EP2245509A1 - Optisch-parametrischer oszillator mit zusätzlichem verstärker im resonator - Google Patents

Optisch-parametrischer oszillator mit zusätzlichem verstärker im resonator

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EP2245509A1
EP2245509A1 EP08871034A EP08871034A EP2245509A1 EP 2245509 A1 EP2245509 A1 EP 2245509A1 EP 08871034 A EP08871034 A EP 08871034A EP 08871034 A EP08871034 A EP 08871034A EP 2245509 A1 EP2245509 A1 EP 2245509A1
Authority
EP
European Patent Office
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amplifier
wave
shaft
pump
waves
Prior art date
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Ceased
Application number
EP08871034A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Buse
Ingo Breunig
Rosita Sowade
Bastian Knabe
Jens Kiessling
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Deutsche Telekom AG
Original Assignee
Deutsche Telekom AG
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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
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    • G02F1/392—Parametric amplification
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H01S3/1083—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering using parametric generation

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an optical parametric oscillator, in which a Pu 'mpwelle is coupled into an optically-nonlinear element, wherein the optically-nonlinear element from the Pumpwell ⁇ at least two waves, in particular a Signafwelle and an idler wave, generated, wherein one of the waves is coupled out of the S-ray path and is in turn resonantly coupled via a feedback path into the optically non-linear element.
  • the invention also relates to a system for implementing the method.
  • OPOs optical parametric oscillators
  • Such optical parametric oscillators offer the possibility of changing monochromatic laser light in its frequency and of "tuning through” it over a certain range, a laser light which can be continuously tuned in its color and thus in its frequency for many applications
  • the function of OPOs is described in textbooks, which is in principle such that a pump wave with the frequency f p is irradiated in an optically non-linear medium, in particular in a crystal or in a waveguide, wherein the The sum of the frequencies of signal wave f s and idler wave / j corresponds exactly to f p
  • One of the waves is decoupled and fed back into the medium via the feedback path.
  • the entire beam guidance with the medium and the remindk ⁇ ppelst The device forms an optical resonator. In the resonator increases with each pass through the medium the 0700201 LAP1
  • OPOs are used, for example, for spectroscopic purposes.
  • the minimum value for the parametric amplification thus depends essentially on the non-linear coefficient of the amplifying medium, the length of the medium and the light output of the pump source used.
  • the non-linear coefficient is a material-specific parameter and therefore can not be varied arbitrarily.
  • the length of the non-linear medium can not be arbitrarily erhqhen for technical reasons.
  • the minimum value for the parametric amplification by the power of the pump light must be achieved by exceeding a threshold value, the so-called pumping threshold.
  • the pump source must have a narrow frequency width.
  • Object of the present invention is to provide a method for operating a particular simple-resonant optical parametric oscillator, with which the pumping threshold can be lowered, so that the OPO can pump with simple and inexpensive light sources relatively low power.
  • the Ker ⁇ igedanke essential to the invention is to provide a separate amplifier in the feedback path and to actively amplify in its amplitude the wave located in the resonator with this.
  • the present invention thus provides a novel approach for reducing the pumping threshold of OPOs by introducing a power amplifying element into the resonator. By significantly lowering the pumping threshold from originally more than 1 watt to much less than 1 watt, it is also possible to use light sources with lower light output for pumping an OPO.
  • the inventive concept for lowering the pumping threshold of optical parametric oscillators is thus not based on minimizing the losses in the resonator, but instead compensating for them by additional amplification.
  • the very special advantage of the invention is that now instead of the previously used structurally complex and expensive pump lasers with a few watts of power for the price of several 10,000, - ⁇ simple semiconductor lasers, especially laser diodes, with less than 1 watt, especially from currently something more than 0.5 watts, and correspondingly lower price can be used as a pump source, which makes OPOs above all much more compact and cheaper. Also, the resonator located in the amplifier can be realized with simple and compact means. 0700201 LAP1
  • optical amplifiers and semiconductor amplifiers can be used.
  • an optical amplifier uses materials which, as known from lasers, amplify light of a certain frequency upon introduction of energy.
  • the energy input of these materials need not be optical.
  • no particularly narrow frequency width is necessary.
  • an optical energy input in the form of a second pump shaft is used.
