SE529628C2 - Frekvensstabiliserad laserkälla - Google Patents

Description

25 30 35 529 628 2 kvens, dvs. att bygga en enkelfrekvenslaser. Enkelfre- kvens betyder att endast en longitudinell mod tillåts os- cillera i den optiska resonatorn. En anledning till att göra en sådan enkelfrekvenslaser är att många praktiska tillämpningar kräver, eller skulle dra fördel av, en lång tidskoherenslängd för laserkällan. För en enkelfrekvens- laser kan koherenslängden typiskt vara 10 meter eller mer. En annan anledning är att intrakavitär frekvensför- dubbling av en fundamental lasersignal som har ett fler- tal longitudinella moder typiskt leder till det så kalla- de grönproblemet (”green problem”), eller ”grönt brus”.

Grönt brus manifesterar sig i stora och oregelbundna in- tensitetsvariationer i utsignalen från lasern på grund av förstärkningskonkurrens mellan intilliggande lasermoder.

Sådana intensitetsvariationer är normalt högst oönskade.

I syfte att tillverka en typisk DPSSL med en Fabry- Perot-kavitet för stående våg singelmod (enkelfrekvens), kan spektrala filter användas, vilka introducerar väsent- liga förluster för alla utom den önskade longitudinella moden hos lasern. Föreliggande uppfinning hänför sig till denna typ av laserkällor med singelmod, varvid det spek- trala filtret är ett filter av Lyot-typ.

I dess enklaste form består ett Lyot-filter av ett dubbelbrytande (birefringent) material och ett polarise- rande element. Det dubbelbrytande materialet ändrar pola- risationstillståndet för det resonanta fältet för alla longitudinella moder, och på grund av den spektrala dis- persionen hos materialet kommer olika moder att uppleva olika ändringar av polarisationstillstàndet. En linjär polarisation som infaller mot det dubbelbrytande materia- let kommer typiskt att leda till polarisationstillstånd efter passage av detta material som går från ortogonalt linjär till elliptisk eller cirkulär, beroende på våg- längden för respektive longitudinell mod. Det polarise- rande elementet används sedan för att introducera förlus- ter för alla utom den önskade moden. Polarisatorn är ty- piskt placerad och vriden så att en linjärt polariserad, 10 15 20 25 30 35 529 628 3 longitudinell mod kommer att passera i stort sett opåver- kad genom polarisatorn, och kommer sålunda att uppleva mycket låga förluster, medan andra moder kommer att bli tillräckligt undertryckta för att deras oscillation skall undvikas. Därmed kommer endast en longitudinell mod inom laserns förstärkning att se tillräckligt låga förluster för att kunna oscillera och ge utmatning av laserljus.

En allmän strävan vid konstruktion av DPSSL:er är att erhålla en laserkälla som är okänslig för ändringar i omgivningens temperatur, som innehåller minsta möjliga antal element, och som ger stabil utsignal vid den önska- de våglängden.

Stabilitetsproblem kan också orsakas av spatial hål- bränning (”spatial hole-burning”) i laserns förstärk- ningsmaterial. Sá som är allmänt känt inom teknikområdet, används uttrycket ”spatial hålbränning" för det fenomenet att förstärkningen blir icke likformigt fördelad längs utbredningsriktningen igenom förstärkningsmaterialet på grund av utarmning av förstärkningen för den lasrande mo- den. Om någon konkurrerande mod är så spektralt skiftad att dess ståendevågmaximum är separerat från det för den lasrande moden, kan den uppleva en högre förstärkning än den önskade lasermoden. Mod-hopp till en sådan konkurre- rande mod kan då bli det oönskade resultatet.

Den tidigare tekniken har föreslagit vissa DPSSL:er som innefattar filter av Lyot-typ för erhållande av sing- elmodutsignal.

US-5164947 visar en enkelfrekvens, frekvensfördubb- lad laser, varvid ett ickelinjärt material av KTP används både för frekvensfördubblingen och som det dubbelbrytande materialet i ett Lyot-filterarrangemang. Kristallen av KTP är utformad för fasmatchning enligt Typ-II, där de samverkande vågorna har ortogonala polarisationer. Den effektiva längden för KTP-kristallen avstäms med tempera- tur så att den blir en heltalsmultipel av halva den fun- damentala våglängden. Lasern innefattar också en Brews- ter-platta eller en polariserande reflektor, som tillsam- 10 15 20 25 30 35 mans med KTP-kristallen bildar ett filter av Lyot-typ för att välja ut en longitudinell mod för oscillation. En ut- föringsform som exemplifieras är en laser som genererar grönt ljus vid 532 nm genom frekvensfördubbling av en Nd:YAG-laser med en fundamental våglängd på 1064 nm.

US-5381427 visar en singelmodlaser som har ett Lyot- filter för att göra emissionen singelmod. Den dubbelbry- tande kristallen som innefattas i Lyot-konfigurationen är vriden (orienterad) med sina optiska axlar i en vinkel på 45 grader med avseende på den polarisationsriktning som skapas av en polarisator. I syfte att erhålla drift vid singelmod, är den dubbelbrytande kristallen noggrant kon- figurerad så att den ordinära stràlen och den extraordi- nära strålen som passerar igenom denna dubbelbrytande kristall har lika höga förluster.

Sammanfattning I dess mest allmänna mening ger föreliggande uppfin- ning förbättrad stabilitet i en intrakavitärt frekvens- konverterad, diodpumpad fastatillståndslaser (DPSSL).

