EP1183568A1 - Vorrichtung zur frequenzkonvertierung eines lasers - Google Patents

Vorrichtung zur frequenzkonvertierung eines lasers

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EP1183568A1
EP1183568A1 EP01937980A EP01937980A EP1183568A1 EP 1183568 A1 EP1183568 A1 EP 1183568A1 EP 01937980 A EP01937980 A EP 01937980A EP 01937980 A EP01937980 A EP 01937980A EP 1183568 A1 EP1183568 A1 EP 1183568A1
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EP
European Patent Office
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laser beam
laser
correction lens
lens
collimator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01937980A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gennadij Kusnezow
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LPKF Laser and Electronics AG
Original Assignee
LPKF Laser and Electronics AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1183568A1 publication Critical patent/EP1183568A1/de
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G—PHYSICS
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    • G02F1/3501—Constructional details or arrangements of non-linear optical devices, e.g. shape of non-linear crystals
    • G02F1/3503—Structural association of optical elements, e.g. lenses, with the non-linear optical device
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    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation
    • G02F1/372—Means for homogenizing the output beam

Definitions

  • the invention relates to a device for frequency conversion of a laser by means of one or more nonlinear crystals arranged in the laser beam, into which the required power density is introduced by an arrangement in the area of the constriction of an associated focusing optics, with a collimator that minimizes the divergence of the laser beam and with one optical corrector that forms the cross section of the laser beam.
  • each crystal is assigned its own focusing optics. Both crystals are arranged in order to bring in the required power density in the area of the constriction of their focusing optics.
  • a collimator formed by a lens system is arranged behind the two crystals in the beam path of the laser. The collimator minimizes the divergence of the laser beam.
  • the collimator is followed by an optical corrector which gives the laser beam a desired, preferably circular, cross section.
  • the invention has for its object to provide a laser that is characterized by a small size and by a simplified, inexpensive structure. According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1.
  • the further embodiment of the invention can be found in the subclaims.
  • a single focusing lens behind which a correction lens arranged at an angle to the optical axis is positioned at a distance which corresponds approximately to the sum of the two focal lengths, such that the focusing lens and the correction lens form the collimator and the correction lens also acts as a corrector , a small overall length and a considerable simplification of the technical structure are achieved.
  • An additional collimator is also omitted.
  • two crystals are arranged one behind the other in the laser beam. Their geometric center lies in or near the narrow point of the focusing lens, so that the required power density can also be achieved here.
  • the correction lens is designed as a spherical lens.
  • the correction lens is preferably held in an inner ring which can be rotated about an axis relative to the optical axis.
  • the inner ring is preferably fastened with its axis in an outer ring which can be rotated azimuthally.
  • Figure 1 a device according to the invention in a schematic representation
  • Figure 2 a correction lens in its adjustment bracket
  • 1 denotes a laser, which has an oscillator 2 with a fundamental wavelength.
