SE526938C2 - Laserarrangemang med flera våglängder - Google Patents

Description

20 25 30 35 VCSEL:s eller vanliga singelmod kantemittrar) i kombina- tion med element för frekvenskonvertering, samt uppkon- verterande fiberlasrar, vilka alla kan skapa en laser- stråle inom det blå eller gröna området av spektrumet med egenskaper som liknar de för Ar jon-lasern.

Ett annat föreslaget alternativ till Ar jon-lasrar , är summafrekvensblandning av två diodpumpade Nd-dopade laserkristaller (se exempelvis WO 02/103863).

Diodpumpade laserkristaller ger utmärkta strålegen- skaper och långa driftstider, samt gott effektutnyttjan- de. Ett allmänt problem med dessa fastatïllståndslasrar är emellertid att de normalt bara emitterar en enda våg- längd. För tillämpningar där man behöver fler än en våg- längd i en enstaka stråle blir det därför nödvändigt att kombinera flera laserenheter och slå samman de utgående strålarna från dessa enheter till en enstaka stråle. En sådan kombination skulle till exempel kunna åstadkommas med hjälp av ganska komplicerade spegeluppställningar el- ler genom att man kopplar in strålningen i en optisk fi- ber. E _ Vidare är det ett specifikt problem med summafre- kvensblandning enligt ovan refererade WO 02/103863, att två separata pumpdioder krävs, varigenom laserarrange- mangets komplexitet och kostnad ökar.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma ett laserarrangemang med förmåga till samtidig emission av ljus.vid fler än en våglängd.

Närmare bestämt syftar föreliggande uppfinning till att åstadkomma ett laserarrangemang som utnyttjar en en- staka optisk pumpkälla för pumpning, och vilket kan emit- tera åtminstone två olika våglängder inom det synliga om- rådet av det elektromagnetiska spektrumet.

Ovannämnda syfte uppnås med ett laserarrangemang i enlighet med de bifogade patentkraven. 10 15 20 25 30 35 526 939 3 Föreliggande uppfinning åstadkommer alltså ett la- serarrangemang med förmåga att skapa flera våglängder inom det synliga området, vilka utbreder sig i en enstaka stràle. Laserarrangemanget enligt uppfinningen baserar sig på fastatillståndslasrar, som ger fördelar i termer av lång driftstid, liten storlek, låg effektförbrukning, samt enkel tillverkning till låg kostnad.

I enlighet med föreliggande uppfinning erhålles ut- effekt vid flera våglängder genom frekvensblandning av infraröd strålning från åtminstone två laserförstärk- ningsmaterial vilka optiskt pumpas av en enstaka diodla- ser. Blandningen av de olika uteffekterna genomförs i två icke-linjära regioner, som är belägna inuti en av de re- sonanta kaviteterna runt förstärkningsmaterialen.

Lämpliga, optiskt pumpbara förstärkningsmaterial en- ligt uppfinningen är halvledare (t.ex. VCSEL:s), polyme- rer och fasta tillstàndets värdmaterial dopade med säll- synta jordartsmetaller eller övergångsmetaller. Föredrag- na exempel på det senare är Nd-dopat YVO4, YAG, YLF, GVO4 och glas. x '\ Användningen av endast en enstaka pumpdiod medger en minskning av laserarrangemangets övergripande storlek, samt en minskning av tillverkningskostnaderna.

Vid implementering av utföringsformer av uppfinning- en bör arrangemangets förstärkningsmaterial väljas eller utformas så att de har överlappande absorptionsband för den pumpstrålning som emitteras av pumpkällan. Förstärk- ningsmaterialen får gärna ha maximala absorptionstoppar som alla täcks av pumpkällans emissionsspektrum.

Särskild omsorg bör observeras beträffande optiken för pumpstràlen, placeringen och arrangemanget för för- stärkningsmaterialen, samt utformningen av de optiska re- sonatorerna, i syfte att få den tillgängliga pumpeffekten korrekt matchad till effektiviteten hos vardera ingående förstärkningsmaterial och dess tillhörande resonator.

