bessere
Strahlqualität
besitzt als das Flach-Flach-Prinzip
und zudem den Aufwand mit dem in der Bowers et al.-Veröffentlichung
offenbarten diagonalen Kopplungsspiegel vermeidet. Dies ermöglicht die
einfache Integration des vorliegenden optischen parametrischen Oszillators
in einen optischen Strang zum Zweck der Wellenlängenkonversion.
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Der
vorliegende optische parametrische Oszillator macht die Verwendung
eines Drehspiegels zum Zuführen
des Pumpstrahls überflüssig. Der
vorliegende optische parametrische Oszillator besitzt eine verbesserte
Strahlqualität
im Vergleich zu herkömmlichen
Realisierungen mit dem Flach-Flach-Resonatorprinzip. Außerdem besitzt
der vorliegende optische parametrische Oszil lator eine vereinfachte
optische Justierung. Schließlich
ist der vorliegende optische parametrische Oszillator kostengünstiger
im Vergleich mit anderen Realisierungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen
sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen noch besser verstehen, in denen gleiche Bezugszeichen
jeweils dieselben Strukturelemente bezeichnen, und in denen:
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1a einen herkömmlichen
optischen parametrischen Oszillator zeigt,
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1b eine Graphik ist, die
das Leistungsvermögen
des optischen parametrischen Oszillators aus 1a zeigt,
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2a einen optischen parametrischen
Oszillator gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung zeigt,
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2b eine Graphik ist, die
das Leistungsvermögen
des optischen parametrischen Oszillators der vorliegenden Erfindung
zeigt, und
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3 eine schematische Darstellung
eines experimentellen Aufbaus zur Evaluierung der vorliegenden Erfindung
ist.
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Pumpstrahlen
stammen von einem gütegeschalteten
Nd:YAG-Laser und
dem optischen parametrischen Oszillator aus 1b.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Mit
Bezug auf die Figuren in der Zeichnung zeigt 1a einen herkömmlichen optischen parametrischen
Oszillator 10. Der herkömmliche
optische parametrische Oszillator 10 weist einen Flach-Flach-Resonator 10a auf.
Der Flach-Flach-Resonator 10a verwendet zwei flache Spiegel 11a, 11b,
die auf gegenüberliegenden
Seiten eines Kaliumtitanylphosphat (KTP)-Kristalls 12 angeordnet
sind, der als ein nichtlineares Medium 12 verwendet ist. 1b ist eine Graphik, die
das Leistungsvermögen
des optischen parametrischen Oszillators aus 1a veranschaulicht. Diese Graphik wurde
unter Verwendung des in 3 gezeigten
Experimentalaufbaus erstellt.
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2a zeigt einen optischen
parametrischen Oszillator 20 gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung. Der optische parametrische Oszillator 20 verwendet
zwei halbmondförmige
Spiegel 21a, 21b, die auf gegenüberliegenden
Seiten eines KTP-Kristalls 12 angeordnet
sind, der als ein nichtlineares Medium 12 verwendet ist.
Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung abhängig von
der jeweiligen Anwendung auch andere nichtlineare Medien 12 nutzen
kann, einschließlich
beispielsweise Kaliumtitanylarsenat (KTA), β-Bariumborat (BBO) und Lithiumborat
(LBO). Die halbmondförmigen
Spiegel 21a, 21b sind konkav-konvexe Spiegel 21a, 21b,
die in einer konfokalen Anordnung zueinander angeordnet sind. Diese
Anordnung bildet einen konfokalen instabilen Resonator 20a zur
Verwendung als optischer parametrischer Oszillator 20.
Dieser optische parametri sche Oszillator 20 besitzt eine
höhere
Strahlqualität
als die herkömmlichen Flach-Flach-Resonatoren 10a aus 1a. Außerdem kann ein Pumpstrahl
direkt durch einen der halbmondförmigen
Spiegel 21a, 21b gekoppelt werden, wodurch sich
die Kopplungsanordnung vereinfacht. 2b ist eine
Graphik, die das Leistungsvermögen
des optischen parametrischen Oszillators 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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Die
halbmondförmigen
Spiegel 21a, 21b wurden hier in dem in der Praxis
realisierten Ausführungsbeispiel
des konfokalen instabilen optischen parametrischen Oszillators 20 verwendet.
Einer war ein konvex-konkaver Spiegel 21a auf der Eingangsseite
des KTP-Kristalls 12 mit einem Krümmungsradius von 60 cm und
der andere war ein konvex-konkaver Spiegel 21b auf der
Ausgangsseite des KPT-Kristalls 12 mit einem Krümmungsradius
von 50 cm. Die Länge
des Resonators 20a betrug 5 cm, um ihn konfokal zu machen.
