WO2000003293A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen frequenzkonversion sowie diese vorrichtung enthaltende lichtquelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur optischen frequenzkonversion sowie diese vorrichtung enthaltende lichtquelle Download PDF

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WO2000003293A1
WO2000003293A1 PCT/CH1999/000311 CH9900311W WO0003293A1 WO 2000003293 A1 WO2000003293 A1 WO 2000003293A1 CH 9900311 W CH9900311 W CH 9900311W WO 0003293 A1 WO0003293 A1 WO 0003293A1
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light
optically
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optically nonlinear
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PCT/CH1999/000311
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Inventor
Daniel Fluck
Original Assignee
Rainbow Photonics Ag
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/37—Non-linear optics for second-harmonic generation

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for optical frequency conversion and a light source according to the preambles of the independent claims.
  • Nonlinear-optical processes enable the generation of laser light at optical frequencies, which cannot or only with difficulty can be generated by a direct laser process.
  • a laser is used as the primary light source for such a frequency conversion process, the light beam of which propagates through a nonlinear-optical material.
  • the nonlinear-optical interaction between the laser beam and the material means that part of the primary light is converted into light of higher or lower frequency.
  • frequency doubling second harmonic generation, SHG
  • SHG sum frequency generation
  • DFG difference frequency generation
  • OPA optical parametric amplification
  • the class of ferroelectric oxides has received particular attention, e.g. B. Potassium niobate (KNb ⁇ 3), lithium niobate (LiNb ⁇ 3), lithium tantalate (LiTa ⁇ 3), barium titanate (BaTi ⁇ 3) and KTP (KTiOP ⁇ 4).
  • KNb ⁇ 3 Potassium niobate
  • LiNb ⁇ 3 lithium niobate
  • LiTa ⁇ 3 lithium tantalate
  • BaTi ⁇ 3 barium titanate
  • KTP KTP
  • crystals of these materials have large nonlinear optical susceptibilities, a material property that is a necessary prerequisite for efficient frequency conversion.
  • Potassium niobate in particular has proven to be an excellent material for nonlinear optical applications due to its properties.
  • Another class of materials that have interesting nonlinear optical properties are crystals based on borar compounds such as e.g. ß-BaB2 ⁇ 4 (BBO), L1B3O5 (LBO), CSB3O5 (CBO) and CsLiBöOio (CLBO).
  • BBO ß-BaB2 ⁇ 4
  • LBO L1B3O5
  • CBO CSB3O5
  • CsLiBöOio CsLiBöOio
  • the conversion efficiency in a nonlinear-optical process increases with the interaction length and with the intensity of the beam of the primary light source, provided that the primary beam and the generated radiation are optimally in phase ("internal phase adjustment").
  • the beam of the primary light source according to that described by Boyd et al. in the publication "Parametric interaction of focused Gaussian Hght beams" (J. of Appl. Phys. 39 (8), 3597 (1968)) can be optimally focused in the nonlinear optical material.
  • the efficiency of frequency conversion increases in proportion to the length. Accordingly, the maximum achievable efficiency per unit length is a constant dependent on the nonlinear optical material used and can no longer be increased in the single pass device through the nonlinear optical material. To further increase efficiency, special devices must be used.
  • this device with the lens and crystal series has the disadvantage that a large number of nonlinear optical crystals and achromatic lenses are required, all of which have to be positioned and temperature-stabilized and have to be provided with an anti-reflective coating.
  • Kozlovsky et al. have shown in the publication "Blue Hght generation by resonator-enhanced frequency doubling of an extended-cavity diode laser" (Appl. Phys. Lett. 65 (5), 525 (1994)) that a device in which the nonlinear optical crystal is placed in an external optical resonator, the Possibility to achieve very high degrees of conversion.
  • Zimmermann et al. have shown in the publication “All solid state laser source for tunable blue and ultraviolet radiation” (Appl. Phys. Lett. 66 (18), 2318 (1995)) that laser diodes can be efficiently frequency-doubled in an external optical resonator.
  • these external optical resonators have disadvantages which prevent their use in many practical applications.
  • the frequency spectrum of the primary light source must be very narrow-band and must be coupled to the resonator in order to guarantee stable and efficient frequency doubling. You therefore need various piezoelectric elements in order to keep both the resonator length and the phase of the light reflected back into the laser diode as optical feedback constant within a fraction of a wavelength (typically 50 to 100 nm), an active electronic locking circuit ), and typically an optical isolator.
  • the object of the invention is then to demonstrate the use of this device for efficient frequency conversion of semiconductor diode lasers, solid-state lasers, waveguide lasers and fiber lasers.
  • the basic idea of the invention is that by suitable positioning of deflecting means such as, for example, mirroring, the beam of the primary light source after a first pass through the nonlinear optical material is deflected together with the secondary beams of other wavelengths generated in the first pass, and possibly refocused in such a way that the Rays make another pass through the nonlinear optical material.
  • deflecting means such as, for example, mirroring
  • This deflection and traversing of a nonlinear optical material can be continued in an analog manner, thus creating a scalable, multi-pass device.
  • NxN 4, 9 , 16, etc.
  • the reason that the efficiency in this case increases quadratically with the total length of action in the crystal is due to the fact that the amplitudes of the light components generated in each individual pass are constructively added to a total field with correct phase adjustment and the optical power is scaled proportionally to the square of the field amplitude.
  • the frequency conversion efficiency that can be achieved in a double-pass arrangement is thus four times higher than the efficiency of the single-pass arrangement through the same nonlinear optical crystal and is the same as when two single crystals of the same length are used in a lens array arrangement.
  • primary light of a first spectral composition is coupled into at least one optically nonlinear medium, so that it is optically nonlinear Medium propagates, with a part of the primary light is converted into secondary light of a second spectral composition.
  • both the primary light and the secondary light are deflected in such a way that they in turn spread over the other in the optically nonlinear medium.
  • the inventive device for optical frequency conversion includes at least one optically non-linear medium and optical deflection means, which are arranged with respect to the optically non-linear medium in such a way that light propagating in the optically non-linear medium can be deflected essentially completely into the optically non-linear medium by the deflection means.
  • the light emitted by the primary light source is preferably coupled directly or through an optical system into the device with two or more passes through the frequency converter.
  • both end faces of the frequency converter are preferably provided with an anti-reflective coating.
  • the medium which is located between the crystal and the mirror is the only dispersive medium in the beam path from the end of the first pass to the start of the second pass.
  • a gas e.g.
  • the second end face of the frequency converter can also be provided with a reflective coating, so that the light focused by the primary light source in the first pass into the frequency converter is reflected together with the light generated by the frequency conversion directly on the second end face of the frequency converter and the frequency converter in another Crossed direction again in a second pass.
  • the beam deflection is preferably carried out in such a way that the beams have a different direction from the previous pass in the subsequent passage through the nonlinear optical material. This is to prevent the primary beam or a fraction of it from getting back into the primary light source and interfering with its emission properties, in particular the power and the frequency spectrum.
  • the primary beam In the case of the optical resonator, the primary beam must be guided in a closed path, so that an uncontrolled interference of the Primary light source can be prevented.
  • the beam deflection for multiple passes should also take place at an angle close to 180 °, because otherwise the ideally Gaussian-shaped beams are imprinted with an undesirable astigmatism after the deflection at concave mirrors, which makes optimal focusing in a subsequent pass impossible.
  • nonlinear optical crystals are highly birefringent, which is why it is advantageous to use these crystals in a so-called non-critical orientation, i.e. H. with beam propagation along the main axes ("no walk-off ', ie without the primary beam and the generated beams diverging) for frequency conversion.
  • This condition can be approximately met at deflection angles close to 180 °.
  • deflection angles between 160 ° and an angle of less than 180 °, preferably between 170 ° and 179 °, but smaller or larger deflection angles, which, however, have the disadvantages mentioned above, can also be used ..
  • the directions of successive beam paths are chosen so that they are at least With three or more passes, the deflection is preferably carried out in such a way that the rays on the different passages come to lie in one plane.
  • This plane can correspond to a plane spanned by two main axes of the crystal.
  • Mirrors with a metallic or dielectric coating are suitable as deflection mirrors, which reflect the primary beam as well as the generated beams of other wavelengths as completely as possible.
  • the radii of curvature and positions of the deflecting mirrors are chosen such that the constrictions of the primary beam and the generated beams come to lie within the nonlinear optical material or on one of the two end faces of the material.