Förbättrad stabilitet i enlighet med denna uppfinning er- håller genom de kombinerade effekterna av ett antal nog- grant optimerade designöverväganden. I allmänhet är det föredraget att utnyttja ett förstärkningsmaterial som har anisotrop förstärkning, i syfte att ytterligare förbättra polarisationsstabiliteten för lasern.

- Laserns förstärkningsmaterial skall företrädesvis vara kort längs utbredningsriktningen för den genererade laserstràlningen. Detta underlättas genom att man har ett förstärkningsmaterial med hög förstärkning och kort ab- sorptionslängd för pumpstrålningen. Ett speciellt före- draget förstärkningsmaterial är neodymdopat yttrium- (Nd:YVO4).

- Laserkaviteten bör ha en vikt geometri, varvid en ortovanadat vikspegel ger de kombinerade funktionerna att verka som en polarisator och en utkopplingsspegel för den frekvens- konverterade strålningen. Vikspegeln ger alltså polarisa- lO 15 20 25 30 35 529 628 5 tionsdiskriminering, åtminstone i viss grad, genom att den har en högre reflektivitet för den föredragna polari- sationsriktningen jämfört med för varje oönskad polarisa- tionsriktning. Det skall emellertid noteras att vikspe- gelns polarisationsdiskriminerande förmåga inte behöver vara särskilt uttalad, eftersom ytterligare polarisa- tionsfiltrering ges i laserkaviteten, vilket kommer att förklaras nedan.

- Det dubbelbrytande materialet för Lyot-arrange- manget är kombinerat till samma element som det ickelin- Detta le- der till färre element för det övergripande laserarrange- manget och sålunda till enklare sammansättning och upp- linjering. Det dubbelbrytande materialet bör vara anord- jära materialet som ger frekvenskonverteringen. nat i en annan gren av den resonanta kaviteten än den i vilken förstärkningsmaterialet är placerat. Genom placer- ing av förstärkningsmaterialet och det dubbelbrytande ma- terialet för Lyot-arrangemanget i olika grenar av den vikta kaviteten, kan stabiliteten hos laserns utsignal förbättras ytterligare, vilket kommer att visas nedan.

- Ett ytterligare polariserande element, så som ett Brewster-fönster eller någon annan typ av polarisator, är anordnad i den resonanta kaviteten mellan det dubbelbry- tande materialet och ändspegeln i aktuell gren av kavite- ten. Närmare bestämt har det dubbelbrytande materialet på sin ena sida kavitetens vikspegel, och på sin andra sida en av kavitetens ändspeglar. Detta arrangemang för ele- menten kommer att leda till en fördubbling av Lyot-fil- terarrangemangets fria spektralomfàng FSR (”Free Spectral Range"), vilket kommer att förklaras mer utförligt nedan.

Vidare har den tidigare tekniken inte på tillbörligt sätt angripit den situationen där en periodiskt polad, ickelinjär kristall utnyttjas för frekvenskonverteringen i laserns resonanta kavitet. När man använder kvasi- fasmatchad frekvenskonvertering i en periodiskt polad kristall som är placerad i den resonanta kaviteten, kom- mer exempelvis en ordinär stråle och en extraordinär 10 15 20 25 30 35 529 628 6 stråle alltid att uppleva olika förluster på grund av det faktum att kvasifasmatchning är en process av Typ-I i vilken vågor med samma polarisation deltar i den ickelin- jära processen, vilket sålunda leder till en ickelinjär förlust för endast en av dessa strålar.

Föreliggande uppfinning ger mångsidig och effektiv generering av synligt ljus från en DPSSL, varvid kvasi- fasmatchning i en periodiskt polad, ickelinjär kristall används för den ickelinjära processen och ett filter av Lyot-typ har till uppgift att ge singelmoddrift.

Speciellt kan den dubbelbrytande kristallen vara en periodiskt polad KTP-kristall med en gitterperiod som är utformad för generering av grönt ljus genom frekvensför- dubbling av en fundamental våg i vàglängdsomràdet 1,0 - 1,1 um. Lasern enligt uppfinningen ger då stabil genere- ring av grönt ljus med enkelfrekvens, varvid man sålunda väsentligen har eliminerat det ökända ”grönproblemet”.

Det bör emellertid inses att godtycklig ickelinjär bland- ning kan åstadkommas med utföringsformer av föreliggande uppfinning.

Uppfinnarna har identifierat och löst problemet med ickelikformiga förluster för den ordinära och den extra- ordinära stràlen i den ickelinjära kristallen som uppstår för kvasi-fasmatchad frekvenskonvertering. I syfte att underlätta effektiv, de ickelinjära förluster som uppkommer för en av dessa stabil drift av lasern, balanseras strålar som en följd av frekvenskonverteringen genom ett avsiktligt införande av likadana förluster även för den stràle som inte deltar i den ickelinjära processen. Prin- ciperna bakom detta kommer att förklaras ytterligare i den utförliga beskrivningen som följer.

Dessutom är det föredraget i enlighet med förelig- gande uppfinning att man använder ett laserförstärknings- material som har anisotropa förstärkningsegenskaper, dvs. att en polarisationsriktning föredras framför andra pola- risationsriktningar i förstärkningsmaterialet. Ett mycket passande lasermaterial för detta ändamål är Nd:YVO4. Ge- 10 15 20 25 30 35 529 628 7 nom användning av ett anisotropt förstärkningsmaterial av detta slag, stabiliseras polarisationstillståndet i la- serkaviteten ytterligare. Så som kommer att beskrivas mer utförligt nedan, är de element som inkluderas i den reso- nanta kaviteten, så som det dubbelbrytande materialet och Brewster-plattan, arrangerade och placerade så att det favoriserade polarisationstillståndet vid förstärknings- materialet väsentligen motsvarar riktningen för den högs- ta förstärkningen i förstärkningsmaterialet.

