DE9218885U1 - Abstimmbarer Festkörperlaser - Google Patents
Abstimmbarer FestkörperlaserInfo
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Description
• ·
26.10.1992, 3287A
Kremnitz
11361
Die Erfindung bezieht sich auf einen abstimmbaren Festkörperlaser gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US-PS 3 573 653 1st ein optisch gepumpter Halbleiterlaser bekannt,
der durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes aufgrund des .-&ngr; Franz-Keldysh-Effektes durchgestimmt werden kann. Dies 1st jedoch nur
bei Halbleitern möglich, da der Franz-Keldysh-Effekt auf der Durchtunnelung
einer Energieband-Barriere beruht. Halbleiterlaser emittieren aber
naturgemäß aufgrund ihrer Energieband-Struktur relativ breitbandig und
mehrmodig; single-mode-Laserdioden können nur durch Herstellung von Wellenleiterstrukturen
im Halbleitermaterial und der dadurch induzierten spektralen Einengung realisiert werden. Wellenleiterstrukturen aber
emittieren mit einer schlechten räumlichen Strahl quäl 1tat und einer
hohen Divergenz aufgrund der durch die Wellenleiterstruktur verursachten
Beugung der Ausgangsstrahlung.
Durch die Anmelderin 1st aus P 41 39 859.9-33 ein abstimmbarer, diodengepumpter
Festkörperlaser mit zwei Wellenlängen bekannt, bei denen eine
:"*) Abstimmung der Differenzfrequenz dadurch erzielt wird, daß 1m Resonator
des Festkörperlasers ein elektrooptisches Material so eingefügt wird,
daß bei Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes durch Phasenmodulation
polarisationsabhängig eine relative Verschiebung der Laserfrequenzen erzeugt wird.
Weiterhin sind von der Anmelderin in P 41 25 720.0-33 Laser beschrieben,
die durch Ausnutzung longitudinal er elektrischer Felder, welche parallel zur Laserstrahl richtung an dotierte Laserkristalle angelegt werden, eine
schnelle Abstimmung ermöglichen. Als solche Kristalle erweisen sich elektrostriktive Materialien oder Ferroelektrika wie Nd-dotiertes
LiNbO3 als vorteilhaft.
26.10.1992, 3287&Agr;
Kremnitz
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Der Vorteil der Verwendung von mit Ionen der Gruppe der Lanthanide dotierten
ferroelektrisehen Kristalle 1n der erfindungsgemäßen Anordnung
liegt insbesondere gegenüber Halbleitermaterialien 1n sehr scharfen
Energieniveaus und somit einfacher single-frequency-Erzeugung.
Bisher sind solche Kristalle in der erfindungsgemäßen Anordnung nicht
bekannt geworden, Insbesondere deshalb, da mit herkömmlichen lampengepumpten
Festkörperlasern nur mit sehr großem Aufwand single-frequency-
~&lgr; Betrieb möglich war. Die hier vorgeschlagene einfache Lösung der Verwen-
""* dung von Mikrokristall-Resonatoren 1st erst mit der Verwendung von
Laserdloden als Pumplichtquelle möglich geworden.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Mikrokristall-Resonatoren liegt
in der hierbei geringen Linienbreite der Laserstrahlung wie auch in
einem großen Durchstimmbereich aufgrund des großen Modenabstandes sowie einer besonders effizienten Abstimmung auch deshalb, well der gesamte
oder ein Großteil des Resonators bei Mikrokristall-Resonatoren vom
ferroelektrisehen Medium ausgefüllt wird und so die Brechungsindexänderung
eine sehr weite Abstimmung hervorruft, wobei zusätzlich die Modulationsbandbreite
aufgrund der gering gehaltenen Kapazitäten äußerst groß 1st.
ND-dotiertes LiNbO3 1st bisher aufgrund photorefraktiver Effekte als
M1krokristall-Lasermaterial nicht welter bekannt geworden. Neuerdings
können die Nachtelle jedoch zum Beispiel durch eine Mg-Kodotierung vermieden
werden (Untersuchungen Insbesondere an Wellenleiterstrukturen
siehe Lall 1er et. al., Optics Letters Vol. 15, No. 12, June 15, 1990
sowie an makroskopischen multi-line-Lasern siehe Cordova-Plaza et. al.,
Optics Letters March 1988, Vol. 13, No. 3).
Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen aufzuzeigen, mit
denen spektral schmal bändige und unter einer geringen Divergenz austretende
Laserstrahlung 1m single-longitudinal-Mode erzeugt werden kann,
welche unter Ausnutzung elektrooptischer Eigenschaften des Lasermaterials
mit hoher Effizienz eine schnelle und breitbandige Frequenzabstim-
&iacgr; &iacgr; : ·
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mung ermöglicht, wobei besonderer Wert auch auf eine einfache mechanische
Anordnung gelegt wird.
Diese Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise durch die 1m Anspruch
1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden
Beschreibung 1st ein Ausführungsbeispiel erläutert sowie in der einzigen
Figur der Zeichnung dargestellt, die ein Ausführungsbeispiel in -^ schematischer Darstellung zeigt.