  • the device according to the invention has significant advantages over an optical resonator, which will be shown below. Only special frequencies can exist in an optical resonator, the so-called longitudinal (resonator) modes, which have a fixed frequency range that is dependent on the excessive power in the resonator.
  • the frequency spectrum of this source must necessarily be narrower than this frequency range, ie the primary light source must be specially matched to the resonator.
  • the frequency spectrum of the primary light source must be narrower than 300 MHz.
  • the optical length of the resonator must be precisely controlled to better than 50 nm and the frequency of the primary light source must be kept stable to better than 300 MHz, which can only be achieved with special and complex measures.
  • the device according to the invention with multiple passage does not use a closed path for the primary beam, ie there is no phase condition, which is determined by the length of the resonator, which must be complied with and thereby imposes the above-mentioned restrictive requirements on the frequency spectrum of the primary light source.
  • the only condition that must be met for efficient frequency conversion in the multiple pass is the phase adaptation between the primary light and the generated light along the entire beam path.
  • the acceptance range for efficient frequency doubling in the known nonlinear optical crystals is approximately 10 GHz for a crystal length of 1 cm, ie the requirement for the width and the stability of the frequency spectrum of the primary light source is compared to one or two orders of magnitude weaker in the multi-pass device with optical resonators.
  • This greater tolerance is of particular importance in the direct frequency conversion of laser diodes, which typically have a frequency range of a few GHz.
  • the use of the device according to the invention also makes it possible to directly modulate the generated beams of other wavelengths by means of amplitude modulation of the primary light source, the modulation frequencies that can be achieved being several orders of magnitude higher than when using electronically stabilized resonators, which typically allow modulation frequencies of a few 100 kHz.
  • the direct modulation of laser diodes as a primary light source is extremely attractive because these diodes allow modulation frequencies of up to a few GHz directly via current modulation.
  • the device according to the invention also enables the remaining primary beam to be spatially superimposed together with the generated beams of a different wavelength and to be emitted in the same direction.
  • a light source with two or three wavelengths in the output beam can be used, for example, for precise trigonometric leveling systems and for precise interferometric distance measurement.
  • the device according to the invention can be used in optical frequency converters and for optical parametric amplification.
  • the device according to the invention is used in combination with a diode laser or a solid-state laser for optical frequency multiplication, sum or difference frequency generation and optical-parameteric amplification.
  • a diode laser or a solid-state laser for optical frequency multiplication, sum or difference frequency generation and optical-parameteric amplification.
  • a KNb ⁇ 3 crystal in the device according to the invention with an AlGaAs or InGaAs diode laser, light in the spectral range between 430 and 670 nm can be generated efficiently.
  • Other possible primary light sources in addition to semiconductor diode lasers are solid-state lasers, previously Nd and Cr doped grenades, such as. B.
  • YAG (Y3AI5O12), GGG (Gd 3 Ga 5 Oi2), YSAG (Y3SC2AI3O12), GSAG (Gd 3 Sc2Al3 ⁇ i2), GSGG (Gd 3 Sc2Ga3 ⁇ i2), as well as YVO4, LiSAF, LiCAF and Ti: Al2 ⁇ 3.
  • a diode laser e.g. AlGalnP
  • ultraviolet laser radiation in the wavelength range between 180 and 430 nm can be generated by frequency doubling.
  • frequency-doubled solid-state lasers, waveguide lasers and fiber lasers are also suitable.
  • primary light sources are borate crystals for higher-order nonlinear-optical processes, e.g. third or fourth harmonic generation, which use, for example, the solid-state lasers mentioned as the primary light source.
  • third or fourth harmonic generation which use, for example, the solid-state lasers mentioned as the primary light source.
  • two or more light beams, which originate from two different primary light sources, can be used to efficiently generate sum or difference frequency generation using the device according to the invention
  • the device according to the invention for optical parametric amplification can be used
  • the light source according to the invention contains at least one primary light source and at least one optical frequency converter into which light emitted by the at least one primary light source can be coupled in.
  • the at least one frequency converter is a device for frequency conversion according to the invention.
  • Semiconductor diode lasers for example AlGaAs or InGaAs diode lasers
  • Solid-state lasers eg Nd YAG, Nd YVO4, Cr LiCAF or Cr LiSAF
  • the light sources which are based on optical frequency multiplication (eg frequency doubling) or optical parametric amplification preferably contain a primary light source and a frequency converter in the device according to the invention
  • Device Light sources which are based on optical sum or difference frequency generation preferably contain two primary light sources and a frequency converter in the device according to the invention
  • FIG. 3 shows a device for frequency conversion in a resonator with a nonlinear optical material according to the prior art
  • Fig. 5 shows the inventive device for frequency conversion in a nonlinear optical material with triple beam passage
  • Fig. 6 shows the inventive device for frequency conversion in a nonlinear optical material with four times the beam passage.
  • FIG. 1 The prior art for frequency conversion in a single pass through a nonlinear optical material is shown schematically in FIG. 1.
  • a light beam 2 from a primary light source 1 is focused by an optical system 3, whereby a focused beam 4 is created.
  • the focused beam 4 penetrates into a nonlinear optical material 5.
  • Frequency conversion becomes part of the Power of the focused primary beam 4 is converted to beams of other optical frequencies or wavelengths.
  • the newly generated beams are collimated as diverging beams 6 with an optical system 7, preferably one or more lenses, to form an output beam 8
  • FIG. 2 The prior art for frequency conversion in a single pass through a series of nonlinear optical crystals is shown in FIG. 2.
  • a beam 2 from a primary light source 1 is coupled into an arrangement of nonlinear optical crystals 5, 12, and lenses 3, 10, (further nonlinear optical crystals and lenses could follow analogously).
  • Frequency conversion converts part of the power of the focused primary beam 4 converted to beams of other frequencies.
  • phase plates 11, ... are introduced into the beam path.
  • the generated beams 6, ..., 13 run spatially superimposed on the primary beam 4 and in the same direction as this and are collimated at the end with an optical system 14 to an output beam 15
  • FIG. 3 The prior art for frequency conversion in a resonator containing a nonlinear optical material is shown in FIG. 3.
  • a beam 2 from a primary light source 1 is coupled with an optical system 3 into a resonator consisting of at least two mirrors 24, 25.
  • the primary light source 1 is connected with the aid of an optical isolator 22 from unwanted light 23, which is emitted from the resonator, protected If an attenuated optical feedback 20 is used to couple the primary light source 1 to the resonator, then the phase between the feedback light 20 and the Light of the primary beam 2 can be adapted.
  • the resonator contains a nonlinear optical material 5 for frequency conversion.
  • the resonator is characterized in that the coupled primary beam 4 is deflected by the mirrors 24, 25 in such a way that it travels a closed path with the help of a piezoelectric element 26, the phase position of the primary light is adapted to handling in the resonator.
  • Rays 6 generated by frequency conversion in the nonlinear optical material 5 are collimated with an optical system 27 to form an output beam 28.
  • FIGS. 4 to 6 show a first embodiment.
  • a beam 2 from a primary light source 1 is focused with a first optical system 3, preferably one or more lenses, whereby a focused beam 32 is created.
  • the primary light source 1 is preferably a coherent light source, for example a semiconductor diode laser, a solid-state laser, a waveguide laser or fiber laser with an emission wavelength between 260 nm and 2 ⁇ m.
  • the focused beam 32 penetrates a nonlinear optical material 5.
  • the nonlinear optical material 5 can, for example, be a KNb ⁇ 3 , LiNbO 3 , KTiOP ⁇ 4 (KTP), BaB2 ⁇ 4 (BBO), L1B3O5 (LBO), CSB3O5 (CBO), or CsLiBöOio (CLBO) crystal.
  • Frequency conversion converts part of the power of the injected primary beam 32 to beams of other optical frequencies or wavelengths.
  • the newly generated beams are deflected and focused together with the rest of the primary beam using a second optical system 35, preferably a concave mirror.
  • the device according to the invention differs from the resonator arrangement of FIG. 3 in that the reflected primary beam 33 does not make a further passage through the nonlinear optical material 5 at the same time as the direction of the incident beam 32, but at a small angle 34 and at the same time passes through the first pass generated rays of others Frequencies run in the direction of the deflected primary beam 33.