  • a focusing optic 4 which is preferably a simple convex lens, is arranged in a laser beam 3 of the laser 1. Behind the focusing optics 4, two nonlinear crystals 5 and 6 are arranged one behind the other in the area of the constriction 14 of the laser beam 3. The crystals 5 and 6 are cut differently with respect to their crystallographic axes and have different optical properties.
  • a correction lens 7 is arranged behind the crystals 5 and 6.
  • the correction lens 7 is held in an inner ring 8 which is about an axis 9 to the optical axis, i. H. is rotatable to the laser beam 3.
  • the inner ring 8 is fastened with its axis 9 in an outer ring 10.
  • the outer ring 10 can be rotated azimuthally.
  • Oscillator 2 is, for example, a YAG laser that has a wavelength of 1,064 nm.
  • the focusing optics 4 arranged in the laser beam 3 behind the oscillator 2 focuses the laser beam 3 in such a way that the geometric center of the two crystals 5 and 6, for example in the form of LBO crystals, is located in or near the constriction 14 of the laser beam 3.
  • the required power density is thus introduced into the crystals 5 and 6, the wavelength of the YAG laser being reduced to 532 nm in the first crystal 5.
  • the fundamental wavelength of the oscillator arriving there and the wavelength of 532 nm (second harmonic) formed by the first crystal 5 are converted in such a way that the laser beam 3 emerges with a triple reduced wavelength of 355 nm (third harmonic).
  • the laser beam 3 has the disadvantage that its cross section 15, as a result of the different optical properties of the two crystals 5 and 6 in x and y transverse directions to the optical axis, has a non-circular, elliptical cross section.
  • the correction lens 7 arranged behind the crystals 5 and 6 has the task here of correcting the elliptical cross section 15 of the laser beam 3 and z. B. to give a round cross-section.
  • the correction lens 7 can be adjusted in angle to the laser beam 3, thereby making it possible to adjust the shape of the cross section 15.
  • the correction lens 7 acts in conjunction with the focusing optics 4 as a collimator, ie the divergence of the laser beam 3 is minimized.
  • the distance between the focusing optics 4 and the correction lens 7 is approximately equal to the sum of the two focal lengths.
  • the correction lens 7 is designed as a spherical lens. This results in the advantageous effect that each angle adjustment to the laser beam 3 has an effective effect in terms of a change in the cross section of the laser beam 3 by using its astigmatism.
  • the correction lens 7 is held in an inner ring 8 which can be rotated about an axis 9 to the optical axis.
  • the inner ring 8 is fastened with its axis 9 in an outer ring 10.
  • the outer ring 10 is held in the device in the X and Y directions by means of two adjusting screws 11 and 12 and a clamping spring 13 so that it can be rotated azimuthally.
  • the outer ring 10 can be adjusted in the X and Y directions by means of the adjusting screws 11 and 12.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Frequenzkonvertierung eines Lasers (1) mittels eines oder mehrerer im Laserstrahl (3) angeordneter, nichtlinearer Kristalle (5, 6), in die die erforderliche Leistungsdichte durch eine Anordnung im Bereich der Engstelle (14) einer zugeordneten Fokussieroptik (4) eingebracht wird, mit einem Kollimator, der die Divergenz des Laserstrahls (3) minimiert und mit einem optischen Korrektor der den Querschnitt des Laserstrahls (3) formt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Fokussieroptik (4) vorgesehen ist, hinter der eine winkelig zur optischen Achse angeordnete Korrekturlinse (7) in einem Abstand positioniert ist, der etwa der Summe der beiden Brennweiten entspricht, derart, dass die Fokussieroptik (4) und die Korrekturlinse (7) den Kollimator bilden und die Korrekturlinse (7) ausserdem als Korrektor wirksam ist. Es wird so die Aufgabe gelöst, einen Laser zu schaffen, der sich durch eine kleine Baugrösse und durch einen vereinfachten, kostengünstigen Aufbau auszeichnet.