Speciellt bör uppmärksamhet ges till storleken och läng- den hos pumpstràlens fokus, dimensionerna och placering- 10 15 20 25 30. 35 CN ßâ Cm vâ f N DO 4 arna av förstärkningsmaterialen, förstärkningsmaterialens optiska förstärkning (t.ex. så som den ges av dopningsni- vån), samt till de optiska gränsytorna. För optimal ef- fektivitet bör alla förstärkningsmaterial vara placerade vid eller nära pumpstrålens fokus.

Den fundamentala strålning som skapas av de två för- stärkningselementen kommer att vara två väsentligen sam- propagerande strålar (i själva verket som en enstaka strále), eftersom de pumpade modvolymerna (förstärknings- regionerna) i respektive element ligger på samma linje tack vare det faktum att de bägge pumpas“av samma pump- källa. Lasermoderna hos förstärkningselementen överlappar således varandra. I I enlighet med en första utföringsform av förelig- gande uppfinning, àstadkommes ett fastatillståndslaserar- rangemang vilket kan ersätta traditionella Ar jon-lasrar i tillämpningar som kräver flera våglängder i de blå och gröna områdena av spektrumet.

Det har av uppfinnarna insetts att laserlinjerna vid 488 nm och 514 nm hos Ar jon-lasern kan, för många till- lämpningar, bytas ut mot laserlinjer vid 491 nm respekti- ve 532 nm. Anledningen till detta är att absorptionsban- den för typiska fluorescenta färgämnen och fotopapper etc. är tillräckligt breda. I en första utföringsform av föreliggande uppfinning åstadkommes därför samtidig emis- sion vid 491 nm och 532 nm i en enstaka laserstråle. För detta ändamål utnyttjas två förstärkningselement av Nd:YVO4, vilka bägge pumpas optiskt av strålning vid om- kring 808 nm från en enstaka bred (”broad-stripe”) kant- emitterande diodlaser. De två förstärkningselementen omsluts av en respektive resonant kavitet, som ger laser- verkan vid 914 nm och vid 1064 nm. Strålning vid 491 nm erhålles genom summafrekvensblandning av strålningen vid 1064 nm med strålningen vid 914 nm. Denna summafrekvens- blandning utförs inuti laserresonatorn för 1064 nm.

Strålning vid 532 nm erhålles samtidigt genom frekvens- dubblering av den återstående strålningen vid 1064 nm. 10 15 20 25 30 35 93 CH PJ O\ CO 5 Företrädesvis utförs även denna frekvensdubblering inuti laserresonatorn för 1064 nm. Spatialt överlapp och sam- riktad utbredning längs en gemensam utbredningsaxel för de två synliga strålarna säkerställa av det faktum att laserstrålen vid 1064 nm är involverad i genereringen av båda dessa synliga våglängder. A Uppfinnarna har dessutom funnit att intensitetssta- biliteten för detta laserarrangemang kan förbättras avse- värt om kavitetslängden för lasern vid 914 nm är större än omkring 1 cm. Utsträckning av kaviteten till denna längd orsakar emellertid problem rörande hur bägge för- stärkningselementen skall placeras vid eller_nära pumpstrålens fokus. Av denna anledning föreslås en vikt kavitet för lasern vid 914 nm. 1 _ Arrangemanget enligt denna utföringsform kan ut- sträckas till samtidig generering av strålning vid 457 nm genom frekvensdubbling av strålningen vid 914 nm, varige- nom ännu ett alternativ till Ar jon-lasrar erhålles.