  • Typical values for the angle 34 are greater than 0 ° and less than 20 ° and are preferably between 1 ° and 10 °, the deflection angle, ie the angle complementary to the angle 34, is therefore typically between 160 ° and an angle smaller than 180 ° or between 170 ° and 179 °.
  • a significant difference between the inventive device and the arrangement with a number of crystals and lenses (FIG. 2) is that only a single nonlinear optical crystal 5 is used and that the Device according to the invention results in a much more compact arrangement
  • phase adaptation takes place within the non-linear Optical material (internal phase adjustment) is a necessary prerequisite for efficient frequency conversion to occur when the primary beam passes through the nonlinear optical material 5, so that the frequency-converted light in a first pass 32 and a second pass 33 becomes maximum power at the end of the double pass added, the phase between these light components 32, 33 must be set correctly.
  • This phase adjustment outside the highly linear optical material 5 (external phase adjustment) must be in the medium 37, which is between the nonlinear optical material 5 and the optisc hen system 35 is introduced into the beam path of the primary light and the frequency-converted light, this medium 37 is preferably shielded from environmental influences and kept at a constant temperature.
  • a closed temperature-controllable container 38 for example an oven, is particularly suitable for this purpose B glass, air, nitrogen or another transparent material.
  • Frequency conversion converts part of the power of the injected primary beam to beams of other frequencies.
  • the newly generated beams are deflected and focused together with the rest of the primary beam using a second optical system 40, preferably a concave mirror.
  • the beams are again deflected with a third optical system 41, preferably a concave mirror, and focused into the nonlinear optical material 5 to form a third passage 44.
  • a temperature-adjustable container 38 filled with a transparent medium 37 can in turn be used for external phase adjustment.
  • a beam 2 from a primary light source 1 with a first optical system 3 is focused on an end face 50 of a nonlinear optical material 5.
  • the end face 50 is provided with a reflective coating, so that the remaining primary beam, together with the beams frequency-converted in the first passage 52 through the nonlinear optical material 5, makes a second passage 53 through the nonlinear optical material 5, without thereby closing the nonlinear optical material 5 leave.
  • the reflective coating can, for example, at least one metal layer, at least one dielectric layer or a sequence of such Layers.
  • the combination of direct deflection of the rays on one end face 50 of the nonlinear optical material 5 and deflection by an optical system 51 on the opposite side of the material results, for example, in a device with four passages 52, 53, 54, 55 through the nonlinear optical material 5.
  • the frequency-converted beams and the rest of the primary steel are collimated with an optical system 56 into an exit beam 57.
  • a temperature-adjustable container 38 filled with a transparent medium 37 can in turn be used for external phase adjustment.

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Abstract

In der Vorrichtung zur optischen Frequenzkonversion wird der Strahl (2) einer Primärlichtquelle (1) nach einem ersten Durchgang (32) durch ein nichtlinear optisches Medium (5) durch ein geeignetes optisches System (35) so umgelenkt und wieder fokussiert, dass der Strahl der Primärlichtquelle zusammen mit den im ersten Durchgang generierten Strahlen anderer Wellenlängen mindestens einen weiteren Durchgang (33) durch das nichtlinear optische Material (5) macht, wodurch die Effizienz der Frequenzkonversion erheblich gesteigert wird. Die Vorrichtung ist in optischen Frequenzwandlern und zur optisch-parametrischen Verstärkung verwendbar. Insbesondere kann die Vorrichtung mit einem ferroelektrischen Oxid, z.B. KNbO3 oder einem Borat, z.B. LBO, in Kombination mit mindestens einem Diodenlaser, z.B. AlGaAs oder InGaAs, oder einem Festkörperlaser, z.B. Nd:Y3Al5O12 oder Nd:YVO4, für optische Frequenzvervielfachung, Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung und optisch-parametrische Verstärkung eingesetzt werden.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR OPTISCHEN
FREQUENZKONVERSION SOWIE DIESE
VORRICHTUNG ENTHALTENDE LICHTQUELLE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Frequenzkonversion sowie eine Lichtquelle gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Frequenzkonversion von Laserlicht durch nichtlinear-optische Wechselwirkungen hat seit den sechziger Jahren einige Aufmerksamkeit gefunden. Nichtlinear-optische Prozesse ermöglichen die Erzeugung von Laserlicht bei optischen Frequenzen, welche nicht oder nur schwerlich durch einen direkten Laserprozess generiert werden können. Im allgemeinen wird für einen solchen Frequenzumwandlungsprozess ein Laser als Primärlichtquelle verwendet, dessen Lichtstrahl durch ein nichtlinear- optisches Material propagiert. Die nichtlinear-optische Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Material fuhrt dazu, dass ein Teil des Primärlichts in Licht höherer oder niedrigerer Frequenz umgewandelt wird. Unter den nichtlinear-optischen Prozessen sind die Frequenzverdopplung (second harmonic generation, SHG), Summenfrequenzerzeugung (sum frequency generation, SFG), Differenzfrequenzerzeugung (difference frequency generation, DFG) und Optisch Parametrische Verstärkung (optical parametric amplification, OPA) von besonderer Bedeutung. Diese Prozesse ermöglichen die Erzeugung von Laserstrahlung im ultravioletten, sichtbaren, nahen und mittleren infraroten Spektralbereich, d. h. zwischen 0.1 μm und 10 μm Wellenlänge. Laser, die bei diesen Wellenlängen Licht emittieren, finden Anwendungen in Spektroskopie, optischer Datenspeicherung, Medizin, Biologie, usw.
Unter einer grossen Anzahl kristalliner Materialien, welche sich für nichtlinear-opti- sehe Wechselwirkungen eignen, hat besonders die Klasse der ferroelektrischen Oxide Aufmerksamkeit gefunden, z. B. Kaliumniobat (KNbθ3), Lithiumniobat (LiNbθ3), Lithiumtantalat (LiTaθ3), Bariumtitanat (BaTiθ3) und KTP (KTiOPθ4). Im allgemeinen weisen Kristalle dieser Materialien grosse nichtlinear-optische Suszeptibilitäten auf, eine Materialeigenschaft, die eine notwendige Voraussetzung für effiziente Frequenzkonversion darstellt. Insbesondere Kaliumniobat hat sich aufgrund seiner Eigenschaften als vorzügliches Material für nichtlinear-optische Anwendungen erwiesen.
Eine weitere Klasse von Materialien, welche interessante nichtlinear-optische Eigenschaften aufweist, sind Kristalle beruhend auf Borarverbindungen wie z.B. ß- BaB2θ4 (BBO), L1B3O5 (LBO), CSB3O5 (CBO) und CsLiBöOio (CLBO). Diese Gruppe von nichtlinear-optischen Kristallen zeichnet sich dadurch aus, dass ihre optische Transparenz weit in den ultravioletten Spektralbereich reicht. Aufgrund dieser Eigenschaft sind Boratkristalle interessant für Frequenzkonversion, bei der ultraviolette Laserstrahlung erzeugt wird.
Die Umwandlungseffizienz bei einem nichtlinear-optischen Prozess steigt mit der Wechselwirkungslänge und mit der Intensität des Strahls der Primärlichtquelle, vorausgesetzt, dass der Primärstrahl und die generierte Strahlung optimal in Phase sind („interne Phasenanpassung"). Um einen möglichst hohen Umwandlungsgrad zu erreichen, muss der Strahl der Primärlichtquelle gemäss der von Boyd et al. in der Publikation "Parametric interaction of focused Gaussian Hght beams" (J. of Appl. Phys. 39 (8), 3597 (1968)) aufgezeigten Bedingung optimal in das nichtlinear optische Material fokusiert werden. Unter jeweils optimaler Fokusierung steigt die Effizienz der Frequenzkonversion proportional zur Länge an. Demzufolge ist die maximal erreichbare Effizienz pro Längeneinheit eine vom verwendeten nichtlinear optischen Material abhängige Konstante und kann in der Vorrichtung mit Einzeldurchgang durch das nichtlinear optische Material nicht mehr gesteigert werden. Um die Effizienz weiter zu erhöhen müssen spezielle Vorrichtungen verwendet werden.