  • the additional amplifier according to the invention is to be designed so that it amplifies the wave resonant in an optical parametric oscillator with energy input and that the losses it suffers are compensated. The total profit for the wave therefore stems from the gain on the one hand from the additional gain according to the invention and, on the other hand, from the optical parametric gain.
  • the concept according to the invention can advantageously be used in singly resonant OPOs.
  • Such a "hybrid-pumped" optical parametric oscillator thus combines the special advantage of the single-resonant OPOs, namely the uncomplicated frequency stabilization, with the 0700201 LAP1
  • the complete resonator is realized in a correspondingly cut monoliths prepared on end surfaces.
  • a periodically poled crystal for generating signal wave and idler wave, mirrors, free-wheeling distances and the additional amplifier can be realized.
  • the monolithic construction initially has the advantage of a particularly compact design. However, it is particularly advantageous that the component located in the resonator can scarcely misalign against one another.
  • the additional amplifier according to the invention is pumped by an incoherent light source or by a simple laser diode.
  • favorable laser diodes with quite high power but poor beam quality can be used.
  • Some materials are suitable as "pumpable" materials for the additional amplifier, it being advantageous to use erbium or neodymium-doped glass (SiO 2 ) or crystals, and also ytterbium and yttrium-aluminum garnet can serve as doping for the additional amplifier.
  • the choice of materials is advantageously made dependent on the desired frequency range of the wave to be amplified.
  • the optical parametric oscillator according to the invention for the generation of radiation in the frequency range between 0.1 and 10 THz (10 12 Hz).
  • the generated waves ie in particular the signal wave
  • This terahertz area will become increasingly interesting for communication in the future because of the high transmission rates.
  • Terahertz's frequency range involves intermolecular vibrations or rotational vibrational motion of molecules, so terahertz radiation is of interest for spectroscopy and astronomy.
  • 0700201 LAP1 for medical applications, for example for analysis 0700201 LAP1
  • FIG. 1 is a diagram of an optical parametric oscillator (OPO) and
  • FIG. 1 outlines the principle of an OPO.
  • a pump shaft 1 originating from a Yb: YAG solid-state laser with a wavelength of 1030 nm and a maximum output power of 20 W (TEM 00 singlemode, single frequency) is coupled via a focusing concave mirror 2 into a resonator with a closed light path.
  • a nonlinear medium 3 is positioned, which in this case is periodically poled and magnesium-doped lithium niobate, with which a phase matching is possible.
  • a signal wave 4 with approximately 1550 nm is generated in the medium 3 from the pump wave.
  • the associated Idlerwellentate 5 is in the range of 3 microns.
  • the pumping threshold of such an OPO is about 1 W (see FIG. 2, black curve "without glass”).
  • a concave mirror 6 is arranged, which due to its highly reflective characteristic for the signal wave and the anti-reflection coating for the pump and Idlerwelle only the signal wave 4 reflects, while it decouples the Idlerwelle and the pump shaft 1.
  • the reflected from the concave mirror 6 signal wave 4 strikes a first plane mirror 7 and is reflected by this on a second plane mirror 8.
  • the second plane mirror 8 in turn reflects on the concave mirror 2, so that the light path closes via the feedback. Due to the geometry of this folded 0700201 LAP1
  • Ring resonator there is a focus of the resonant wave between the two concave mirrors 2 and 6 and another between the plane mirrors 7 and 8th
  • an additional amplifier 9 is introduced into the resonator, here formed by an erbium-ytterbium-doped glass of 4 mm thickness whose surfaces are antireflection-coated for the signal wavelengths.
  • the second pump wave is collinearly coupled to the resonant light, so that a good overlap between the two beams in the amplifier 9 ensures and the stimulated emission and thus the amplification of the signal wave is favored.
  • a fiber-coupled laser diode of wavelength 940 nm with a spectral bandwidth of 5 nm, a maximum output power of 7 W and a low beam quality is used,
  • a de-excitation of these states can be carried out via stimulated emission at about 1550 nm with the aid of the signal photons so that the signal wave is amplified.
  • FIG. 2 plots values for the pumping threshold as a function of the signal wavelength for various output powers of the diode 10.
  • the pump threshold for the simple OPO without absorbent glass is consistently about 1 W, as curve 11 shows.