Förstärkningsmaterialen skulle vidare kunna placeras i resonatorer som befrämjar än längre våglängder, så som 1340 nm för en Nd:YVO4-laser. Genom frekvensdubbling av denna våglängd, skulle det uppfinningsenliga konceptet kunna användas som en RGB-laser för displaysystem, varvid endast en enstaka pumpkälla används och alla tre färgerna utbreder sig i samma stràle.

YVO4 kan fungera både som ett kvasi-trenivå för- stärkningsmaterial, som ger strålning vid 914 nm, och som ett fyrnivå förstärkningsmaterial, som ger strålning vid 1064 nm och/eller vid 1340 nm. Materialet uppvisar även stark absorption vid omkring 808 nm, varvid detta är en lämplig pumpváglängd. Så som är känt inom teknikområdet, bestämmer utformningen av den resonanta laserkaviteten vilken våglängd som förstärks inuti kaviteten. Således är Nd:YYO4 en speciellt föredragen typ av förstärkningsmate- rial. , I föredragna utföringsformer av uppfinningen utnytt- jas frekvenskonverteringselement i form av kvasifasmat- lO 15 20 25 30 35 526 958 6 chande kristaller (QPM-kristaller). Exempel på QPM- kristaller är periodiskt polade kristaller av kalium- titanyl-fosfat (KTP), litiumniobat (LN) och litiumtanta- lat (LT). Kristallisomorfer av KTP skulle också kunna an- vändas, varvid K har helt eller delvis bytts ut mot rubi- dium eller cesium, och/eller P har helt eller delvis bytts ut mot arsenik (RTP, RTA, CTA etc.). QPM-kristaller för frekvenskonvertering ger en hög effektiv icke- linjäritet, vilket är en fördel vad gäller erhållande av tillräcklig konverteringseffektivitet för måttliga inten- siteter hos de växelverkande strålarna. QPM medger dess- utom ”walk off”-fri växelverkan mellan godtyckliga våg- längder, och förhindrar sålunda spatial separering av de olika vàglängdskonverterade strålarna. I .

Eftersom QPM inte förlitar sig på dubbelbrytning i den icke-linjära kristallen, kan dessutom fler än en fre- kvenskonverteringsprocess erhållas i en enstaka kristall genom att man anordnar fler än ett QPM-gitter i samma kristall. Dessa QPM-gitter är då belägna efter varandra i utbredningsriktningen, och har gitterperioder som är lämpliga för de önskade, icke-linjära processerna. Anta- let icke-linjära element kan alltså reduceras till endast ett, varigenom antalet optiska högkvalitetsgränsytor i arrangemanget minskas. Detta i sin tur minskar de över- gripande förlusterna och ökar effektiviteten hos arrange- manget. En annan positiv effekt av detta är att arrange- manget blir billigare att producera, eftersom antalet (kostsamma) högkvalitativa, optiska beläggningar minskas.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Uppfinningens olika särdrag och fördelar kommer att belysas i den följande utförliga beskrivningen av före- dragna utföringsformer. I beskrivningen hänvisas till de bifogade ritningarna, på vilka: figur 1 schematiskt visar en första utföringsform av uppfinningen, 10 l5 20 25 30 35 ( Fl PJ "\ VD LN CO 7 figur 2 schematiskt visar en andra utföringsform av uppfinningen, och figur 3 schematiskt visar en tredje utföringsform av uppfinningen.

Utförlig beskrivning av uppfinningen En första föredragen utföringsform av uppfinningen visas schematiskt i figur l. Arrangemanget innefattar en första resonant laserkavitet och en andra resonant laser- kavitet, som allmänt anges med hänvisningsbeteckningarna l respektive 2. Den första kaviteten l definieras av en första spegel 9 och en andra spegel 10, och i_denna kavi- tet finns det anordnat ett första förstärkningselement 4.