Fluck et al. haben in der Publikation "Efficient second-harmonic generation by lens wave-guiding in KNbθ3 crystals" (Optics Communications 147, 305 (1998)) gezeigt, dass durch Kombination einer Reihe von nichtlinear optischen Kristallen und einer Reihe von Linsen zwischen den Kristallen die Effizienz der Frequenzverdopplung proportional zum Quadrat der Anzahl der nichtlinear optischen Kristalle ansteigt. Diese Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass die Effizienz quadratisch mit der Totallänge ansteigt und deshalb die Effizienz pro Längeneinheit im Unterschied zur Vorrichtung mit Einzeldurchgang linear mit der Länge anwächst. Dieser quadratische Anstieg wird aber nur dann erreicht, wenn die Feldamplituden des in den einzelnen Durchgängen erzeugten Lichtes mit gleicher Phase, d. h. konstruktiv überlagert werden. Sind die Feldamplituden ausser Phase, dann tritt destruktive Interferenz auf und die resultierende Leistung kann unter Umständen sogar ganz verschwinden. Diese Vorrichtung mit der Linsen- und Kristallreihe hat aber den Nachteil, dass eine Vielzahl von nichtlinear optischen Kristallen und achromatischen Linsen benötigt werden, welche alle positioniert und temperaturstabilisiert werden müssen und mit einer anti-reflektierenden Beschichtung versehen sein müssen.
Kozlovsky et al. haben in der Publikation "Blue Hght generation by resonator- enhanced frequency doubling of an extended-cavity diode laser" (Appl. Phys. Lett. 65 (5), 525 (1994)) gezeigt, dass eine Vorrichtung, bei welcher der nichtlinear- optische Kristall in einem externen optischen Resonator plaziert wird, die Möglichkeit bietet, sehr hohe Umwandlungsgrade zu erzielen. Auch Zimmermann et al. haben in der Publikation "All solid State laser source for tunable blue and ultraviolet radiation" (Appl. Phys. Lett. 66 (18), 2318 (1995)) gezeigt, dass Laserdioden in einem externen optischen Resonator effizient frequenzverdoppelt werden können. Diese externen optischen Resonatoren weisen aber Nachteile auf, welche ihren Einsatz in vielen praktischen Anwendungen verhindern. In einem externen optischen Resonator muss das Frequenzspektrum der Primarlichtquelle sehr schmalbandig sein und an den Resonator angekoppelt werden, um stabile und effiziente Frequenzverdopplung zu garantieren. Sie benötigen deshalb diverse piezo- elektrische Elemente, um sowohl die Resonatorlänge als auch die Phase des als optischen Feedback in die Laserdiode zurückgestrahlten Lichtes innerhalb eines Bruchteils einer Wellenlänge (typischerweise 50 bis 100 nm) konstant zu halten, einen aktiven elektronischen Regelkreis (electronic locking circuit), und typischerweise einen optischen Isolator.
Die obigen Ausführungen unterstreichen die Bedeutung von speziellen Vorrichtungen für die effiziente Frequenzkonversion in nichtlinear-optischen Materialien.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Frequenzkonversion in einem nichtlinear optischen Material, beispielsweise einem ferroelektrischen Oxid oder einem Borat-Kristall, zu schaffen, welche es ermöglicht, die Effizienz der Konversion in einem einzelnen Kristall zu steigern und gleichzeitig die nachteiligen Effekte herkömmlicher Vorrichtungen, wie sie eingangs aufgezeigt wurden, zu vermeiden. Sodann ist es Aufgabe der Erfindung, die Verwendung dieser Vorrichtung für effiziente Frequenzkonversion von Halbleiterdiodenlasern, Festkörperlasern, Wellenleiterlasern und Fiberlasern aufzuzeigen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lichtquelle zu schaffen, in welcher von einer oder mehreren Primärlichtquellen ausgesandtes Licht unter Verwendung der erfindungs- gemässen Vorrichtung effizient frequenzkonvertiert wird. Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren, die Vorrichtung, ihre Verwendung und die Lichtquelle, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, dass durch geeignete Positionierung von Umlenkmitteln wie bspw. Spiegeln der Strahl der Primärlichtquelle nach einem ersten Durchgang durch das nichtlinear optische Material zusammen mit den im ersten Durchgang generierten Sekundärstrahlen anderer Wellenlängen so umgelenkt und eventuell wieder fokussiert wird, dass die Strahlen einen weiteren Durchgang durch das nichtlinear optische Material machen. Dieses Umlenken und Durchqueren eines nichtlinear optischen Materials kann auf analoge Weise weiter fortgesetzt werden, womit eine skalierbare Vorrichtung mit Mehrfachdurchgang entsteht. Das erfindungsgemässe Verfahren bzw. die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglichen es, durch Verwendung einer Anzahl N (N = 2, 3, 4, usw.) von Durchgängen durch das nichtlinear optische Material die Effizienz für die Frequenzkonversion um einen Faktor NxN (NxN = 4, 9, 16, usw.) zu steigern. Dass die Effizienz in diesem Fall quadratisch mit der totalen Wirkungslänge im Kristall ansteigt, ist damit zu begründen, dass die Amplituden der in jedem Einzeldurchgang generierten Lichtanteile bei richtiger Phasenanpassung konstruktiv zu einem totalen Feld addiert werden und die optische Leistung proportional zum Quadrat der Feldamplitude skaliert. Die in einer Doppeldurchgang-Anordnung erreichbare Effizienz der Frequenzkonversion ist somit vier mal höher als die Effizienz der Anordnung mit Einzeldurchgang durch denselben nichtlinear optischen Kristall und ist gleich hoch wie bei der Verwendung von zwei einzelnen Kristallen je gleicher Länge in einer Linsenreihen- Anordnung.
Beim erfindungsgemässen Verfahren zur optischen Frequenzkonversion wird Primärlicht einer ersten spektralen Zusammensetzung in mindestens ein optisch nichtlineares Medium eingekoppelt, so dass es sich in diesem optisch nichtlinearen Medium ausbreitet, wobei ein Teil des Primarlichtes in Sekundärlicht einer zweiten spektralen Zusammensetzung umgewandelt wird. Nach einer Durchquerung zumindest eines Teils des optisch nichtlinearen Mediums werden sowohl das Primärlicht als auch das Sekundärlicht derart umgelenkt, dass sie sich räumlich überlagert wiederum im optisch nichtlinearen Medium ausbreiten.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur optischen Frequenzkonversion beinhaltet mindestens ein optisch nichtlineares Medium und optische Umlenkmittel, welche derart bezüglich des optisch nichtlinearen Mediums angeordnet sind, dass sich im optisch nichtlinearen Medium ausbreitendes Licht durch die Umlenkmittel im wesentlichen vollständig ins optisch nichtlineare Medium umlenkbar ist.
Vorzugsweise wird das von der Primarlichtquelle ausgesandte Licht direkt oder durch ein optisches System in die Vorrichtung mit zweifachem oder mehrfachem Durchgang durch den Frequenzwandler eingekoppelt. Um die Reflexionsverluste an der ersten und zweiten Stirnfläche des Frequenzwandler so klein wie möglich zu halten sind vorzugsweise beide Stirnflächen des Frequenzwandlers mit einer anti- reflektierenden Beschichtung versehen Nach dem ersten Durchgang durch den Frequenzwandler wird der Strahl der Primärlichtquelle zusammen mit dem durch die Frequenzkonversion generierten Licht durch ein optisches System, vorzugsweise ein oder mehrere Spiegel, umgelenkt und nochmals in den Frequenzwandler fokusiert. Durch das Verwenden eines Hohlspiegels kann erreicht werden, dass die nach dem ersten Durchgang divergierenden Strahlen für den zweiten Durchgang wiederum so fokusiert werden, dass optimale Frequenzkonversion stattfindet. Ein wichtiger Vorteil dieser Vorrichtung mit Hohlspiegeln ist, dass für das Kollimieren und fokusieren der Strahlen keine Linsen verwendet werden müssen (im Unterschied zur Vorrichtung mit einer Linsenreihe), welche durch die Dispersion ihrer Brechzahl einen unerwünschten Phasenunterschied zwischen Primarstrahl und generierten Strahlen anderer Wellenlangen bewirken und dadurch die optimale Phasenbeziehung zerstören. In der erfindungsgemässen Vorrichtung ist das Medium, welches sich zwischen Kristall und Spiegel befindet, das einzige dispersive Medium im Strahlengang vom Ende des ersten Durchgangs bis zum Anfang des zweiten Durchgangs. Vorteilhafterweise wird ein Gas, z. B. Luft oder Stickstoff, verwendet, dessen Dispersion um mehrere Grössenordnungen kleiner ist als die Dispersion der Brechzahl einer typischen Glaslinse, so dass die Toleranz des Systems auf mögliche Störungen der optimalen Phasenbeziehung zwischen Primärstrahl und generierten Strahlen um Grössenordnungen verbessert wird.