En fördel med föreliggande uppfinning som framkommer är att antalet diskreta element i laserarrangemanget kan reduceras till ett minimum. Detta är fördelaktigt även från kommersiell synvinkel, eftersom tillverkning kan gö- ras enklare och billigare, och eftersom stabilitet och avstämning av lasern underlättas betydligt. Färre kompo- nenter att upplinjera och sätta samman bidrar också till framgångsrik masstillverkning.

En annan fördel med föreliggande uppfinning är att den allmänna laserutformningen lämpar sig för generering av en mängd olika våglängder, eftersom användningen av en periodiskt polad kristall för frekvenskonverteringen med- ger fasmatchning av godtyckliga våglängder inom kristall- materialets transmissionsområde. Endast mindre ändringar av designen behövs för att tillåta andra utsignalvågläng- der. Fackmannen kommer lätt att förstå hur detta skall implementeras efter att ha läst och förstått denna be- skrivning.

Ytterligare förbättringar av polarisationsstabilite- ten för lasern kan erhållas genom att man använder en vikt geometri för lasers resonator, varvid en vikspegel med olika reflektivitet för olika polarisationsriktningar utnyttjas. Den polarisationsriktning som är vinkelrät mot det plan som definieras av den vikta kaviteten kommer ty- piskt att uppleva de lägsta förlusterna i kaviteten, och kommer sålunda att förstärkas ytterligare för oscilla- tion. 10 15 20 25 30 35 529 628 8 Det bör också inses att medan hela den ickelinjära kristallen fungerar som dubbelbrytande material för Lyot- konfigurationen, skulle mindre än dess fulla längden av denna kristall kunna vara periodiskt polad för frekvens- konvertering. På detta sätt kan den ideala, ickelinjära frekvenskonverteringen (dvs. de ickelinjära förlusterna för den fundamentala vågen i kaviteten) optimeras obero- ende av den avpolarisering som krävs för Lyot-konfigura- tionen.

Kortfattad beskrivning av ritningarna I den utförliga beskrivningen som följer kommer det att hänvisas till de bifogade ritningarna, på vilka: Figur l schematiskt visar en föredragen implemente- ring av föreliggande uppfinning, Figur 2 visar relativa intensiteter för ett antal longitudinella moder i en resonant kavitet som funktion av avstämning av Brewster-plattan, Figur 3 är en förstorad vy över ett parti av figur 2, Figur 4 visar relativa intensiteter för olika våg- längder vid fast inställning av Brewster-plattan.

Utförlig beskrivning av utföringsformer För att man till fullo ska inse principerna bakom föreliggande uppfinning, är det användbart med en förstå- else av filtret av Lyot-typ i samband med en frekvenskon- verterad DPSSL. Inledningsvis kommer Lyot-filtret att kortfattat förklaras.

Principen bakom Lyot-filtret är baserad på polarisa- tionsvridning (eller ändring eller ”avpolarisering”) ge- nom att ljuset skickas genom ett dubbelbrytande material.

Dispersion i det dubbelbrytande materialet leder till olika polarisationsändringar för olika våglängder av in- fallande ljus. För ett Lyot-filter som är placerat inuti laserns resonanta kavitet, innebär detta att olika longi- tudinella moder hos lasern kommer att uppleva olika pola- 10 15 20 25 30 35 529 628 9 risationsändringar på grund av utbredningen genom det dubbelbrytande materialet. I Lyot-filterarrangemanget in- nefattas ocksà någon form av polarisator, vilken kommer att introducera olika förluster beroende pà polarisa- tionstillståndet för infallande ljus. En polarisator kom- mer typiskt att släppa igenom väsentligen allt ljus med ett visst polarisationstillstànd, medan det inför förlus- ter för alla andra polarisationstillstånd. Ett exempel pà en polarisator är en Brewster-platta, som har i stort sett full transmission (inga förluster) för en våg som är linjärt polariserad parallellt med infallsplanet. Ett så- dant polarisationstillstånd har en komponent i den orto- gonala riktningen (vinkelrätt mot infallsplanet) med be- loppet noll (saknar med andra ord en komponent vinkelrätt mot infallsplanet). Alla andra polarisationstillstånd har en komponent skild från noll vinkelrätt mot infallspla- net. Varje polarisationstillstànd som har en nollskild polarisationskomponent vinkelrätt mot infallsplanet mot Brewster-plattan kommer att uppleva högre förluster än det polarisationstillstånd som är linjärt polariserat pa- rallellt med infallsplanet. I en laserresonator kommer ett sådant polarisationstillstånd att favoriseras för os- cillation tack vare laserns ”regenerativa” natur.

För ljus som passerar igenom det dubbelbrytande ma- terialet kommer det att finnas en eller flera longitudi- nella moder för vilka den övergripande effekten är att polarisationstillståndet är väsentligen opåverkat (dvs. ljus kommer in i och lämnar det dubbelbrytande materialet i samma polarisationstillstånd). Dessa är normalt de mo- der som fås att passera polarisatorn utan dämpning.