  • integration of the amplifier causes the pumping threshold to increase, but with a "gain power" of 1.1 W, a significant reduction in the signal wave range between about 1530 nm and 1570 nm takes place. It can be seen that this arrangement makes it possible to reduce the pumping threshold to a few 10 milliwatts, the limit shown here corresponding to the detection limit of the measuring device used. In principle, the threshold can still go far 0700201 LAP1
  • the OPO remains tunable over the gain range of the lens. In this case, this means that signal wavelengths between 1535 and 1568 nm can be achieved with less pump power than before. This corresponds to idler wavelengths in the range of 3140 to 3010 nm. By other pump wavelengths or else. other auxiliary amplifiers allow these wavelengths to be further varied.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines optisch-parametrischen Oszillators, bei dem eine erste Pumpwelle (1) in Ausbreitungsrichtung in ein optisch-nichtlineares Element (3) eingekoppelt wird, wobei die Pumpwelle (1) im optisch-nichtlinearen Element (3) zumindest teilweise in zwei Wellen, insbesondere eine Signalwelle (4) und eine Idlerwelle (5), getrennt wird, wobei eine der Wellen (4), aus dem Strahlengang ausgekoppelt und über eine Rückkopplungsstrecke wiederum in Ausbreitungsrichtung in das optisch-nichtlineare Element (3) resonant eingekoppelt wird, wobei die Welle (4) innerhalb der Rückkopplungsstrecke aktiv mittels eines Verstärkers (9) in ihrer Amplitude verstärkt wird.

Description

200700201 LAP1
■ 1 -
19.12.2007 BD 0700201 B
OPTISCH-PARAMETRISCHER OSZILLATOR MIT ZUSÄTZLICHEM VERSTÄRKER IM RESONATOR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines optisch-parametrischen Oszillators, bei dem eine Pu'mpwelle in ein optisch-nichtlineares Element eingekoppelt wird, wobei das optisch-nichtlineare Element aus der Pumpwellβ mindestens zwei Wellen, insbesondere eine Signafwelle und eine Idlerwelle, generiert, wobei eine der Wellen aus dem Sfrahlengang ausgekoppelt und über eine Rückkopplungsstrecke wiederum in das optisch-nichtlineare Element resonant eingekoppelt wird. Die Erfindung betrifft zudem ein System zur Umsetzung des Verfahrens.
Solche optisch-parametrischen Oszillatoren, nachfolgend OPOs genannt, bieten die Möglichkeit, monochromatisches Laserlicht in seiner Frequenz zu verändern und zumindest über einen bestimmten Bereich .„durchzustimmen". Dabei ist ein in seiner Farbe und damit in seiner Frequenz kontinuierlich durchstimmbares Laserlicht für viele Anwendungen in Technik und Wissenschaft besonders wertvoll. Die Funktion der OPOs ist in Lehrbüchern beschrieben. Sie ist im Prinzip so, dass eine Pumpwelle mit der Frequenz fp in ein optisch-nichtlineares Medium, insbesondere in einen Kristall oder in einen Wellenleiter, eingestrahlt wird, wobei die Pumpwelle in einem nichtlinearen Prozess in zwei Wellen, die Signalwelle und die Idlerwelle, zerfällt. Die Summe der Frequenzen von Signalwelle fs und Idlerwelle /j entspricht dabei genau fp. Eine der Wellen wird ausgekoppelt und über die Rückkopplungsstrecke wieder in das Medium geführt. Die gesamte Strahlführung mit dem Medium und der Rückkόppelstrecke bildet einen optischen Resonator. Im Resonator erhöht sich bei jedem Durchlauf durch das Medium die 0700201 LAP1
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Energie der resonanten Welle. Da es mit einem solchen System prinzipiell möglich ist, Licht mit einer beliebigen Frequenz kleiner als fp zu erzeugen, werden OPOs beispielsweise für spektroskopische Zwecke eingesetzt.
Im Fall des sogenannten einfach-resonanten OPOs wird „nur" eine der Wellen resonant überhöht, indem sie auf die beschriebene Weise in das nichtlineare Medium zurückführt und durch diese Rückkopplung verstärkt wird. Der Resonator weist zur Strahlführung meist mehrere Spiegel auf, wobei die Welle im Resonator einerseits eine Verstärkung durch den optisch-nichtlinearen Effekt erfährt, jedoch andererseits Verluste an den Oberflächen der im Resonator befindlichen Elemente und durch Absorption in den Bauteilen erleidet. Die Oszillation kann nur einsetzen, wenn die Verstärkung die Verluste übersteigt.