Die zweite Stirnfläche des Frequenzwandlers kann auch mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden, so dass das von der Primarlichtquelle im ersten Durchgang in den Frequenzwandler fokusierte Licht zusammen mit dem durch die Frequenzkonversion generierten Licht direkt an der zweiten Stirnfläche des Frequenzwandlers refelktiert wird und den Frequenzwandler in anderer Richtung in einem zweiten Durchgang nochmals durchquert. Dadurch muss nur auf der einen Seite des nichtlinear optischen Materials eine „externe Phasenanpassung" gewährleistet sein, und es kann gleichzeitig auf die Hälfte der Umlenkspiegel verzichtet werden. (Unter „externer Phasenanpassung" wird in dieser Schrift die Erhaltung der optimalen Phasenbeziehung zwischen dem Primärlicht und dem Sekundärlicht ausserhalb des optisch nichtlinearen Mediums verstanden.)
Die Strahlumlenkung wird vorzugsweise so vorgenommen, dass die Strahlen im jeweils folgenden Durchgang durch das nichtlinear optische Material eine vom vorhergehenden Durchgang verschiedene Richtung haben. Dadurch soll verhindert werden, dass der Primärstrahl oder ein Bruchteil davon zurück in die Primarlichtquelle gelangt und deren Emmissionseigenschaften, insbesondere die Leistung und das Frequenzspektrum, stört. Im Falle des optischen Resonators muss der Primärstrahl systembedingt auf einen geschlossenen Weg gelenkt werden, so dass nur durch Anbringen eines optischen Isolators eine unkontrollierte Störung der Primärlichtquelle verhindert werden kann. Die Strahlumlenkung für Mehrfachdurchgang soll andererseits aber auch unter einem Winkel nahe bei 180° erfolgen, weil sonst die idealerweise Gauss-förmigen Strahlen nach der Umlenkung an Hohlspiegeln einen unerwünschten Astigmatismus aufgeprägt bekommen, welcher ein optimales Fokussieren in einem nachfolgenden Durchgang verunmöglicht.
Viele der bekannten nichtlinear optischen Kristalle sind stark doppelbrechend, weshalb es vorteilhaft ist, diese Kristalle in einer sogenannten nicht-kritischen Orientierung, d. h. mit Strahlausbreitung entlang der Hauptachsen ("no walk-off ', d. h. ohne Auseinanderlaufen des Primärstrahls und der generierten Strahlen), für Frequenzkonversion einzusetzen. Diese Bedingung kann bei Umlenkwinkeln in der Nähe von 180° annähernd erfüllt werden. Typischerweise werden Umlenkwinkel zwischen 160° und einem Winkel kleiner als 180°, worzugsweise zwischen 170° und 179°, eingestellt, wobei aber auch kleinere oder grössere Umlenkwinkel, welche jedoch die obgenannten Nachteile aufweisen, verwendet werden können. Vorzugsweise werden die Richtungen von aufeinanderfolgenden Strahlengängen so gewählt, dass sie bezüglich mindestens einer Hauptachse des nichtlinear optischen Kristalls symetrisch orientiert sind. Bei drei oder mehr Durchgängen wird die Umlenkung vorzugsweise so vorgenommen, dass die Strahlen auf den verschiedenen Durchgängen in einer Ebene zu liegen kommen. Diese Ebene kann einer durch zwei Hauptachsen des Kristalls aufgespannten Ebene entsprechen.
Als Umlenkspiegel eignen sich Spiegel mit metallischer oder dielektrischer Beschichtung, welche sowohl den Primärstrahl als auch die generierten Strahlen anderer Wellenlängen möglichst vollständig reflektieren. Die Krümmungsradien und Positionen der Umlenkspiegel werden so gewählt, dass die Einschnürungen des Primärstrahls und der generierten Strahlen innerhalb des nichlinear-optischen Materials oder auf einer der beiden Endflächen des Materials zu liegen kommen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung hat gegenüber einem optischen Resonator wesentliche Vorteile, welche nachfolgend aufgezeigt werden sollen. In einem optischen Resonator können nur spezielle Frequenzen existieren, die sog. longitudinalen (Resonator-)Moden, welche eine von der Leistungsüberhöhung im Resonator abhängige, aber feste Frequenzbreite haben. Um eine Primärlichtquelle effizient in den optischen Resonator einkoppeln zu können, muss das Frequenzspektrum dieser Quelle notwenigerweise schmalbandiger als diese Frequenzbreite sein, d.h. die Primärlichtquelle muss speziell auf den Resonator abgestimmt sein. Beispielsweise muss in einem 10 cm langen Resonator bei einer Wellenlänge der Primärlichtquelle von 1 μm bei einer Leistungsüberhöhung von 10 das Frequenzspektrum der Primarlichtquelle schmaler als 300 MHz sein. Gleichzeitig muss die optische Länge des Resonators auf besser als 50 nm genau geregelt und die Frequenz der Primärlichtquelle auf besser als 300 MHz stabil gehalten werden, was nur mit speziellen und aufwendigen Massnahmen erreicht werden kann. Die erfindungsgemässe Vorrichtung mit Mehrfachdurchgang hingegen verwendet keinen geschlossenen Weg für den Primärstrahl, d. h. es besteht keine durch die Länge des Resonators festgelegte Phasenbedingung, welche eingehalten werden muss und dadurch die obgenannten restriktiven Anforderungen an das Frequenzspektrum der Primärlichtquelle erzwingt. Die einzige Bedingung, welche für effiziente Frequenzkonversion im Mehrfachduchgang erfüllt werden muss, ist die Phasenanpassung zwischen dem Primärlicht und dem generierten Licht entlang des ganzen Strahlengangs. Typischerweise ist die Akzeptanzbreite für effiziente Frequenzverdopplung in den bekannten nichtlinear optischen Kristallen ca. 10 GHz für eine Kristallänge von 1 cm, d.h. die Anforderung an die Breite und die Stabilität des Frequenzspektrums der Primärlichtquelle ist in der Mehrfachdurchgang- Vorrichtung um eine bis zwei Grössenordnungen schwächer verglichen mit optischen Resonatoren. Diese grössere Toleranz ist insbesondere bei der direkten Frequenzkonversion von Laserdioden, die typischerweise eine Frequenzbreite von einigen GHz aufweisen, von entscheidender Bedeutung. Die Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung erlaubt es auch, durch Amplitudenmodulation der Primarlichtquelle die generierten Strahlen anderer Wellenlänge direkt zu modulieren, wobei die erreichbaren Modulationsfrequenzen mehrere Grössenordnungen höher liegen können als bei der Verwendung von elektronisch stabilisierten Resonatoren, die typischerweise Modulationsfrequenzen von einigen 100 kHz zulassen. Insbesondere die direkte Modulation von Laserdioden als Primarlichtquelle ist äusserst attraktiv, weil diese Dioden direkt über eine Strommodulation Modulationsfrequenzen von bis zu einigen GHz erlauben.