Det dubbelbrytande materialet kan emellertid ha en effektiv längd sådan att två eller flera longitudinella moder med olika polarisationstillstånd som infaller mot det dubbelbrytande materialet är ändrade efter passage till ett polarisationstillstånd som kommer att passera polarisatorn väsentligen utan dämpning. Vid passage till- baka igenom det dubbelbrytande materialet, kommer dessa 10 15 20 25 30 35 ' 529 623 10 longitudinella moder (som nu har samma polarisationstill- stånd) att transformeras tillbaka till olika polarisati- onstillstånd. Två longitudinella moder med ortogonala, linjära polarisationer före passage av det dubbelbrytande materialet kan exempelvis bägge komma ut från det dubbel- brytande materialet med ett linjärt polarisationstill- stånd som passerar i stort sett utan dämpning igenom det polariserande elementet (Brewster-fönster). Efter den andra passagen av det dubbelbrytande materialet, under utbredning i den motsatta riktningen, kommer dessa två longitudinella moder att transformeras tillbaka till två ortogonala polarisationstillstånd. Enligt föreliggande uppfinning användes därför ytterligare polariserings- verkan vid vikspegeln. På detta sätt tvingas det oscille- rande fältet i den resonanta kaviteten till ett polarisa- tionstillstånd som medges av både vikspegeln och polari- satorn (sä som ett Brewster-fönster). Därmed dubbleras det fria spektralomfånget (”free spectral range”) för Lyot-arrangemanget. Så som kommer att inses av fackman- nen, kan en spegel för icke-vinkelrätt infall utformas så att dess reflektivitet är maximal för en polarisation (typiskt en polarisation som är vinkelrät mot infallspla- net) piskt en polarisation som är parallell med infallspla- och samtidigt lägre för en annan polarisation (ty- net). Vikspegeln kan sålunda ge polariserande verkan för den våg som oscillerar i den resonanta, optiska kavite- ten.

När en kvasifasmatchande kristall används för effek- tiv frekvenskonvertering inuti den resonanta kaviteten hos en laser, behöver särskilda åtgärder vidtas för att också ett frekvensfilter av Lyot-typ skall kunna införli- vas för erhållande av singelmod-oscillation. Den tidigare 'tekniken har beskrivits hur ett filter av Lyot-typ kan användas i frekvenskonverterande lasrar där den ickelin- jära processen förlitar sig på fasmatchning av Typ-II.

Vid fasmatchning av Typ-II samverkar två vågor med inbör- des ortogonala polarisationer för skapande av den fre- lO 15 20 25 30 35 529 628 ll kvenskonverterade vågen. I fallet med frekvensfördubb- ling, tas lika mängd energi sålunda från bägge de ortogo- nala vågorna (den ordinära och den extraordinära strålen) under den ickelinjära processen. Kvasifasmatchning vid ickelinjära processer utnyttjar emellertid vågor med pa- rallella polarisationer för konverteringsprocessen. I ljuskällor enligt den kända tekniken som innefattar kva- sifasmatchad frekvenskonvertering, har de fundamentala vågorna typiskt varit polariserade längs den ickelinjära kristallens z-axel, i syfte att dra fördel av den högsta ickelinjära koefficienten i det ickelinjära materialet, vilket typiskt sker för ljus som är polariserat längs z- i KTP).

Föreliggande uppfinning möjliggör en frekvenskonver- axeln (t.ex. terad laser i vilken den ickelinjära kristallen också an- vänds som det dubbelbrytande elementet i ett filterarran- gemang av Lyot-typ. För att detta ska fungera måste den fundamentala vågen som skall filtreras av Lyot-filtret vara polariserad på ett sådant sätt att två olika bryt- ningsindex upplevs. Som ett exempel, kan den fundamentala vågen vara linjärt polariserad i en vinkel på 45 grader med avseende på de optiska axlarna hos den ickelinjära kristallen. I ett sådant fall kommer den fundamentala vå- gen att ge upphov till två ortogonala polarisationer när man tar den ickelinjära kristallens optiska axel som re- ferens. Den infallande vågen, som är linjärt polariserad i 45 grader med avseende på den optiska axeln (z-axeln) hos det ickelinjära elementet kan beskrivas av en första och en andra polarisationskomponent (den ordinära och den extraordinära strålen), varvid den första är parallell med den optiska axeln och den andra är ortogonal mot den optiska axeln hos det ickelinjära elementet. Under en en- staka passage igenom det ickelinjära elementet kommer den fundamentala vågen att uppleva en ickelinjära förlust i den första komponenten (som är parallell med den optiska axeln och därför deltar i frekvenskonverteringen). Även om det ickelinjära elementet har en effektiv längd som är 10 15 20 25 30 35 529 623 12 lika med ett helt antal halva våglängder för den funda- mentala vågen, så att den våg som kommer ut från det ickelinjära elementet är linjärt polariserad, na linjära polarisation inte att vara parallell med den Det införs alltså en vridning kommer den- infallande polarisationen. av den linjära polarisationen på grund av det faktum att en av polarisationskomponenterna (dvs. den första kompo- nenten som beskrivs ovan) har upplevt en förlust.

Ovan beskrivna vridning av den linjära polarisatio- nen även vid ”ideal” avstämning av det dubbelbrytande elementet i Lyot-filtret är ett problem som inte till fyllest har bemötts i den tidigare tekniken. Denna typ av polarisationsvridning är en följd av att man använder en periodiskt polad kristall för frekvenskonverteringen, i vilken två vågor med samma polarisation samverkar.