Zur Minimierung der Verluste ist es bekannt, spezielle Beschichtungen auf die Oberflächen der im Resonator befindlichen Elemente aufzubringen. Eine komplette Vermeidung der Verluste ist mit dieser Methode jedoch nicht zu erreichen. Der Mindestwert für die parametrische Verstärkung hängt somit im Wesentlichen vom nichtlinearen Koeffizienten des verstärkenden Mediums, der Länge des Mediums und der Lichtleistung der verwendeten Pumpquelle ab. Dabei ist der nichtlineare Koeffizient ein materialspezifischer Parameter und kann daher nicht beliebig variiert werden. Die Länge des nichtlinearen Mediums lässt sich aus technischen Gründen auch nicht beliebig erhqhen. Somit muss der Mindestwert für die parametrische Verstärkung durch die Leistung des Pumplichtes durch Überschreiten eines Schwellwertes, der sogenannten Pumpschwelle, erreicht werden. Zudem muss die Pumpquelle eine schmale Frequenzbreite aufweisen.
Eine Senkung der Pumpschwelle wurde bislang dadurch erreicht, dass nicht nur eine sondern zwei oder sogar alle drei Wellen resonant überhöht wurden. Das macht jedoch die Stabilisierung und die Frequenzänderungen der Signalwelle und der Idlerwelle technisch aufwendig, wobei ja gerade die Frequenzänderung bei gleichzeitiger Stabilität an sich ein großer Vorteil der OPOs gegenüber anderen Lichtquellen wie Lasern ist. 0700201 LAP 1
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines insbesondere einfach-resonanten optisch-parametrischen Oszillators zu schaffen, mit dem die Pumpschwelle gesenkt werden kann, so das sich der OPO mit einfachen und kostengünstigen Lichtquellen verhältnismäßig geringer Leistung pumpen lässt. Zudem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein System zur Umsetzung des Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 und das System nach Anspruch 5 gelöst. Besondere Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
Der erfindungswesentliche Kerϊigedanke liegt darin, in der Rückkopplungsstrecke einen separaten Verstärker vorzusehen und mit diesem die im Resonator befindliche Welle aktiv in ihrer Amplitude zu verstärken. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein neuartiger Ansatz zur Reduktion der Pumpschwelle von OPOs durch die Einbringung eines leistungsverstärkenden Elements in den Resonator. Mit der signifikanten Absenkung der Pumpschwelle von ursprünglich über 1 Watt auf wesentlich weniger als 1 Watt wird es möglich, auch Lichtquellen mit geringerer Lichtleistung zum Pumpen eines OPOs einzusetzen. Das erfindungsgemäße Konzept zur Absenkung der Pumpschwelle optisch-parametrischer Oszillatoren -basiert somit nicht darauf, die Verluste im Resonator zu minimieren, sondern stattdessen diese durch eine zusätzliche Verstärkung auszugleichen.
Der ganz besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass nun statt der bislang verwendeten baulich aufwendigen und teuren Pump-Laser mit einigen Watt Leistung zum Preis von mehreren 10.000,- € einfache Halbleiterlaser, insbesondere Laserdioden, mit weniger als 1 Watt, insbesondere von derzeit etwas mehr als 0,5 Watt, und entsprechend geringerem Preis als Pumpquelle eingesetzt werden können, was OPOs vor allem wesentlich kompakter und preiswerter macht. Auch der im Resonator befindliche Verstärker kann mit einfachen und kompakten Mitteln realisiert werden. 0700201 LAP1
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Dabei beruht das Konzept des im Resonator befindlichen Verstärkers, der die Leistung der resonanten Welle verstärkt, auf den erstaunlichen Resultaten von Experimenten, in denen ein von der üblichen fachmännischen Vorgehensweise unterschiedlicher Weg eingeschlagen wurde. So hat der Fachmann bislang immer die Zahl der in den Resonator einzubringenden Mittel auf ein Minimum reduziert, um die Absorption und Reflexion im Resonator so gering wie möglich zu halten. Die Experimente konnten jedoch zeigen, dass auch eine Verstärkung innerhalb des Resonators möglich ist und vor allem, dass mit der zusätzlichen Verstärkung die Pumpschwelle drastisch gesenkt werden kann. Da vermeintlich jedes zusätzliche Bauteil im Resonator;' mit einem vergrößerten Verlust einhergeht und damit eine erhöhte Pumpschwelle zur Folge hat, war es für den Fachmann nicht naheliegend, einen optischen Verstärker in den Resonator einzubringen.