Description

Vorrichtung zur Frequenzkonvertierung eines Lasers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Frequenzkonvertierung eines Lasers mittels eines oder mehrerer im Laserstrahl angeordneter, nichtlinearer Kristalle in die die erforderliche Leistungsdichte durch eine Anordnung im Bereich der Engstelle einer zugeordneten Fokussieroptik eingebracht wird, mit einem Kollimator, der die Divergenz des Laserstrahls minimiert und mit einem optischen Korrektor der den Querschnitt des Laserstrahls formt.
Es sind bereits Vorrichtungen zur Konvertierungen der Grundwellenlänge des Lasers mittels zweier im Strahlengang angeordneter, nichtlinearer Kristalle bekannt geworden, in denen jedem Kristall eine eigene Fokussieroptik zugeordnet ist. Beide Kristalle sind dabei um die erforderliche Leistungsdichte einzubringen im Bereich der Engstelle ihrer Fokussieroptik angeordnet. Im Strahlengang des Lasers ist hinter den beiden Kristallen ein von einem Linsensystem gebildeter Kollimator angeordnet. Der Kollimator minimiert die Divergenz des Laserstrahls. An den Kollimator schließt sich ein optischer Korrektor an, der dem Laserstrahl einen gewünschten, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt gibt. Insgesamt erfordert ein derartiger Aufbau eine relativ große Baulänge, dabei ist der technische Aufwand relativ hoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser zu schaffen, der sich durch eine kleine Baugröße und durch einen vereinfachten, kostengünstigen Aufbau auszeichnet. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Indem eine einzige Fokussieroptik vorgesehen ist, hinter der eine winkelig zur optischen Achse angeordnete Korrekturlinse in einem Abstand positioniert ist, der etwa der Summe der beiden Brennweiten entspricht, derart, daß die Fokussieroptik und die Korrekturlinse den Kollimator bilden und die Korrekturlinse außerdem als Korrektor wirksam ist, werden eine kleine Baulänge und eine erhebliche Vereinfachung des technischen Aufbaus erzielt. So ist es auch bei einer Anordnung von zwei Kristallen lediglich erforderlich, eine einzige Fokussieroptik anzuordnen. Auch entfällt ein zusätzlicher Kollimator.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, daß zwei Kristalle unmittelbar hintereinander im Laserstrahl angeordnet sind. Deren geometrisches Zentrum liegt dabei im oder nahe der Engstelle der Fokussierlinse, so daß auch hier gelingt, die erforderliche Leistungsdichte einzubringen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Korrekturlinse als sphärische Linse ausgebildet ist. Es ergibt sich so die Möglichkeit, unter Nutzung des Astigmatismus der Linse, den erwünschten Querschnitt des Laserstrahls bereits mittels kleiner Korrekturen der Winkelstellung der Korrekturlinse zur optischen Achse zu formen.
Von besonderem Vorteil kann es sein, wenn Mittel zur Veränderung der Winkelstellung der Korrekturlinse zur optischen Achse vorgesehen sind. Es ist so möglich, den Querschnitt des Laserstrahls an unterschiedliche Erfordernisse anzupassen bzw. die Vorrichtung mit minimalem Aufwand zu justieren.
Vorzugsweise ist die Korrekturlinse in einem inneren Ring gehalten, der um eine Achse zur optischen Achse verdrehbar ist. Der innere Ring ist mit seiner Achse vorzugsweise in einem äußeren Ring befestigt, der azimutal verdrehbar ist. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, die Korrekturlinse im Strahlengang in einem beliebigen Winkel zur optischen Achse exakt auszurichten.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 , eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung; Figur 2, eine Korrekturlinse in ihrer Justagehalterung;
Figur 3, die Korrekturlinse gemäß Figur 2 im Querschnitt.
In der Zeichnung ist mit 1 ein Laser bezeichnet, der einen Oszillator 2 mit einer Grundwellenlänge aufweist. In einem Laserstrahl 3 des Lasers 1 ist eine Fokussieroptik 4 angeordnet, bei der es sich vorzugsweise um eine einfache Konvexlinse handelt. Hinter der Fokussieroptik 4 sind unmittelbar hintereinander im Bereich der Engstelle 14 des Laserstrahls 3 zwei nichtlineare Kristalle 5 und 6 angeordnet. Die Kristalle 5 und 6 sind zu ihren kristallograhischen Achsen unterschiedlich geschnitten und weisen unterschiedliche optische Eigenschaften auf.
Hinter den Kristallen 5 und 6 ist eine Korrekturlinse 7 angeordnet. Die Korrekturlinse 7 ist in einem inneren Ring 8 gehalten, der um eine Achse 9 zur optischen Achse, d. h. zum Laserstrahl 3 verdrehbar ist. Der innere Ring 8 ist mit seiner Achse 9 in einem äußeren Ring 10 befestigt. Der äußere Ring 10 ist azimutal verdrehbar.