På liknande sätt definieras den andra kaviteten 2 av en tredje spegel ll och en fjärde spegel 12, och i den andra kaviteten finns det anordnat ett andra förstärkningsele- Den första kaviteten 1 ärggeometriskt vikt med hjälp av en stråldelare 8, i detta fall en dikroisk spe- gel. En enstaka pumpkälla i form av en laserdiod 3 ger pumpstrålning för både det första och det andra förstärk- ment 5. ningselementet 4, 5. Så som visas är arrangemanget utfor- mat för longitudinell pumpning, vilket innebär att pumpstràlen ligger på samma linje~som de laserstràlar som genereras i respektive kavitet. I den andra kaviteten 2 finns det åstadkommer en första optiskt icke-linjär regi- on 6, som är anordnad för summafrekvensblandning av den strålning som genereras i nämnda första kavitet och den strålning som genereras i nämnda andra kavitet. I den andra kaviteten 2 finns det åstadkommet en andra optiskt icke-linjär region 7, som är anordnad för frekvensdubb- ling av den strålning som genereras i nämnda andra kavi- tet. 4 Så som schematiskt visas i figuren, är den första' icke-linjära regionen, vilken är anordnad för summafre- kvensblandning av,strålningen från de tvâ kaviteterna, belägen närmare förstärkningselementen än den andra icke- linjära regionen. Anledningen till detta är att strål- 10 15 20 25 30 35 C'| PJ Ch \O (N CO 8 ningen från den första kaviteten skall ha minsta möjliga strålstorlek för att den icke-linjära processen skall vara så effektiv som möjligt.

Både det första och det andra förstärkningselementet skall vara placerade nära pumpstrålningens fokus. Av praktiska skäl finns därför strålformande optik 13 anord- nad intill pumpkällan 13.

De icke-linjära regionerna 6 och 7 utgörs i denna utföringsform av kvasifasmatchande gitter (QPM-gitter).

Sà som har nämnts ovan, har QPM-gitter vissa fördelaktiga egenskaper som bidrar till prestandan hos det uppfin- ningsenliga laserarrangemanget. Dessa QPM-gitter är im- plementerade i form av periodiskt polade KTP-kristaller.

De två regionerna skulle kunna vara bildade i separata KTP-element, eller vara bildade som två på varandra föl- jande regioner i samma fysiska KTP-kristall. Genom att man har de två icke-linjära regionerna bildade i ett ge- mensamt kristallelement, minskas antalet optiska gräns- ytor i arrangemanget, vilket minskar dess komplexitet och kostnad. ¿ Den andra spegeln 10 och den tredje spegeln ll skul- le med fördel kunna vara utformade som en enstaka di- elektrisk beläggning avsatt pà förstärkningselementet 4 eller 5. Pâ detta sätt säkerställs ytterligare utbredning längs samma axel för de fundamentala strålar som skapas i de tvà kaviteterna.

Förstärkningselementen 4 och 5 som utnyttjas i denna första utföringsform skulle kunna vara godtyckliga, op- tiskt pumpbara förstärkningselement. I en implementering utgörs det ena av eller bägge förstärkningselementen 4 och 5 av optiskt pumpbara halvledarelement. Sådana halv- ledarelement skulle till exempel kunna vara ytemitterande (VCSEL:s) eller kantemitterande lasrar. I en annan implementering skulle det ena av eller vertikalkavitetslasrar bägge förstärkningselementen kunna utgöras av värdmateri- al av fastatillståndskristaller dopade med ett aktivt ma- terial. 10 15 20 25 30 35 526 938 9 I en föredragen implementering utgörs bägge för- stärkningselementen av Nd:YVO4, varvid den första kavite- ten 1 är utformad för att befrämja laseremission vid 914 nm och den andra kaviteten 2 är utformad för att be- främja laseremission vid 1064 nm. Så som är känt av fack- mannen, åstadkommes laserverkan för en önskad laseröver- gång i förstärkningsmaterialet genom att man utformar ka- viteterna att ha lämpliga förluster för oönskade vågläng- der medan de ändå ger tillräcklig återkoppling för den önskade våglängden. Frekvenskonverterad strålning genere- ras alltså vid 491 nm (summafrekvensblandning av nämnda två våglängder) och vid 532 nm (frekvensdubbling av 1064 nm).