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht auch, dass der verbleibende Primärstrahl zusammen mit den generierten Strahlen anderer Wellenlänge räumlich überlagert und in gleicher Richtung abgestrahlt wird. Eine solche Lichtquelle mit zwei oder drei Wellenlängen im Ausgangsstrahl kann beispielsweise für genaue trigonometrische Nivellementsysteme und für genaue interferometrische Distanzmessung eingesetzt werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist in optischen Frequenzwandlern und zur optisch-parametrischen Verstärkung verwendbar. Insbesondere wird die erfindungsgemässe Vorrichtung in Kombination mit einem Diodenlaser oder einem Festkörperlaser für optische Frequenzvervielfachung, Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung und optisch-parameterische Verstärkung eingesetzt. Beispielsweise kann durch Kombination eines KNbθ3 Kristalls in der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem AlGaAs oder InGaAs Diodenlaser effizient Licht im Spektralbereich zwischen 430 und 670 nm erzeugt werden. Als weitere mögliche Primärlichtquellen kommen nebst Halbleiterdiodenlasem auch Festkörperlaser in Frage, vorab Nd und Cr dottierte Granate, wie z. B. YAG (Y3AI5O12), GGG (Gd3Ga5Oi2), YSAG (Y3SC2AI3O12), GSAG (Gd3Sc2Al3θi2), GSGG (Gd3Sc2Ga3θi2), sowie YVO4, LiSAF, LiCAF und Ti:Al2θ3. Als weiteres Beispiel kann durch Verwendung eines Diodenlasers, z B AlGalnP, und der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem Boratkristall ultraviolette Laserstrahlung im Wellenlangenbereich zwischen 180 und 430 nm durch Frequenzverdopplung erzeugt werden Als weitere mögliche Primarlichtquellen kommen nebst Diodenlasern auch frequenzverdoppelte Festkörperlaser, Wellenleiterlaser und Fiberlaser in Betracht Boratkristalle eignen sich für nichtlinear-optische Prozesse höherer Ordnung, z B Dritt- oder Viertharmonische-Erzeugung, welche z.B die genannten Festkörperlaser als Primarlichtquelle verwenden Daneben kann mit zwei Lichtstrahlen, welche von zwei verschiedenen Primarlichtquellen stammen, durch Verwendung der erfindungsgemässen Vomchtung effizient Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung erreicht werden Als weitere Anwendung kann die erfindungsgemässe Vorrichtung zur optisch-parametrischen Verstärkung eingesetzt werden
Die erfindungsgemässe Lichtquelle enthalt mindestens eine Primarlichtquelle und mindestens einen optischen Frequenzwandler, in welchen von der mindestens einen Primarlichtquelle ausgesandtes Licht einkoppelbar ist Dabei ist der mindestens eine Frequenzwandler eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Frequenzkonversion Als Primarlichtquellen eignen sich vorzugsweise Halbleiterdiodenlaser (z B AlGaAs oder InGaAs Diodenlaser), Festkörperlaser (z B Nd YAG, Nd YVO4, Cr LiCAF oder Cr LiSAF), Wellenleiterlaser oder Fiberlaser Die Lichtquellen, welche auf der optischen Frequenzvervielfachung (z B Frequenzverdopplung) oder optisch- parametrischer Verstärkung basieren, enthalten vorzugsweise eine Primarlichtquelle und einen Frequenzwandler in der erfindungsgemässen Vorrichtung Lichtquellen, welche auf optischer Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung basieren, enthalten vorzugsweise zwei Primarlichtquellen und einen Frequenzwandler in der erfindungsgemässen Vorrichtung Die Erfindung und zum Vergleich der Stand der Technik werden anhand der Figuren detailliert beschrieben. Dabei zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur Frequenzkonversion in einem nichtlinear-optischen Material mit Einzeldurchgang des fokusierten Primärlichtstrahls gemäss Stand der Technik,
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Frequenzkonversion in einer Reihe von nichtlinear- optischen Kristallen und Linsen gemass Stand der Technik,
Fig. 3 eine Vorrichtung zur Frequenzkonversion in einem Resonator mit einem nichtlinear-optischen Material gemäss Stand der Technik,
Fig. 4 die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Frequenzkonversion in einem nichtlinear-optischen Material mit zweifachem Strahldurchgang,
Fig. 5 die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Frequenzkonversion in einem nichtlinear-optischen Material mit dreifachem Strahldurchgang und
Fig. 6 die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Frequenzkonversion in einem nichtlinear-optischen Material mit vierfachem Strahldurchgang.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit stimmen die Proportionen in den Figuren nicht mit denjenigen in der Wirklichkeit überein.
Der Stand der Technik zur Frequenzkonversion in einem Einzeldurchgang durch ein nichtlinear optisches Material ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Ein Lichtstrahl 2 aus einer Primärlichtquelle 1 wird von einem optischen System 3 fokussiert, wodurch ein fokussierter Strahl 4 entsteht Der fokussierte Strahl 4 dringt in ein nichtlinear optisches Material 5 ein. Durch Frequenzkonversion wird ein Teil der Leistung des fokusierten Primarstrahls 4 auf Strahlen anderer optischer Frequenzen bzw Wellenlangen konvertiert Die neu generierten Strahlen werden als divergierende Strahlen 6 mit einem optischen System 7, vorzugsweise einer oder mehrerer Linsen, zu einem Ausgangsstrahl 8 kollimiert
Der Stand der Technik zur Frequenzkonversion in einem Einzeldurchgang durch eine Reihe von nichtlinear optischen Kristallen ist in Figur 2 dargestellt. Ein Strahl 2 von einer Primarlichtquelle 1 wird in eine Anordnung von nichtlinear optischen Kristallen 5, 12, und Linsen 3, 10, (weitere, nicht eingezeichnete nichtlinear optische Kristalle und Linsen konnten analog folgen) eingekoppelt Durch Frequenzkonversion wird ein Teil der Leistung des fokussierten Primarstrahls 4 auf Strahlen anderer Frequenzen konvertiert. Zur Erhaltung der Phasenanpassung in den nachfolgenden nichtlinear optischen Kristallen 12, . . werden Phasenplatten 11, ... in den Strahlengang eingebracht. Die generierten Strahlen 6, ..., 13 laufen raumlich überlagert zum Primarstrahl 4 und in gleicher Richtung wie dieser und werden am Ende mit einem optischen System 14 zu einem Ausgangsstrahl 15 kollimiert
Der Stand der Technik zur Frequenzkonversion in einem ein nichtlinear optisches Material enthaltenden Resonator ist in Figur 3 dargestellt Ein Strahl 2 von einer Primarlichtquelle 1 wird mit einem optischen System 3 in einen aus mindestens zwei Spiegeln 24, 25 bestehenden Resonator gekoppelt Die Primarlichtquelle 1 wird mit Hilfe eines optischen Isolators 22 vor unerwünschtem Licht 23, welches vom Resonator her abgestrahlt wird, geschützt Falls ein abgeschwächter optischer Feedback 20 zur Ankopplung der Primarlichtquelle 1 an den Resonator verwendet wird, dann muss mit einem Phasenschieber 21 die Phase zwischen dem Feedback- Licht 20 und dem Licht des Primarstrahl 2 angepasst werden Der Resonator enthält ein nichtlinear optisches Material 5 zur Frequenzkonversion Der Resonator ist dadurch charakterisiert, dass der eingekoppelte Primarstrahl 4 durch die Spiegel 24, 25 derart umgelenkt wird, dass er einen geschlossenen Weg durchlauft Mit Hilfe eines piezoelektrischen Elements 26 wird die Phasenlage des Primärlichts auf einem Umgang im Resonator angepasst. Durch Frequenzkonversion im nichtlinear optischen Material 5 generierte Strahlen 6 werden mit einem optischen System 27 zu einem Ausgangsstrahl 28 kollimiert.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird in den Figuren 4 bis 6 beschrieben. Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform. Ein Strahl 2 von einer Primarlichtquelle 1 wird mit einem ersten optischen System 3, vorzugsweise einer oder mehreren Linsen, fokussiert, wodurch ein fokussierter Strahl 32 entsteht. Die Primarlichtquelle 1 ist vorzugsweise eine kohärente Lichtquelle, bspw. ein Halbleiterdiodenlaser, ein Fest- köφerlaser, ein Wellenleiterlaser oder Fiberlaser mit einer Emmissionswellenlänge zwischen 260 nm und 2 μm. Der fokussierte Strahl 32 dringt in ein nichtlinear optisches Material 5 ein. Das nichtlinear optische Material 5 kann bspw. ein KNbθ3, LiNbO3, KTiOPθ4 (KTP), BaB2θ4 (BBO), L1B3O5 (LBO), CSB3O5 (CBO), oder CsLiBöOio (CLBO)-Kri stall sein. Durch Frequenzkonversion wird ein Teil der Leistung des eingekoppelten Primärstrahls 32 auf Strahlen anderer optischer Frequenzen bzw. Wellenlängen konvertiert. Nach dem ersten Durchgang des Primärstrahls 32 durch das nichtlinear optische Material 5 werden die neu generierten Strahlen zusammen mit dem Rest des Primärstrahls mit einem zweiten optischen System 35, vorzugsweise einem Hohlspiegel, umgelenkt und fokussiert.