I enlighet med föreliggande uppfinning kompenseras polarisationsvridningen av genom att det polariserande elementet är konstruerat och anordnat så att det introdu- cerar ytterligare förluster för den andra polarisations- komponenten (dvs. den polarisationskomponent som inte har utsatts för några ickelinjära förluster i det ickelinjära elementet). Efter en rundtripp genom det ickelinjära elementet och det polariserande elementet har den första polarisationskomponenten för den fundamentala vågen ut- satts för dubbla den enkelvägsförlust som införs av det ickelinjära elementet. Enligt föreliggande uppfinning är det polariserande elementet utformat så att det inför en likadan förlust för den andra polarisationskomponenten.

Effekten av det polariserande elementet kan också beskrivas enligt följande. Antag att en linjärt polarise- rad våg med fundamentalt ljus skickas in i det ickelinjä- ra elementet med polarisationsriktningen 45 grader i för- hållande till det ickelinjära elementets z-axel. Under utbredningen igenom det ickelinjära elementet kommer den första komponenten av det infallande ljuset (dvs. den komponent som är parallell med det ickelinjära elementets z-axel) att uppleva en amplitudminskning, eftersom effekt 10 15 20 25 30 35 529 628 13 tas fràn denna polarisationskomponent av den fundamentala vågen och kopplas in i den frekvenskonverterade vågen.

Den fundamentala vägens favoriserade, longitudinella mod (våglängd) kommer alltså att lämna det ickelinjära ele- mentet efter en enstaka passage i ett polarisationstill- stånd som är linjärt, med vridet ”bort” från det ickelin- jära elementets z-axel. Med andra ord kommer det ljus som lämnar det ickelinjära elementet att ha en linjär polari- sation i en vinkel som är större än 45 grader i förhål- lande till z-axeln. Om ljus med denna polarisation skulle passera det ickelinjära elementet ännu en gång, skulle polarisationen vridas ännu mer. I syfte att kompensera för denna effekt, är det polariserande elementet i den resonanta kaviteten i enlighet med uppfinningen utformat och orienterat så att det introducerar en avsiktlig, re- lativ förlust för den andra polarisationskomponenten jäm- fört med den första komponenten. En första passage igenom det polariserande elementet kommer därmed att återställa polarisationen till det initiala tillståndet, och en and- ra passage (efter att ha reflekterats från en av kavite- tens speglar) kommer att "förbetona” polarisationstill- ståndet så att den första komponenten nu har en högre amplitud än den andra komponenten. När detta förbetonade ljus passerar det ickelinjära elementet en andra gång, sänks den första komponentens större amplitud på grund av den ickelinjära förlusten, och den samlade effekten är att den fundamentala vågen, efter en rundtripp, kommer tillbaka till förstärkningselementet med samma polarisa- tionstillstànd som den initialt hade.

En utföringsform av föreliggande uppfinning utnytt- jar således den idén att införa ytterligare förluster för den polarisationskomponent som inte deltar i den ickelin- jära processen, så att de sammantagna förlusterna för en rundtripp är lika för de två polarisationskomponenterna.

Detta leder till en stabil, singelmod, frekvenskonverte- rad laserkälla. 10 15 20 25 30 35 529 628 14 Med föreliggande uppfinning minimeras modkonkurrens på grund av spatial hålbränning genom användning av ett fastatillstàndsförstärkningsmaterial med hög dopningsni- vå. Tack vare den höga dopningsnivàn, kan förstärknings- materialet göras förhàllandevis kort längs den optiska axeln för den resonanta kaviteten, och fortfarande absor- bera en tillräcklig mängd av pumpljuset för att ge effek- tiv laserverkan. En av kavitetsspeglarna är företrädesvis applicerad direkt pà en ändyta av förstärkningsmateria- let. Genom att man har ett kort förstärkningsmaterial med förhållandevis hög förstärkning, kommer eventuell utarm- ning av förstärkningen att vara väsentligen lika för alla moder inom förstärkningskurvan. Så som kommer att inses av fackmannen på området, erhålles detta genom det faktum att de potentiella kavitetsmoderna ligger väsentligen i fas nära en ändspegel för den resonanta kaviteten. Efter- som eventuell förstärkningsutarmning kommer att vara vä- sentligen densamma för alla potentiella kavitetsmoder, reduceras risken för mod-hopp eller multimodoscillation på grund av spatial hålbränning väsentligt.

Figur l visar schematiskt en föredragen utförings- form av föreliggande uppfinning. Den diodpumpade fasta- tillståndslasern lO som visas i figuren innefattar en första 12 och en andra 14 kavitetsändspegel, som bildar en resonant optisk kavitet. Kaviteten har en vikt geome- tri och innehåller också en vikspegel 16. Inuti kaviteten finns det ett optiskt pumpbart förstärkningsmaterial ll, företrädesvis neodymdopat yttrium-ortovanadat (Nd:YVOU för skapande av en våg av fundamentalt ljus när det pum- pas optiskt. Kavitetens ändspeglar 12 och 14 är så utfor- made att de ger hög reflektion för detta fundamentala ljus. Inuti den resonanta kaviteten finns det även ett ickelinjärt element 13 för konvertering av frekvensen hos det fundamentala ljuset som skapas av förstärkningsmate- rialet ll. I enlighet med föreliggande uppfinning, funge- rar det ickelinjära elementet 13 dessutom som ett dubbel- brytande element för ett frekvensfilter av Lyot-typ. För 10 15 20 25 30 35 529 628 15 att Lyot-filtret skall fullbordas, innehåller den reso- nanta kaviteten även ett polariserande element 15, en Brewster-platta, en polariserande spegel eller liknan- de. Så som visas har den resonanta kaviteten företrädes- vis en vikt geometri, varvid förstärkningsmaterialet 11 är beläget i en gren och det ickelinjära elementet 13 i Genom att ha denna så som en annan gren av den vikta geometrin. typ av vikt geometri, kan frekvenskonverterat ljus som genereras i det ickelinjära elementet 13 extraheras från den resonanta kaviteten med hjälp av vikspegeln 16 utan att passera igenom förstärkningsmaterialet 11. Dessutom innefattar laserarrangemanget som visas i figur 1 en pumpljuskälla 17, så som en diodlaser eller liknande, och vanligen någon form av strålformande optik 18 för form- ning av den emitterade ljusstrålen från pumpkällan 17 till en lämplig stràle för longitudinell pumpning av för- stärkningsmaterialet 11. I den utföringsform som visas i figur 1, är den första kavitetsspegeln 12 en plan spegel som är belagd direkt på förstärkningsmaterialets 11 änd- yta, och den andra kavitetsspegeln 14 är en krökt, sepa- rat spegel.