Grundlage dieser Anordnungen stellen ferroelektrische, laseraktive Kristalle
mit Abmessungen von beispielsweise 2 &khgr; 2 &khgr; 0,5 mm dar, welche im
Gegensatz zu Wellenleiterstrukturen eine wesentlich bessere Strahl quäl 1-tät,
Insbesondere eine geringere Divergenz aufweisen. Zur Erfüllung der
gestellten Aufgabe sind die Kristalle nun so geschnitten, daß die
Strahlausbreitung in Richtung der x- oder y-Achse erfolgt, die z-Achse
sowie die y- oder die x-Achse jeweils senkrecht zur Strahlausbreitung
stehen (sogenannter &khgr;- oder y-cut). Ein so geschnittener Laserkristall
emittiert z.B. 1m Falle Nd:LiNbO3 vorzugsweise in Richtung parallel
zur z-Achse polarisierte Strahlung, da hier die ir-Polarisation die
höhere Verstärkung aufweist.
Legt man nun transversal an den Kristall 1 - wie er in der Figur der
Zeichnung skizziert 1st - ein elektrisches Feld mittels der Elektroden
2, 3, welche beispielsweise direkt auf den Kristallflächen aufgedampft
~~ sind, parallel zur z-Achse an, so variiert die optische Kristall-Länge &eegr;
* 1 mit
1/2*1 * rig * r33 * E2
Hierbei 1st mit ng der Brechungsindex des außerordentlichen Strahles,
mit r,- der elektrooptische Koeffizient, mit E_ der Betrag des FeI-des
in z-Richtung und mit 1 die mechanische Länge des Kristalls bezeichnet.
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Wie bekannt, resultiert eine Änderung der optischen Kristal!-Länge des
Laserkristalls auch in einer Änderung der optischen Resonatorlänge und
somit 1n einer Wellenlängenänderung des Lasers.
Im Unterschied zu P 41 25 720.0-33 1st bei erfindungsgemäßer Verwendung
eines transversalen Feldes zur elektrooptischen Durchstimmung ein spezieller Kristallschnitt möglich, bei dem die z-Achse des Kristall es
senkrecht zur Strahl richtung orientiert ist und das elektrische Feld parallel zur z-Achse angeordnet 1st. Dieser Kristall schnitt hat den Vorteil,
daß der Laser polarisiertes Licht entsprechend der Doppelbrechung des Mediums emittiert, Insofern der verwendete Wirtskristall doppe!brechend
1st. Dies trifft 1m allgemeinen auf die meisten mit seltenen Erden
dotierbaren ferroelektrisehen Wirtskristalle (wie z.B. Nd in LiNbOgj
es können jedoch auch andere Wirtsmaterialien oder Dotieratome verwendet
werden) zu, welche fast alle entweder trigonal (wie z.B. auch LiTaO3)
oder tetragonal (wie z.B. KDP und Äquivalente) aufgebaut sind.
Da der elektrooptische Effekt trägheitslos verläuft und die Kapazitäten
der Kristalle sehr klein gehalten werden können, kann eine solche Abstimmung
sehr schnell mit sehr hohen Bandbreiten erfolgen. Um nun "single-frequency" zu erhalten, wird der Laserkristall monolithisch also
beide Resonatorspiegel 4, 5 direkt auf den Kristallflächen aufgebracht
- so ausgeführt, daß eine hinreichend kurze Resonatorlänge - beispielsweise
0,5mm, aufgrund des spatial-hole-burning die Emission nur einer Resonatorlinie zuläßt, oder aber zumindest halbmonolithisch ausgeführt,
so daß mindestens einer der beiden Spiegel auf dem Kristall aufgebracht
1st (siehe hierzu z.B. Demtröder, "Laser Spectroscopy", Springer 1982, S. 285/286 sowie Insbesondere Siegman "Lasers", Science
Books, California 1986, S. 57 und S. 466). Diese Ausführungsform läßt
sich sehr gut longitudinal mit einer oder mehreren Laserdloden 6 optisch
pumpen.
Bei Ausnutzung des elektrooptischen Effekts in dotierten Ferroelektrika
aus dielektrischem Material mit scharfen Energieniveaus (wie z.B. Nd in
LiNbO3) 1st es somit möglich, aufgrund der schmalen Verstärkungsband-
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breite des Dotierions (wiederum bedingt durch die Schmalbandigkeit der
Laserniveaus) sehr geringe Linienbreiten zu erzielen (typisch kleiner 10 kHz).
Um zusätzliche thermisch induzierte Wellenlängenänderungen entweder zu
vermeiden oder aber als zusätzliche Möglichkeit einer langsamen Abstimmung über einen großen Wellenlängenbereich auszunutzen, kann der Laserkristall
auf einem Kühler oder Heizelement 7 montiert werden.