Zwischen der erfindungsgemässen Vorrichtung von Fig. 4 und den bekannten Anordnungen von Fig. 1-3 bestehen wesentliche Unterschiede, auf welche im folgenden eingegangen wird. Von der Resonator-Anordnung von Fig. 3 unterscheidet sich die erfindungsgemässe Vorrichtung dadurch, dass der reflektierte Primärstrahl 33 nicht entlang der Richtung des einfallenden Strahls 32, sondern unter einem kleinen Winkel 34 einen weiteren Durchgang durch das nichtlinear optische Material 5 macht und gleichzeitig die im ersten Durchgang generierten Strahlen anderer Frequenzen in Richtung des umgelenkten Pπmarstrahls 33 laufen Typische Werte für den Winkel 34 sind grosser als 0° und kleiner als 20° und liegen vorzugsweise zwischen 1° und 10°, der Umlenkwinkel, d h der zum Winkel 34 komplementäre Winkel, liegt also typischerweise zwischen 160° und einem Winkel kleiner als 180° bzw zwischen 170° und 179° Ein wesentlicher Unterschied der erfindungsgemässen Vomchtung zur Anordnung mit einer Reihe von Kristallen und Linsen (Fig 2) besteht dann, dass nur ein einziger nichtlinear optischer Kristall 5 verwendet wird und dass die erfindungsgemässe Vomchtung eine sehr viel kompaktere Anordnung ergibt
Im zweiten Durchgang 33 wird wiederum ein Teil des Lichts des Pπmarstrahls in Licht anderer Frequenzen konvertiert Das nichtlinear optische Mateπal 5 wird dabei so orientiert, dass sowohl auf dem ersten Durchgang 32 als auch auf dem zweiten Durchgang 33 maximale Frequenzkonversion stattfindet Diese sogenannte Phasenanpassung innerhalb des nichtlinear optischen Materials (interne Phasenanpassung) ist eine notwendige Voraussetzung dafür, dass bei einem Durchgang des Pπmarstrahls durch das nichtlinear optische Mateπal 5 effiziente Frequenzkonversion auftreten kann Damit das in einem ersten Durchgang 32 und zweiten Durchgang 33 jeweils frequenzkonvertierte Licht sich am Ende des Doppeldurchgangs zur maximalen Leistung addiert, muss die Phase zwischen diesen Lichtanteilen 32, 33 πchtig eingestellt werden Diese Phasenanpassung ausserhalb des mchtlinear optischen Materials 5 (externe Phasenanpassung) muss im Medium 37, welches zwischen dem nichtlinear optischen Material 5 und dem optischen System 35 in den Strahlengang des Pπmarlichts und des frequenzkonvertierten Lichts eingebracht ist, erfolgen Vorzugsweise wird dieses Medium 37 von Umwelteinflüssen abgeschirmt und auf konstanter Temperatur gehalten, wozu sich insbesondere ein abgeschlossener temperaturreguherbarer Behalter 38, z B ein Ofen, eignet Das Medium 37 kann z B Glas, Luft, Stickstoff oder ein anderes transparentes Mateπal sein Nach dem zweiten Durchgang 33 durch das mchtlinear optische Mateπal 5 werden die frequenzkonvertierten Strahlen und der Rest des Pπmarstahls mit einem dπtten optischen System 39, vorzugsweise einer oder mehreren Linsen, in einen Austrittsstrahl 36 kollimiert.
In einer zweiten, in Figur 5 dargestellten Ausführungsform wird ein Strahl 2 aus einer Primarlichtquelle 1 mit einem ersten optischen System 3, vorzugsweise einer oder mehrerer Linsen, in ein nichtlinear optisches Material 5 fokussiert. Durch Frequenzkonversion wird ein Teil der Leistung des eingekoppelten Primärstrahls auf Strahlen anderer Frequenzen konvertiert. Nach dem ersten Durchgang 42 durch das nichtlinear optische Material 5 werden die neu generierten Strahlen zusammen mit dem Rest des Primärstrahls mit einem zweiten optischen System 40, vorzugsweise einem Hohlspiegel, umgelenkt und fokussiert. Nach dem zweiten Durchgang 43 durch das nichtlinear optische Material 5 werden die Strahlen wiederum mit einem dritten optischen System 41, vorzugsweise einem Hohlspiegel, umgelenkt und zu einem dritten Durchgang 44 in das nichtlinear optische Material 5 fokussiert. Nach dem dritten Durchgang 44 durch das nichtlinear optische Material 5 werden die frequenzkonvertierten Strahlen und der Rest des Primärstahls mit einem vierten optischen System 45 in einen Austrittsstrahl 46 kollimiert. Zwecks externer phasenanpassung kann wiederum ein temperaturregulierbarer, mit einem transparenten Medium 37 gefüllter Behälter 38 verwendet werden.
In einer dritten, in Figur 6 dargestellten Ausführungsform wird ein Strahl 2 aus einer Primarlichtquelle 1 mit einem ersten optischen System 3 auf eine Stirnfläche 50 eines nichtlinear optischen Materials 5 fokussiert. Die Stirnfläche 50 ist mit einer reflektierenden Beschichtung versehen, so dass der verbleibende Primärstrahl zusammen mit den im ersten Durchgang 52 durch das nichtlinear optische Material 5 frequenzkonvertierten Strahlen einen zweiten Durchgang 53 durch das nichtlinear optische Material 5 macht, ohne dabei das nichtlinear optische Material 5 zu verlassen. Die reflektierende Beschichtung kann bspw. mindestens eine Metallschicht, mindestens eine dielektrische Schicht oder eine Folge aus solchen Schichten sein. Die Kombination von direkter Umlenkung der Strahlen auf der einen Stirnfläche 50 des nichtlinear optischen Materials 5 und der Umlenkung durch ein optisches System 51 auf der gegenüberliegenden Seite des Materials ergibt beispielsweise eine Vorrichtung mit vierfachem Durchgang 52, 53, 54, 55 durch das nichtlinear optische Material 5. Nach dem vierten Durchgang 55 durch das nichtlinear optische Material 5 werden die frequenzkonvertierten Strahlen und der Rest des Primärstahls mit einem optischen System 56 in einen Austrittsstrahl 57 kollimiert. Zwecks externer phasenanpassung kann wiederum ein temperaturregulierbarer, mit einem transparenten Medium 37 gefüllter Behälter 38 verwendet werden.
Die hier erläuterten Ausführungsformen der Erfindung stellen nur Beispiele dar. Bei Kenntnis der Erfindung ist es dem Fachmann möglich, weitere Ausführungsformen der Erfindung zu entwerfen.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zur optischen Frequenzkonversion, bei welchem Primärlicht
(2) einer ersten spektralen Zusammensetzung in mindestens ein optisch nichtlineares Medium (5) eingekoppelt wird, so dass es sich in diesem optisch nichtlinearen Medium (5) ausbreitet (32), wobei ein Teil des Primärlichtes in
Sekundärlicht einer zweiten spektralen Zusammensetzung umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Durchquerung zumindest eines Teils des optisch nichtlinearen Mediums (5) sowohl das Primärlicht als auch das Sekundärlicht derart umgelenkt werden, dass sie sich räumlich überlagert wiederum im optisch nichtlinearen Medium (5) ausbreiten (33).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Primärlicht als auch das Sekundärlicht mehrmals derart umgelenkt werden, dass sie sich räumlich überlagert wiederum im optisch nichtlinearen Medium (5) ausbreiten (43, 44, 53, 54, 55).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht jeweils um einen Umlenkwinkel zwischen 160° und einem Winkel kleiner als 180°, insbesondere zwischen 170° und 179°, umgelenkt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärlicht räumlich überlagert mit dem nicht in Sekundärlicht umgewandelten Teil des Primärlichtes aus dem optisch nichtlinearen Medium
(5) ausgekoppelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht vor der Einkopplung ins optisch nichtlineare Medium und/oder vor der erneuten Ausbreitung im optisch nichtlinearen Medium (5) fokussiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht derart fokussiert wird, dass seine Einschnürung innerhalb des optisch nichtlinearen Mediums (5) oder auf eine Grenzfläche (50) des optisch nichtlinearen Mediums (5) zu liegen kommt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das
Primärlicht (2) derart ins optisch nichtlineare Medium (5) eingekoppelt wird, dass interne Phasenanpassung erreicht wird, d. h. bei allen Durchquerungen
(32, 33) des optisch nichtlinearen Mediums (5) maximale Frequenzkonversion stattfindet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht derart ins optisch nichtlineare Medium (5) eingekoppelt sowie umgelenkt und das optisch nichtlineare Medium (5) derart in ein transparentes
Umgebungsmedium (37) eingebettet wird, dass externe Phasenanpassung erreicht wird, d. h. sich Sekundärlicht nach zwei aufeinanderfolgenden Durchquerungen (32, 33) des optisch nichtlinearen Mediums (5) zu maximaler Leistung addiert.