Bei dem Oszillator 2 handelt es sich beispielsweise um einen YAG-Laser, der eine Wellenlänge von 1.064 nm aufweist. Die im Laserstrahl 3 hinter dem Oszillator 2 angeordnete Fokussieroptik 4 fokussiert den Laserstrahl 3 derart, daß sich das geometrische Zentrum der beiden beispielsweise als LBO-Kristalle ausgebildeten Kristalle 5 und 6 im oder nahe der Engstelle 14 des Laserstrahles 3 befindet. Es wird so die erforderliche Leistungsdichte in die Kristalle 5 und 6 eingebracht, wobei im ersten Kristall 5 die Wellenlänge des YAG-Lasers auf 532 nm reduziert wird. Im zweiten Kristall 6 wird die dort eintreffende Grundwellenlänge des Oszillators und die vom ersten Kristall 5 gebildete Wellenlänge von 532 nm (zweite Harmonische) in der Form konvertiert, daß der Laserstrahl 3 mit einer dreifach reduzierten Wellenlänge von 355 nm (dritte Harmonische) austritt.
Der Laserstrahl 3 weist in diesem Bereich jedoch den Nachteil auf, daß sein Querschnitt 15 resultierend aus den unterschiedlichen optischen Eigenschaften der beiden Kristalle 5 und 6 in x und y Querrichtungen zur optischen Achse einen unrunden, elliptischen Querschnitt aufweist. Der hinter den Kristallen 5 und 6 angeordneten Korrekturlinse 7 fällt hier die Aufgabe zu, den elliptischen Querschnitt 15 des Laserstrahls 3 zu korrigieren und diesem z. B. einen runden Querschnitt zu geben. Die Korrekturlinse 7 ist zum Laserstrahl 3 winkelverstellbar, wodurch eine Einstellung der Form des Querschnitts 15 ermöglicht wird. Zusätzlich wirkt die Korrekturlinse 7 in Verbindung mit der Fokussieroptik 4 als Kollimator, d. h. die Divergenz des Laserstrahls 3 wird minimiert. Der Abstand der Fokussieroptik 4 zur Korrekturlinse 7 ist etwa gleich der Summe der beiden Brennweiten.
Die Korrekturlinse 7 ist als sphärische Linse ausgebildet. Hieraus ergibt sich der vorteilhafte Effekt, daß sich jede Winkelverstellung zum Laserstrahl 3 effektiv im Sinne einer Veränderung des Querschnitts des Laserstrahls 3 auswirkt, indem deren Astigmatismus genutzt wird.
Zur Verstellung ihrer Winkelstellung zur optischen Achse, d.h. zum Laserstrahl 3 ist die Korrekturlinse 7 in einem inneren Ring 8 gehalten, der um eine Achse 9 zur optischen Achse verdrehbar ist. Der innere Ring 8 ist mit seiner Achse 9 in einem äußeren Ring 10 befestigt. Der äußere Ring 10 ist mittels zweier Justierschrauben 11 und 12 und einer Klemmfeder 13 in der Vorrichtung in der X- und der Y-Richtung azimutal verdrehbar gehalten. Zur Grundjustage ist der äußere Ring 10 mittels der Justierschrauben 11 und 12 in der X- und der Y- Richtung verstellbar.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Freqüenzkonvertierung eines Lasers (1) mittels eines oder mehrerer im Laserstrahl (3) angeordneter, nichtlinearer Kristalle (5, 6), in die die erforderliche Leistungsdichte durch eine Anordnung im Bereich der Engstelle (14) einer zugeordneten Fokussieroptik (4) eingebracht wird, mit einem Kollimator, der die Divergenz des Laserstrahls (3) minimiert und mit einem optischen Korrektor der den Querschnitt des Laserstrahls (3) formt, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Fokussieroptik (4) vorgesehen ist, hinter der eine winkelig zur optischen Achse angeordnete Korrekturlinse (7) in einem Abstand positioniert ist, der etwa der Summe der beiden Brennweiten entspricht, derart, daß die Fokussieroptik (4) und die Korrekturlinse (7) den Kollimator bilden und die Korrekturlinse (7) außerdem als Korrektor wirksam ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kristalle (5, 6) unmittelbar hintereinander angeordnet sind.
3. Vorrrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse (7) als sphärische Linse ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (8, 9, 10) zur Veränderung der Winkelstellung der Korrekturlinse (7) zum Laserstrahl (3), d. h. zur optischen Achse vorgesehen sind.
5. Laser (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse (7) in einem inneren Ring (8) gehalten ist, der um eine Achse (9) zur optischen Achse, d.h. zum Laserstrahl (3) verdrehbar ist und daß der innere Ring (8) mit seiner Achse (9) in einem äußeren Ring (10) befestigt ist, der azimutal verdrehbar ist.
EP01937980A 2000-04-14 2001-04-10 Vorrichtung zur frequenzkonvertierung eines lasers Withdrawn EP1183568A1 (de)

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DE10018874A DE10018874C2 (de) 2000-04-14 2000-04-14 Vorrichtung zur Frequenzkonversion des Lichts eines Lasers
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EP (1) EP1183568A1 (de)
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