Den föredragna typen av förstärkningsmaterial 11 för användning med föreliggande uppfinning, och speciellt med Detta är ett förstärkningsmaterial som har anisotropa förstärk- den utföringsform som visas i figur 1, är Nd:YVO4. ningsegenskaper i den meningen att en polarisationsrikt- ning har en högre förstärkning än andra polarisations- riktningar. Förstärkningsmaterialet har formen av ett li- tet chips, typiskt med dimensioner på omkring 2 mm x 2 mm i planet vinkelrätt mot den oscillerande moden i kavite- ten, och en längd på omkring 2 mm. Det skall emellertid noteras att de exakta dimensionerna inte har någon stor betydelse för laserns prestanda, utan skulle kunna vara valda annorlunda. Förstärkningsmaterialets ll längd kom- mer emellertid typiskt att bero på mängden aktiva joner som har dopats in i värdmaterialet av YVO4. För en dop- ningsnivå på 0,5% Nd i värdmaterialet, är längden före- 10 15 20 25 30 35 529 628 16 trädesvis omkring 2 mm enligt ovan. Högre dopningsnivåer kan också användas, exempelvis omkring 1% Nd. För ett förstärkningsmaterial som har omkring 1% Nd, är längden företrädesvis omkring l mm. Fackmannen kommer att förstå hur förstärkningsmaterialets längd skall optimeras för olika dopningsnivåer. Icke desto mindre är det i allmän- het föredraget i linje med denna uppfinning att man har ett kort förstärkningsmaterial med hög förstärkning, i syfte att undertrycka skadliga effekter från spatial hål- bränning.

Så som har noterats, är Nd:YVO4 ett anisotropt för- stärkningsmaterial i vilket en polarisationsriktning upp- lever högre förstärkning än andra polarisationsriktning- ar. I den föredragna utföringsformen är förstärkningsma- terialet orienterat på ett sådant sätt att den högsta förstärkningen erhålles för ljus som är polariserat vin- kelrätt mot den vikta kavitetens plan. Ljus med denna po- larisationsriktning kallas vanligen för s-polariserat ljus, till skillnad från p-polariserat ljus (som har en polarisationsriktning som är parallell med den vikta ka- vitetens plan).

Vikspegeln l6 är belagd för hög reflektion av den fundamentala våglängden som oscillerar i den resonanta kaviteten, samt för hög transmission för den genererade, frekvenskonverterade strålningen. Vikspegelns 16 orien- tering i förhållande till de två grenarna av den vikta kaviteten är sådan att polarisationsdiskrimineringen mel- lan s-polariserat och p-polariserat ljus blir uttalad.

Företrädesvis är vikspegeln orienterad så att infallsvin- keln är omkring 56 grader.

Den ickelinjära kristallen 13 är, i detta exempel, en periodiskt polad kristall av KTP, med en gitterperiod som är lämplig för fasmatchning av frekvensfördubbling från 1064 nm fundamentalt ljus till 532 nm frekvenskon- verterat ljus. Den ickelinjära kristallens totala längd är omkring 5 mm, och ett parti av kristallen innehåller den periodiskt polade strukturen. 10 15 20 25 30 35 529 628 17 Den totala längden på 5 mm för den ickelinjära kri- stallen 13 är vald i syfte att befrämja Lyot-filtrets verkan. Så som har beskrivits ovan, fungerar den ickelin- jära kristallen även som den dubbelbrytande kristallen för Lyot-arrangemanget. Lyot-arrangemanget innefattar den ickelinjära kristallen 13 och Brewster-plattan 15. I syf- te för den ickelinjära kristallen 13 att införa korrekt polarisationsändring för det ljus som passerar kristal- len, är den orienterad med sina optiska axlar (kristal- lens z-axel) med väsentligen 45 grader i förhållande till det s-polariserade, oscillerande ljuset inuti kaviteten.