Für die zusätzliche Verstärkung können optische Verstärker und Halbleiterverstärker eingesetzt werden. Vorteilhafterweise nutzt ein optischer Verstärker Materialien, die, wie von Lasern bekannt, bei Energieeintrag Licht einer bestimmten Frequenz verstärken. Im Gegensatz zur Pumpquelle eines OPOs braucht bei diesen Materialien der Energieeintrag nicht optisch sein. Auch ist keine besonders schmale Frequenzbreite notwendig. Vorteilhafterweise wird jedoch auch ein optischer Energieeintrag in Form einer zweiten Pumpwelle eingesetzt. Auf diese Weise ist ein besonders kompakter und preiswerter Aufbau des Systems möglich. Dabei ist der erfindungsgemäße Zusatzverstärker so zu konzipieren, dass er die in einem optisch-parametrischen Oszillator resonante Welle bei Energieeintrag verstärkt und dass die Verluste, die sie erleidet, kompensiert werden. Der Gesamtgewinn für die Welle rührt daher einerseits vom Gewinn durch die erfindungsgemäße Zusatzverstärkung und andererseits vom optisch-parametrischen Gewinn her.
Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich vorteilhafterweise in einfach resonanten OPOs einsetzen. Ein solcher „hybridgepumpter" optisch- parametrischer Oszillator verknüpft damit den besonderen Vorteil der einfach- resonanten OPOs, nämlich die unkomplizierte Frequenzstabilisierung, mit dem 0700201 LAP1
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besonderen Vorteil der mehrfach resonanten OPOs, nämlich der geringen Pumpschwelle.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird der komplette Resonator in einem entsprechend geschnittenen und an Endflächen präparierten Monolithen realisiert. In dem Monolithen können ein periodisch gepolter Kristall zur Erzeugung von Signalwelle und Idlerwelle, Spiegel, Freilaufstrecken und der zusätzliche Verstärker realisiert werden. Die monolithische Bauweise hat zunächst den Vorteil der besonders kompakten Bauform. Besonders vorteilhaft ist jedoch, dass sich die im Resonator befindlichen Bauteil.e'.kaum gegeneinander dejustieren können.
In einer besonders einfachen Und damit vorteilhaften Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Zusatzverstärker von einer inkohärenten Lichtquelle oder von einer einfachen Laserdiode gepumpt. Dabei können vor allem günstige Laserdioden mit recht hoher Leistung, aber schlechter Strahlqualität eingesetzt werden. Als „pumpbare" Materialien für den Zusatzverstärker bieten sich einige Materialien an, wobei es vorteilhaft ist, mit Erbium oder mit Neodym dotiertes Glas (SiO2) oder Kristalle einzusetzen. Auch Ytterbium und Yttrium-Aluminium-Granat können als Dotierung für den Zusatzverstärker dienen. Die Auswahl der Materialien wird vorteilhafterweise von dem gewünschten Frequenzbereich der zu verstärkenden Welle abhängig gemacht. .
Wegen der besonderen Bedeutung für drahtlose Datenübertragung ist es vorteilhaft, den erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Oszillator für die Erzeugung von Strahlung im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 THz (1012 Hz) einzusetzen. Das bedeutet, dass die erzeugten Wellen, also insbesondere die Signalwelle, im Frequenzbereich zwischen 0.1 und 10 THz liegt oder dass der Frequenzabstand der beteiligten Wellen zwischen 0.1 und 10 THz liegt. Dieser Terahertz-Bereich wird in Zukunft für die Kommunikation wegen der hohen Übertragungsraten immer interessanter. Im Frequenzbereich von Terahertz liegen intermolekulare Schwingungen oder Rotationsschwingungsbewegungen von Molekülen, daher ist Terahertzstrahlung für die Spektroskopie und die Astronomie von Interesse. Auch für medizinische Anwendungen, beispielsweise zur Analyse 0700201 LAP1
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von DNA-Bindungszuständen, kann sie eingesetzt werden. Da die Strahlung zwar Kleidung und Papier, aber nicht die menschliche Haut durchdringt, ist sie außerdem für Anwendungen in der Sicherheitstechnologie interessant.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Schema eines optisch-parametrischen Oszillators (OPO) und
Figur 2 die Ergebnisse von Experimenten.