Så som framgår av figuren är bägge de icke-linjära regionerna belägna i den andra kaviteten 2, Ingen funda- mental strålning vid 1064 nm behöver sålunda emitteras från den andra kaviteten. Istället är den fjärde spegeln 12 utformad så att den släpper igenom de genererade, fre- kvenskonverterade våglängderna vid 491 nm och 532 nm. Ef- tersom den fundamentala strålningen vid 1064 nm som gene- reras i den andra kaviteten 2 är involverad i bägge de icke-linjära processerna, utbreder sig de två frekvens- konverterade strålarna automatiskt tillsammans i en en- staka stràle.

Vikning av den första kaviteten 1 med hjälp av stråldelaren 8 har den fördelen avv denna kavitet blir (företrädesvis längre än omkring l cm). Genom att förbättras stabiliteten för la- längre denna kavitet är längre, serverkan i denna kavitet_väsentligt.

En andra utföringsform av föreliggande uppfinning visas schematiskt i figur 2. I denna utföringsform är även den andra kaviteten 2 vikt med hjälp av en ytterli- gare vikspegel l3.\De två icke-linjära regionerna 6 och 7 kan nu placeras i olika grenar av kaviteten. Såsom för den första utföringsformen, utförs summafrekvensblandning i den icke-linjära region 6 som ligger närmast förstärk- ningselementen 4 och 5. Frekvensfördubblingen som åstad- 10 15 20 25 30 35 526 938 10 kommes av den andra icke-linjära regionen 7 sker emeller- tid nu i en annan gren av kaviteten. Detta medför den fördelen att den genererade, frekvensdubblade strålningen kan komma ut från kaviteten (genom spegeln 12 och/eller genom vikspegeln 13), så att den inte kommer in i för- stärkningsmaterialen. Det är känt att närvaron av en fre- kvens motsvarande dubbla frekvensen för en laserövergàng i förstärkningselementen kan ha en försämrande effekt på laserverkan.

En tredje utföringsform av föreliggande uppfinning visas schematiskt i figur 3. Denna utföringsform skiljer sig från de som har beskrivits tidigare i det att inga stråldelare eller vikspeglar finns anordnade. Den tredje utföringsformen är således ett linjärt arrangemang. Den första spegeln 9 är deponerad på en ändyta av förstärk- ningselementet 4, den andra och den tredje spegeln 10, ll utgörs båda av en enstaka dielektrisk beläggning på en ändyta av förstärkningselementet 5, och den fjärde spe- geln 12 är deponerad på en ändyta av det icke-linjära elementet 7. Det är emellertid också tänkbart att man lå- ter dessa speglar vara separata element.

I ännu en utföringsform (visas ej på ritningarna), skulle en tredje icke-linjär region kunna åstadkommas i den första kaviteten, för frekvensdubbling av den funda- mentala strålningen från denna kavitet. I fallet då för- stärkningselementen utgörs av Nd:YVO4 blir det då möjligt att skapa strålning även vid 457 nm. Detta ger ännu en laserlinje som kan ersätta de våglängder som erhålles från den traditionella Ar jon-lasern.

Det skall noteras att, trots de våglängder som har hänvisats till i beskrivningen av utföringsformer ovan, andra våglängder också skulle kunna skapas i ett arrange- mang enligt föreliggande uppfinning. I fallet med Nd:YVO4 som förstärkningsmaterial skulle exempelvis en av kavite- terna kunna vara utformad för att befrämja laserverkan vid laserlinjen vid 1340 nm. Frekvensdubbling av denna strålning skulle då ge ljus vid 670 nm. io 526 938 ll I en modifiering av den andra utföringsformen, kan man dessutom ha bägge de icke-linjära regionerna 6 och 7 placerade mellan vikspegeln 13 och den fjärde spegeln 12.