9. Vorrichtung zur optischen Frequenzkonversion, mit mindestens einem optisch nichtlinearen Medium (5), gekennzeichnet durch optische Umlenkmittel (35), welche derart bezüglich des optisch nichtlinearen Mediums (5) angeordnet sind, dass sich im optisch nichtlinearen Medium (5) ausbreitendes Licht (32) durch die Umlenkmittel (35) im wesentlichen vollständig ins optisch nichtlineare Medium (5) umlenkbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel als mindestens ein planer und/oder konkaver Spiegel (35, 40, 41, 51) und/oder als Grenzfläche (50) des optisch nichtlineraren Mediums (5) ausgebildet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Grenzfläche (30, 31, 50) des optisch nichtlinearen Mediums (5) mit einer reflektierenden oder einer antireflektierenden Beschichtung versehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass dem optisch nichtlinearen Medium (5) ein fokussierendes optisches System (3) vorgeschaltet und/oder ein kollimierendes optisches System (39) nachgeschaltet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch nichtlineare Medium (5) und die Umlenkmittel (35) in einem transparenten Umgebungsmedium (37), insbesondere Glas, Luft und oder Stickstoff, eingebettet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, dass sie sich zumindest teilweise in einem temperaturstabilisierbaren Behälter (38) befindet.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optisch nichtlineare Medium (5) ein KNbÜ3, LiNbθ3,
KTiOPθ4 (KTP), BaB2θ4 (BBO), L1B3O5 (LBO), CSB3O5 (CBO) oder
CsLiBöOio (CLBO) Kristall oder ein periodisch gepolter ferroelektrischer Kristall ist.
16. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-15 in optischen Frequenzwandlern zur Frequenzverdopplung, Frequenzvervielfachung, Summenfrequenzerzeugung, Differenzfrequenzerzeugung oder optisch- parameterischen Verstärkung.
17. Lichtquelle mit mindestens einer Primärlichtquelle (1) und mindestens einem optischen Frequenzwandler (5), in welchen von der mindestens einen Primärlichtquelle (1) ausgesandtes Licht (2) einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Frequenzwandler (5) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-15 ist.
18. Lichtquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Primärlichtquelle (1) ein Halbleiterdiodenlaser, ein Festköφerlaser, ein Wellenleiterlaser und/oder ein Fiberlaser mit einer Emmissionswellenlänge zwischen 260 nm und 2 μm ist. GEÄNDERTE ANSPRÜCHE
[beim Internationalen Büro am 26 November 1999 (26.11.99) eingegangen; ursprungliche Ansprüche 1 und 5-18 durch neue Ansprüche 1 und 5- Hersetzt , alle weiteren
Ansprüche unverändert (5 selten)]
1 Verfahren zur optischen Frequenzkonversion, beinhaltend die folgenden Verfahrens schritte
(a) Einkoppeln von Primarlicht (2) einer ersten spektralen Zusammensetzung 5 in mindestens ein optisch nichtlineares Medium (5), so dass sich das
Primarlicht (2) in diesem optisch nichtlinearen Medium (5) ausbreitet (32),
(b) Umwandlung eines Teils des Primarlichtes in Sekundarlicht einer zweiten spektralen Zusammensetzung;
(c) nach einer Durchquerung zumindest eines Teils des optisch nichtlinearen 10 Mediums (5) Umlenkung sowohl des Primarlichtes als auch des
Sekundarlichtes derart, dass sie sich raumlich überlagert wiederum im optisch nichtlinearen Medium (5) ausbreiten (33), und dass das Primarlicht keinen geschlossenen Weg zurücklegt,
dadurch gekennzeichnet, dass
15 das Licht (2, 32) bei jeder Durchquerung (32, 33) des optisch nichtlinearen
Mediums (5) ins optisch nichtlineare Medium (5) fokussiert wird
2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Primarlicht als auch das Sekundarlicht mehrmals derart umgelenkt werden, dass sie sich raumlich überlagert wiederum im optisch nichtlinearen Medium 20 (5) ausbreiten (43, 44, 53, 54, 55)
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Licht jeweils um einen Umlenkwinkel zwischen 160° und einem Winkel kleiner als 180°, insbesondere zwischen 170° und 179°, umgelenkt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärlicht räumlich überlagert mit dem nicht in Sekundärlicht umgewandelten Teil des Primärlichtes aus dem optisch nichtlinearen Medium (5) ausgekoppelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht derart fokussiert wird, dass seine Einschnürung innerhalb des optisch nichtlinearen Mediums (5) oder auf eine Grenzfläche (50) des optisch nichtlinearen Mediums (5) zu liegen kommt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen des Primärlichtes und des Sekundärlichtes in derjenigen optimalen Beziehung zueinander gehalten werden, in welcher maximale Frequenzkonversion stattfindet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht derart ins optisch nichtlineare Medium (5) eingekoppelt sowie umgelenkt und das optisch nichtlineare Medium (5) derart in ein transparentes Umgebungsmedium (37) eingebettet wird, dass externe Phasenanpassung erreicht wird, d. h. sich Sekundärlicht nach zwei aufeinanderfolgenden
Durchquerungen (32, 33) des optisch nichtlinearen Mediums (5) zu maximaler Leistung addiert.
8. Vorrichtung zur optischen Frequenzkonversion, beinhaltend
mindestens ein optisch nichtlineares Medium (5) und
optische Umlenkmittel (35), welche derart bezüglich des optisch nichtlinearen Mediums (5) angeordnet sind, dass sich im optisch nichtlinearen Medium (5) ausbreitendes Licht (32) durch die Umlenkmittel (35) im wesentlichen vollständig ins optisch nichtlineare Medium (5) umlenkbar ist, aber das Licht (32, 33) nicht auf einem geschlossenen Weg führbar ist,
gekennzeichnet durch
Mittel (3, 35) zur Fokussierung von Licht (2, 32) ins optisch nichtlineare Medium (5) bei jeder Durchquerung (32, 33) des optisch nichtlinearen
Mediums (5).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel als mindestens ein planer und/oder konkaver Spiegel (35, 40, 41, 51) und/oder als Grenzfläche (50) des optisch nichtlineraren Mediums (5) ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Grenzfläche (30, 31, 50) des optisch nichtlinearen Mediums (5) mit einer reflektierenden oder einer antireflektierenden Beschichtung versehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, dass dem optisch nichtlinearen Medium (5) ein fokussierendes optisches System (3)
GEÄNDERTES BLATT ARTDKEL 19 vorgeschaltet und/oder ein kollimierendes optisches System (39) nachgeschaltet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch nichtlineare Medium (5) und die Umlenkmittel (35) in einem transparenten Umgebungsmedium (37), insbesondere Glas, Luft und/oder
Stickstoff, eingebettet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, dass sie sich zumindest teilweise in einem temperaturstabilisierbaren Behälter (38) befindet.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optisch nichtlineare Medium (5) ein KNbθ3, LiNbθ3, KTiOPθ4 (KTP), BaB2θ4 (BBO), L1B3O5 (LBO), CSB3O5 (CBO) oder CsLiBöOio (CLBO) Kristall oder ein periodisch gepolter ferroelektrischer Kristall ist.
15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-14 in optischen Frequenzwandlern zur Frequenzverdopplung, Frequenzvervielfachung, Summenfrequenzerzeugung, Differenzfrequenzerzeugung oder optisch- parameterischen Verstärkung.
16. Lichtquelle mit mindestens einer Primärlichtquelle (1) und mindestens einem optischen Frequenzwandler (5), in welchen von der mindestens einen
Primärlichtquelle (1) ausgesandtes Licht (2) einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Frequenzwandler (5) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-15 ist.
17. Lichtquelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Primärlichtquelle (1) ein Halbleiterdiodenlaser, ein Festköφerlaser, ein Wellenleiterlaser und/oder ein Fiberlaser mit einer Emmissionswellenlänge zwischen 260 nm und 2 μm ist.
GEÄNDERTES BLATT ARTDKEL 19
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