In Figur 1 ist das Prinzip eines OPOs skizziert. Dabei wird eine aus einem Yb:YAG-Festkörperlaser stammende Pumpwelle 1 der Wellenlänge von 1030 nm und einer maximalen Ausgangsleistung von 20 W (TEM00 Singlemode, Singlefrequency) über einen fokussierenden Hohlspiegel 2 in einen Resonator mit geschlossenem Lichtweg eingekoppelt. Im Fokus des Spiegels wird ein nichtlineares Medium 3 positioniert, das in diesem Fall periodisch gepoltes und magnesiumdotiertes Lithiumniobat ist, mit dem eine Phasenanpassung möglich ist. Bei Periodenlängen von 30 μm wird im Medium 3 aus der Pumpwelle eine Signalwelle 4 mit etwa 1550 nm erzeugt. Die dazugehörige Idlerwellenlänge 5 liegt im Bereich um 3 μm. Die Pumpschwelle eines solchen OPOs liegt bei ca. 1 W (siehe Figur 2, schwarze Kurve „ohne Glas"): Hinter dem Medium 3 ist wiederum ein Hohlspiegel 6 angeordnet, der wegen seiner hochreflektierenden Eigenschaft für die Signalwelle und die Antireflexbeschichtung für die Pump- und Idlerwelle nur die Signalwelle 4 reflektiert, während er die Idlerwelle sowie die Pumpwelle 1 auskoppelt.
Die vom Hohlspiegel 6 reflektierte Signalwelle 4 trifft auf einen ersten Planspiegel 7 und wird von diesem auf einen zweiten Planspiegel 8 reflektiert. Der zweite Planspiegel 8 reflektiert wiederum auf den Hohlspiegel 2, so dass sich der Lichtweg über die Rückkopplung schließt. Durch die Geometrie dieses gefalteten 0700201 LAP1
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Ringresonators gibt es einen Fokus der resonanten Welle zwischen den beiden Hohlspiegeln 2 und 6 und einen weiteren zwischen den Planspiegeln 7 und 8.
Erfindungsgemäß ist in den Resonator ein zusätzlicher Verstärker 9 eingebracht, der hier von einem Erbium-Ytterbium dotierten Glas von 4 mm Dicke gebildet ist, dessen Flächen für die Signalwellenlängen antireflexbeschichtet sind. Der Verstärker 9 ist an den Ort des zweiten Fokus gesetzt. Dieses Glas verursacht zunächst zusätzliche Verluste, so dass die Pumpschwelle des OPOs erhöht wird (siehe Figur 2, Kurve für PDiode = 0 W). Wird in den Verstärker 9 Licht der Wellenlänge 940 nm aus einer Laserdiode 10 entgegen der Ausbreitungsrichtung der Signalwelle als zweite Pumpwelle eingekoppelt, so werden Elektronen in bestimmte Zustände angeregt. Wesentlich ist, dass die zweite Pumpwelle kollinear zum resonanten Licht eingekoppelt wird, so dass ein guter Überlapp zwischen beiden Strahlen im Verstärker 9 gewährleistet und die stimulierte Emission und damit die Verstärkung der Signalwelle begünstigt ist. Hier wird eine fasergekoppelte Laserdiode der Wellenlänge 940 nm mit einer spektralen Bandbreite von 5 nm, einer maximalen Ausgangsleistung von 7 W und einer geringen Strahlqualität verwendet,
Eine Abregung dieser Zustände kann über stimulierte Emission bei etwa 1550 nm mit Hilfe der Signalphotonen erfolgenj-so dass die Signalwelle verstärkt wird.