Så som har beskrivits ovan, skulle dessa regioner kunna vara bildade som två regioner i ett gemensamt element, utan några optiska gränsytor dem emellan.

Fastän föreliggande uppfinning huvudsakligen syftar till att åstadkomma samtidig emission vid åtminstone två våglängder inom den synliga delen av spektrumet, inses det att arrangemanget enligt uppfinningen också skulle kunna användas för generering av andra våglängder. e

Claims (10)

10 l5 20 25 30 35 f.- QÉÉÖ É?38 12 PATENTKRAV

1. l. Laserarrangemang, innefattande: en första resonant laserkavitet (l), ett första optiskt pumpbart förstärkningselement (4) som är beläget i nämnda första kavitet för generering av en första fundamental våglängd, en andra resonant laserkavitet (2), ett andra optiskt pumpbart förstärkningselement (5) som är beläget i nämnda andra kavitet för generering av en andra fundamental våglängd, I en pumpkälla (3) som är anordnad att optiskt pumpa både det första (4) och det andra (5) förstärkningsele- mentet, A ' _ en första optiskt icke-linjär region (6) som är an- ordnad för summafrekvensblandning av den strålning som genereras i nämnda första resonanta kavitet (1) och den strålning som genereras i nämnda andra resonanta kavitet (2), en andra optiskt icke-linjär region (7) som är an- ordnad för frekvensfördubbling av den strålning som gene- (2), varvid nämnda första och andra icke-linjära regioner reras i nämnda andra resonanta kavitet bägge är belägna i nämnda andra resonanta kavitet.

2. Arrangemang enligt krav I, vidare innefattande en stråldelare (8) för geometrisk vikning av nämnda första (1), belägen mellan nämnda pumpkälla (3) och nämnda förstärk- ningselement (4, 5), så att pumpstràlning som emitteras resonanta kavitet varvid nämnda stråldelare (8) är av pumpkällan (3) passerar nämnda stråldelare (8) innan den kommer in i förstärkningselementen. A

3. _Arrangemang enligt krav 1, varvid åtminstone en av nämnda optiskt icke-linjära regioner innefattar ett kva- sifasmàtchande gitter. 10 15 20 25 30 35 th BJ Ch .O :Q -O 13

4. Arrangemang enligt krav 3, varvid var och en av nämnda optiskt icke-linjära regioner utgörs av kvasifas- matchande gitter som är belägna i ett enstaka element.

5. Arrangemang enligt krav 1, varvid åtminstone ett av nämnda förstärkningselement är ett optiskt pumpbart halv: ledarelement.

6. Arrangemang enligt krav l, varvid åtminstone ett av nämnda förstärkningselement är ett Nd-dopat fastatills- :àndselement valt bland Nanfvoh NdflAG, NdnøLF, Ncncvo., och Ndzglas. ~

7. Arrangemang enligt krav 6, varvid vart och ett av nämnda förstärkningselement utgörs av Nd:YVO¿, och varvid den första resonanta kaviteten (1) är anpassad för gene- rering av en fundamental våglängd_pà 914 nm och den andra resonanta kaviteten (2) är anpassad för generering av en fundamental våglängd på 1064 nm.

8. Arrangemang enligt krav 1, vidare innefattande en tredje optiskt icke-linjär region som är anordnad för frekvensfördubbling av den strålning som genereras i den första resonanta kaviteten (1).

9. Arrangemang enligt krav É eller 4, varvid de optiskt icke-linjära regionerna utgörs av en periodiskt polad kristall av KTP.

10. Arrangemang enligt något av föregående krav, varvid en dielektrisk beläggning är anordnad på en ändyta av ett av förstärkningselementen (4, 5), varvid nämnda belägg- ning utgör en kavitetsspegel för både den första (1) och den andra (2) resonanta kaviteten.