Eftersom den ickelinjära kristallen är utformad för kva- sifasmatchning, sker emellertid effektiv frekvenskonver- tering endast för ljus som är polariserat parallellt med den ickelinjära kristallens z-axel. Vridningen av den ickelinjära kristallen i förhållande till polarisationen hos den oscillerande moden i kaviteten leder till en upp- delning av det oscillerande ljuset i en ordinär stràle och en extraordinär stràle inuti den ickelinjära kristal- len. Endast en av dessa strålar kommer att delta i den ickelinjära processen (den som är parallell med den icke- linjära kristallens z-axel). Den ickelinjära förlusten som upplevs av den fundamentala vågen inuti den ickelin- jära kristallen kommer således att skilja sig mellan den ordinära och den extraordinära strålen. Även vid en opti- mal avstämning av kristallen 13 i termer av Lyot-funk- tion, kommer därmed den fundamentala vågen att komma ut från den ickelinjära kristallen med ett polarisations- tillstånd som kan vara linjärt polariserat, men inte som rent s-polariserat ljus. Den övergripande effekten kommer att vara den, att den linjära s-polarisationen som kommer in i den ickelinjära kristallen kommer att vridas över en vinkel som beror på hur stor den ickelinjära förlusten är. Efter reflektion från den andra kavitetsspegeln 14, passerar den fundamentala vågen den ickelinjära kristal- len en gång till, vilket leder till en ytterligare vrid- ning av polarisationstillståndet i samma vridningsrikt- 10 15 20 25 30 35 529 628 18 ning. Om man inte skulle kompensera för denna vridning, skulle den oscillerande moden inuti kaviteten inte vara stabil i s-polarisationen. Därför är Brewster-plattan 15 belägen och orienterad på ett sådant sätt att en förlust som liknar den ickelinjära förlusten i kristallen 13 för en polarisationskomponent introduceras även för den andra polarisationskomponenten. Den inbördes orienteringen för den ickelinjära kristallen 13 och Brewster-plattan 15 är sådan att den favoriserade oscillerande moden alltid är s-polariserad vid vikspegeln 16.

Ett annat sätt att beskriva effekten av Brewster- plattan i detta avseende är följande. Efter en passage av den ickelinjära kristallen 13 är den favoriserade, longi- tudinella moden av den fundamentala vågen i kaviteten linjärt polariserad, men har vridits på grund av det fak- tum att endast ljus som är polariserat parallellt med kristallens z-axel har upplevt en ickelinjär förlust.

Brewster-plattan är orienterad för att avsiktligt införa en liknande förlust även för den andra polarisationskom- ponenten (dvs. den som inte upplevde någon ickelinjär förlust i kristallen 13) när den fundamentala vågen pas- serar Brewster-plattan. Efter en passage av Brewster- plattan, har således både den ordinära strålen och den extraordinära strålen lidit likadana förluster. Efter re- flektion från kavitetsspegeln 14 passerar den fundamenta- la vågen Brewster-plattan en gång till, och samma polari- sationskomponent kommer åter att uppleva samma förluster.

Detta kan betraktas som en ”för-formning” eller ”förbeto- ning" av polarisationstillståndet, på ett sådant sätt att den favoriserade longitudinella moden av den fundamentala vågen får en väsentligen ”ren” s-polarisation efter en ytterligare passage (och medföljande ickelinjära förlust) av den ickelinjära kristallen 13. Den favoriserade longi- tudinella moden av den fundamentala vågen kommer därmed alltid att ha en linjär s-polarisation vid vikspegeln och under förstärkning i förstärkningsmaterialet. lO 15 20 25 30 35 529 628 19 Brewster-plattan är således avstämd från en orien- tering där den skulle ha åstadkommit full transmission för s-polariserat ljus, till en orientering där förluster avsiktligt införs så att s-polariserat ljus erhålles vid vikspegeln och i förstärkningsmaterialet. Effekten av denna avstämning av Brewster-plattan visas i figur 2. Fi- gur 2 visar den relativa intensiteten för några få longi- tudinella moder som en funktion av avstämningsvinkel för Brewster-plattan. Kurvorna som visas i figuren är fram- tagna under antagandet att moderna är centrerade kring lO64,0 nm och att den effektiva längden för det dubbel- brytande elementet är sådan att moden vid lO64,0 nm kom- mer ut från elementet med en linjär polarisation (effek- tiv längd sådan att en relativ fasfördröjning mellan den ordinära och den extraordinära strålen på en heltalsmul- tipel av Zn erhålles). Så som framgår av figuren, har den favoriserade moden en högre relativ intensitet än alla andra moder, oavsett Brewster-plattans orientering. För en viss orientering av Brewster-plattan har emellertid denna mod ett intensitetsmaximum som motsvarar lika för- luster för den ordinära och den extraordinära stràlen (som definieras av den ickelinjära kristallens z-axel).

Detta sker när den favoriserade moden har s-polarisation vid vikspegeln (och således i förstärkningsmaterialet).

Man kan från den simulering som visas i figuren se att detta kräver, i detta exempel, en avstämning av Brewster- plattan med omkring 0,02 radianer (1,2 grader). I detta exempel antogs den ickelinjära förlusten inuti kristallen 13 vara 4% för en enkel passage.

Figur 3 är en förstorad vy av det lokala intensi- tetsmaximum som visas i figur 2. Den optimala avstämning- en på omkring 0,02 radianer är indikerad.

Figur 4 visar relativ intensitet för olika oscille- rande våglängder när avstämningen för Brewster-plattan är fast inställd till 0,02 radianer. Så som framgår ur figur 4, är det fria spektralomfånget för Lyot-filtret (dvs. separationen mellan intensitetsmaxima) omkring 2,6 nm. l0 15 20 25 30 35 529 628 20 Detta betyder att den longitudinella moden vid lO64,0 nm kommer att vara kraftigt favoriserad för oscillation, och lasern kommer att arbeta i en enstaka, longitudinell mod.