Eine effiziente Ausnutzung des elektrooptischen Effektes ist in der erfindungsgemäßen
Anordnung dadurch gegeben, daß das elektrische Feld transversal an den Kristall (das Ferroelektrikum) angelegt wird und somit
der elektrooptische Koeffizient r33 ausgenutzt wird, welcher z.B.
bei LiNbO^ etwa um den Faktor drei größer ist als der Koeffizient
r13 (vgl. E Yariv "Optical Waves in Crystals, John Wiley & Sons, Inc.
USA, 1983, S. 282 sowie S. 232). Weiterhin ist hierdurch auch ein besonders
günstiger und einfach zu realisierender Aufbau gegeben, da 1m Gegensatz
zu einer Anordnung gemäß US-PS 3 573 653 oder P 41 25 720.0-33 die Elektroden nicht optisch transparent sein müssen und nicht zusammen
mit einer optischen Beschichtung (Coating) aufgebracht werden, die
Strahlausbreitung ist hierbei senkrecht zum Verlauf des elektrischen
Feldes. Die Elektroden können direkt auf den Kristall aufgedampft oder
anderweitig aufgebracht werden. Ebenso vereinfacht sich auch die Kontaktierung
der Elektroden mit den Anschlußdrähten. Allerdings 1st der
Effekt auf ferroelektrische Wirtsmaterialien beschränkt und benötigt so
eine engere Auswahl der Laserkristal!materialien als in oben genannten
Patentschriften.
In einer speziellen Anordnung kann die oben beschriebene erfindungsgemäße
Anordnung auch zusätzlich zu einem longitudinal angelegten Feld gemäß P 41 25 720.0-33 angewendet werden; hierbei kann eines der beiden
Felder, vorzugsweise das transversale Feld unter Ausnutzung des ferroelektrisehen
Effektes, zur Durchstimmung des Lasers verwendet werden, wohingegen das andere elektrische Feld, vorzugsweise das longitudinal
Feld, unter Ausnutzung ferroelektrischer oder aber elektrostriktiver
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Effekte zu einer zusätzlichen Modulation der Laserfrequenz mit einem
periodischen, frequenzkonstanten Feld führt, so daß zusätzlich zur
Durchstimmung des Lasers aufgrund der Erzeugung von Summen- und Differenzfrequenz
von Laserfrequenz und Modulationsfrequenz noch Seltenbänder
mit der vorzugsweise longitudinal en Feldfrequenz erzeugt werden. Solche
Laser, die unter Erzeugung von Seltenbändern in Ihrer Frequenz durchgestimmt
werden, sind für superheterodyne Meß- und Datenübertragungsverfahren
von Bedeutung.
"* Ebenso kann aber auch das transversale Feld zur Erzeugung der Seltenbänder
verwendet werden und eine Durchstimmung des Lasers durch eine Änderung
der Kristal!temperatur (thermische Durchstimmung) erfolgen.
Claims (10)
1. Abstimmbarer Festkörperlaser, vorzugsweise für Anwendungen in der
schnellen optischen Kommunikation, mit einem elektrooptischen, laseraktiven
Kristall wie beispielsweise Nd:LiNbOj geeigneter Orientierung
und entsprechendem Schliff, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Kristall (1) so geschnitten 1st, daß die Strahlausbreitung 1n Richtung der
x-Achse oder der y-Achse erfolgt und die z-Achse sowie die y- oder x-Achse jeweils senkrecht zur Strahlausbreitung stehen, und der Kristall
(1) senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, so daß parallel zur z-Achse ein elektrisches Feld angelegt werden kann, mit Elektroden (2,
3) versehen 1st, mit deren elektrischem Feld die Emissionswellenlänge
des Festkörperlasers variiert werden kann.
2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elektroden (2, 3) auf den zu den Kristall achsen orientiert geschnittenen
Kristallflächen direkt aufgedampft oder aufgebracht sind.
3. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserkristall (1) monolithisch mit den Laserresonatorspiegeln
(4, 5) bedampft 1st.
4. Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserkristall (1) halbmonolithisch mit einem Laserresonatorspiegel
(4 oder 5) beschichtet 1st.
5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserresonator in seiner Länge so kurz ausgebildet 1st, daß auf nur einer longitudinal en Mode emittiert wird.
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6. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserkristall (1) longitudinal mit einer oder mehreren Laserdloden (6) optisch gepumpt wird.
7. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserkristall (1) mit einem Kühl- oder Heizaggregat
(7) kontaktiert ist.
--, 8. Festkörperlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
~* dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum transversalen Feld ein longitudinales
Feld an den Kristall angelegt wird, so daß eine zusätzliche
Modulation der Laserstrahlung durch Änderung der optischen Kristall-Länge
aufgrund ferroelektrischer oder elektrostr1kt1ver Effekte auftritt.
9. Festkörperlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das longitudinal Feld mit einer festen Frequenz im Bereich von einigen
10 bis 100 MHz moduliert wird.
10. Festkörperlaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das transversale Feld mit einer festen
Frequenz im Bereich von einigen 10 bis 100 MHz moduliert wird.
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