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3 ist eine schematische
Darstellung eines experimentellen Aufbaus zum Evaluieren der vorliegenden
Erfindung. Der experimentelle Aufbau verwendet einen gütegeschalteten
Nd:YAG-Laser 30 als
Pumpquelle 30. Der gütegeschaltete
Nd:YAG-Laser 30 besitzt zwei BK7-Eckreflektoren 31, 36,
die an gegenüberliegenden
Enden eines Resonanzhohlraums angeordnet sind, und zwar mit einem
Nd:YAG-Stab 32, Strahlteiler 33, einem optischen
Element 34 aus Lithiumniobat und einem Dünnfilmpolarisator 35,
der in dem Hohlraum zwischen den Eckreflektoren 31, 36 angeordnet
ist. Mit dem Laser 30 wird ein Pumpstrahl erzeugt und dieser
wird mit Hilfe eines Ausgangsspiegels 37 aus dem Laser 30 gekoppelt,
welcher den Laserstrahl zu einem Kollimator 40 lenkt. Der
Kol limator 40 kann beispielsweise eine konvexe Linse 41 und
eine konkave Linse 42 beinhalten.
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Der
aus dem gütegeschalteten
Nd:YAG-Laser 30 gewonnene Pumpstrahl wird mit Hilfe des
Kollimators 30 zu dem optischen parametrischen Oszillator 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung gekoppelt. Der herkömmliche
optische parametrische Oszillator 10 wurde ebenfalls unter
Verwendung dieses Aufbaus getestet und durch den vorliegenden optischen
parametrischen Oszillator 20 ersetzt. Der Ausgang des optischen
parametrischen Oszillators 20 wurde mit Hilfe von zwei
Reflexionsspiegeln 43, 44 und einem konkaven Spiegel 45 durch
eine Schlüssellochöffnung 46 zu
einem Detektor 47 geführt.
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Etwas
detaillierter war die Pumpquelle 30 in dem in 3 gezeigten experimentellen
Aufbau ein Blitzlampen-gepumpter gütegeschalteter Nd:YAG-Laser 30.
Der Ausgang des optischen parametrischen Oszillators 20 mit
einer Wellenlänge
von 1,57 Mikrometern wurde auf den konkaven Spiegel 45 gerichtet.
An dessen Brennpunkt wurden die Strahldivergenzwinkel bei 80% und
90% Energierückgang
(energy „buckets") gemessen. Die Eingangs-Ausgangs-Energiebilanz
des herkömmlichen
und des vorliegenden optischen parametrischen Oszillators 10 bzw. 20 sind
in 1b für den Flach-Flach-Resonator 10a und
in 2b für den vorliegenden
konfokalen instabilen Resonator 20a gezeigt. Um die Bilanz
zu verbessern, wurde der Pumpstrahlausgang aus dem Nd:YAG-Laser 30 um
den Faktor 1,2 reduziert und die Ergebnisse wurden in der oberen
Kurve in 3 dargestellt.
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Die
vorliegenden Erfinder haben experimentell nachgewiesen, dass der
vorliegende optische parametrische Osczillator 20, der
einen instabilen Resonator 20a verwendet, die Winkelabweichung
des Ausgangsstrahls um einen Faktor von 2 reduziert, verglichen
mit dem herkömmlichen
optischen parametrischen Oszillator 10, der den Flach-Flach-Resonator 10a verwendet.
Bei Verwendung des 320 mJ-Nd:YAG-Laser 30 als Pumpquelle 30 erzeugte
der instabile optische parametrische Oszillator 20 mehr
als 70 mJ am Ausgang bei einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometern bei
einem Strahlwinkel von 2,8 Milliradiant für den 90%-Punkt der Energie
im Fernfeld.
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Tabelle
1 fasst die Testergebnisse zusammen. Der instabile Resonator 20a nach
der vorliegenden Erfindung verbessert die Divergenzwinkel des Strahls
verglichen mit dem herkömmlichen
Ansatz um mehr als den Faktor 2.
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Es
wurde somit ein verbesserter optischer parametrischer Oszillator
mit einer hervorragenden Strahlqualität offenbart. Es versteht sich
jedoch, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele nur stellvertretend für einige
der vielen speziellen Ausführungsbeispiele
sind, die Anwendungen der Grundzüge
der vorliegenden Erfindung darstellen. Offensichtlich können zahlreiche
andere Anordnungen von den einschlägigen Fachleuten auf diesem
Gebiet ohne Weiteres abgeleitet werden, ohne aus dem Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, herauszugehen.