Effektiv och stabil frekvenskonvertering, sà som fre- kvensfördubbling till 532 nm, kan sålunda åstadkommas med laserarrangemanget i enlighet med uppfinningen.

Genom användning av ett anisotropt förstärkningsma- terial, så som Nd:YVO4, förstärks befrämjandet av det s- polariserade ljuset för oscillation i kaviteten ytterli- gare, förutsatt naturligtvis att förstärkningsmaterialet är orienterat så att den högsta förstärkningen erhålles för sådan polarisation.

Så som visas i figur l, använder den föredragna ut- föringsformen av föreliggande uppfinning vikspegeln 16 för utkoppling av det frekvensgenererade ljuset från ka- viteten. Utanför kaviteten, finns det anordnat en strål- delare 20 som riktar en liten del av det emitterade lju- set mot en detektor eller en fotodiod 21 för övervakning av laserns lO drift. Bakom stråldelaren 20 finns det ty- piskt anordnat ytterligare organ (visas schematiskt vid 22 i figuren) för formning eller filtrering av det emit- terade ljuset, så som ett blockerande filter för blocke- ring av eventuellt kvarvarande ljus vid den fundamentala våglängden och/eller ett teleskop eller liknande för kol- limering av den emitterade, frekvenskonverterade strålen.

Slutsats Ett laserarrangemang tillhandahålles, i vilket ett Lyot-filterarrangemang är verksamt för att åstadkomma drift i singelmod. Det dubbelbrytande elementet i Lyot- filterarrangemanget har en vikspegel för kaviteten på sin ena sida och ett polariserande element på sin andra sida, så att Lyot-filtrets fria spektralomfång förbättras. Fö- reträdesvis är Lyot-filterarrangemanget och laserns för- stärkningsmaterial belägna i olika grenar av den vikta kaviteten.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 529 628 21 PATENTKRAV

1. Laserarrangemang (10), innefattande: en pumpkälla (17) för åstadkommande av optisk pumpstrålning, en första (12) och en andra (14) kavitetsändspegel som bildar en resonant, optisk kavitet, ett optiskt pumpbart förstärkningsmaterial (11) som är placerat i nämnda resonanta, optiska kavitet, varvid nämnda förstärkningsmaterial (11) har förmåga att emitte- ra fundamental, koherent strålning vid en fundamental våglängd vid optisk pumpning medelst nämnda pumpstrål- ning, ett dubbelbrytande, ickelinjärt element (13) med förmåga att konvertera frekvensen för nämnda fundamentala strålning, ett polariserande element (15) som är konstruerat och anordnat för att ge låga förluster för ljus med ett förutbestämt polarisationstillstånd som oscillerar i den resonanta kaviteten, och en vikspegel (16) som definierar en första och en andra gren för nämnda resonanta, optiska kavitet, varvid nämnda polariserande element (15) och nämnda vikspegel (16) är anordnade på motsatta sidor om det dub- belbrytande, ickelinjära elementet (13), och varvid det (15) är anordnat mellan det dub- belbrytande, ickelinjära elementet (13) och en av kavi- polariserande elementet tetsändspeglarna (12, 14) i en annan gren av den resonan- ta, optiska kaviteten än den gren som innehåller för- stärkningsmaterialet (11).

2. Laserarrangemang i enlighet med patentkravet 1, var- (ll) som har anisotrop förstärkning, innefattar ett material så som Nd:YVOM (12) ponerad på en yta hos förstärkningsmaterialet. vid förstärkningsmaterialet och var- vid en av kavitetsändspeglarna företrädesvis är de- 10 15 20 25 30 35 529 628 22

3. Laserarrangemang i enlighet med patentkrav l eller 2, varvid det polariserande elementet (15) är ett Brews- ter-fönster.

4. Laserarrangemang i enlighet med något av patentkra- ven l-3, varvid det dubbelbrytande, ickelinjära elementet (13) är konstruerat och anordnat för att konvertera fre- kvensen för nämnda fundamentala stràlning genom kvasifas- matchad ickelinjär växelverkan, och varvid nämnda icke- linjära element är orienterat med sin optiska axel vriden i förhållande till den våg som emitteras av förstärk- ningsmaterialet (ll), så att den våg som emitteras av förstärkningsmaterialet kan beskrivas med en första kom- ponent som är parallell med det ickelinjära elementets optiska axel och en andra komponent som är ortogonal mot denna, varvid det ickelinjära elementet vidare är utfor- mat för frekvenskonvertering av ljus som är polariserat parallellt med nämnda optiska axel hos det ickelinjära elementet, och varvid nämnda polariserande element (15) är oriente- rat så att det inför sådana förluster för den andra kom- ponenten under en enstaka passage för den fundamentala vågen igenom nämnda polariserande element som är lika med de ickelinjära förluster som upplevs av den första kompo- nenten under en enstaka passage igenom det ickelinjära elementet (13).

5. Laserarrangemang i enlighet med patentkravet 4, var- vid det ickelinjära elementet är en periodiskt polad kristall av KTP.

6. Laserarrangemang i enlighet med något av föregående (16) släpper igenom ljus vid den frekvenskonverterade vågläng- Patentkrêvf är utformad så att den varvid vikspegeln den och reflekterar ljus vid den fundamentala våglängden. 529 628 23

7. Laserarrangemang i enlighet med något av föregående patentkrav, varvid vikspegeln (16) är så utf0rmêd att den ger högre reflektivitet för s-polariserat ljus vid den fundamentala våglängden än för p-polariserat ljus vid den fundamentala våglängden.