In Figur 2 sind Werte für die Pumpschwelle in Abhängigkeit von der Signalwellenlänge für verschiedene Ausgangsleistungen der Diode 10 aufgetragen. Die Pumpschwelle für den einfachen OPO ohne absorbierendes Glas liegt durchgängig bei etwa 1 W, wie Kurve 11 zeigt. Bei kleinen „Verstärkungsleistungen" zwischen 0 W und 1 W findet durch Integration des Verstärkers eine Heraufset∑ung der Pumpschwelle statt. Bei einer „Verstärkungsleistung" von 1 ,1 W findet jedoch eine deutliche Absenkung im Signalwellenbereich zwischen etwa 1530 nm und 1570 nm statt. Es zeigt sich, dass es durch diese Anordnung möglich ist, die Pumpschwelle auf wenige 10 Miliwatt zu senken, wobei die hier gezeigte Grenze der Nachweisgrenze des verwendeten Messgeräts entspricht. Prinzipiell kann die Schwelle noch weit 0700201 LAP1
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darunter liegen oder sogar völlig verschwinden. Diese Leistungen sind so gering, dass eine Singlemode-Laserdiode mit gutem Strahlprofil als Pumpquelle für den OPO anstelle eines Festkörperlasers eingesetzt werden kann. Hierdurch wird der Aufbau wesentlich kostengünstiger und kompakter.
Der OPO bleibt weiterhin über den Verstärkungsbereich des Glases durchstimmbar. Das heißt in diesem Fall, dass Signalwellenlängen zwischen 1535 und 1568 nm mit geringerer Pumpleistung als bisher erreicht werden können. Dies entspricht Idlerwellenlängen im Bereich von 3140 bis 3010 nm. Durch andere Pumpwellenlängen oder auch . andere Zusatzverstärker lassen sich diese Wellenlängen weiter variieren.

Claims

200700201 LAP119.12.2007 BD 0700201 CAnsprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines optisch-parametrischen Oszillators, bei dem eine erste Pumpwelle (1) in Ausbreitungsrichtung in ein optisch- nichtlineares Element (3) eingekoppelt wird, wobei die Pumpwelle (1) im optisch-nichtlinearen Element (3) zumindest teilweise in zwei Wellen, insbesondere eine Signälwelle (4) und eine Idlerwelle (5), getrennt wird, wobei eine der Wellen: (4) aus dem- Strahlengang ausgekoppelt und über eine Rückkopplungsstrecke wiederum in Ausbreitungsrichtung in das optisch-nichtlineare Element (3) resonant eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) innerhalb der Rückkopplungsstrecke aktiv mittels eines Verstärkers (9) in ihrer Amplitude verstärkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker (9) . ein . teilweise lichtdurchlässiges Medium, insbesondere ein dotiertes Glas oder ein Kristall, verwendet wird, wobei in das Medium eine zweite Pumpwelle eingekoppelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Pumpwelle kollinear zur Welle (4) und insbesondere entgegen deren Ausbreitungsrichtung eingekoppelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker (9) ein Halbleiten/erstärker eingesetzt wird. 200700201 LAP1
5. Optisch-parametrischer Oszillator aufweisend eine erste Pumpquelle zur Erzeugung einer ersten Pumpwelle (1), ein in den Strahlengang der ersten Pumpwelle (1) eingebrachtes nichtlinear-optisches Element (3), das die Pumpwelle (1) zumindest teilweise in zwei Wellen trennt (4,5), und Mittel zur Ein- und/oder Auskopplung einer der Wellen aus dem Strahlengang und zur wiederholten Einkopplung der einen Welle (4) in das nichtlineare optische Element (3), wobei die Mittel die Welle resonant in einem geschlossenen Strahlengang halten, gekennzeichnet durch ein im Strahlengang befindliches Verstärkerelement (9), das die Welle (4) aktiv in ihrer Amplitude verstärkt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpquelle eine eine Laserdiode einer Leistung von weniger als 1 W ist
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkerelement (9) ein mit einer zweiten Pumpwelle gepumptes teilweise lichtdurchlässiges Medium, insbesondere ein dotiertes Glas oder ein Kristall," ist:
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpquelle zur Erzeugung der zweiten Pumpwelle eine inkohärente Lichtquelle oder eine Laserdiode (10) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlinear-optische Element (3), die Mittel zur Ein- und/oder Auskopplung und das Verstärkerelement (9) in einem Monolithen realisiert sind.
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