WO2002044807A2 - Uv-festkörperlaser - Google Patents

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WO2002044807A2
WO2002044807A2 PCT/EP2001/013981 EP0113981W WO0244807A2 WO 2002044807 A2 WO2002044807 A2 WO 2002044807A2 EP 0113981 W EP0113981 W EP 0113981W WO 0244807 A2 WO0244807 A2 WO 0244807A2
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WO
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resonator
frequency
laser beam
crystal
linear
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PCT/EP2001/013981
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Manfred Salzmann
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Nlg-New Laser Generetion Gmbh
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    • 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
    • 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
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a laser beam according to the preamble of claim 1.
  • the device for generating a laser beam of a predetermined frequency conventionally comprises a first non-linear crystal, which is designed to convert a laser beam with a first frequency at least partially into a laser beam with a second frequency, the second frequency being an integral multiple of the first frequency. Furthermore, the device comprises a second non-linear crystal, which is designed to convert the laser beam with the second frequency at least partially into the laser beam with the predetermined frequency, the predetermined frequency being an integral multiple of the second frequency.
  • semiconductor lasers or diode-pumped solid-state lasers DPSS lasers
  • a laser source consists of one Laser resonator and an active medium.
  • the active medium is excited to emit light, which is stored and amplified in the laser resonator.
  • the amplification bandwidth of the active medium is the frequency range of electromagnetic radiation in which the active medium can be excited to emit coherent electromagnetic radiation.
  • the laser source then emits, for example, continuous laser radiation in the red or infrared spectral range.
  • the conversion of laser radiation in a non-linear crystal is also called non-linear conversion. Multiple non-linear conversion can be used to generate laser light in the ultraviolet spectral range, for example, from laser light in the infrared spectral range.
  • non-linear crystals are used which are able to multiply the laser beams with the first frequency, hereinafter referred to as the basic frequency, or to convert them more generally in order to obtain a laser beam with a predetermined frequency.
  • Nonlinear crystals are most commonly used to generate twice the frequency of a fundamental frequency, but higher sum and difference frequencies of two fundamental frequencies can also be generated.
  • the frequently used wavelength 1064nm of the solid-state laser material Nd.YAG can be used to generate a wavelength of 266nm by doubling the frequency, for which there are various industrial applications.
  • the first non-linear conversion to generate visible laser radiation with a wavelength of 532 nm is often carried out in the laser resonator itself ("intra-cavity" doubling or “internal” doubling).
  • a non-linear crystal inserted in the laser resonator generates a laser beam with the. double frequency.
  • the beam with twice the frequency of a fundamental wave is also called second harmonic in the following.
  • the second harmonic can be generated outside the laser resonator. Since the direct non-linear conversion of continuous laser radiation in a non-linear crystal is far too inefficient for a practical application, the known method of resonant frequency doubling is used for this an external resonator is used (see for example Schneider et al. Optics Letters, Vol. 21, 1996 page 1999). The further non-linear conversion to even shorter wavelengths is then carried out in a further external resonator with the second non-linear crystal. The combination of an either internally or externally frequency-doubled laser beam with a resonant frequency doubler, i.e.
  • an external resonator with a frequency-doubling non-linear crystal which converts the frequency-doubled laser beam into a laser beam with four times the frequency of the fundamental wave (fourth harmonic) corresponds to the state of the art Technology for continuous UV solid-state lasers (see for example US 5,621, 744 and US 5,696,780).
  • a laser beam with a first frequency is coupled into an optical resonator via a partially transparent coupling mirror, which is resonantly tuned to the frequency of the coupled laser beam Coupled laser beam is stored in the optical resonator, ie ideally the laser beam cannot leave the resonator and circulates within the resonator.
  • the power of the coupled laser beam decreases over time if there is no further laser radiation in the resonator
  • constant energy supply ie with continuous coupling of L a radiation
  • an equilibrium state is reached in which the radiation coupled in per time corresponds to the radiation coupled out per time due to losses.
  • the power of the wave circulating in the resonator is constant.
  • the resonator is resonantly tuned to the frequency of the injected laser beam when the injected wave interferes constructively with waves that have circulated one or more times in the resonator in order to reinforce one another.
  • the optical length of a linear resonator is set with the aid of a suitable device so that it is an integral multiple of half the wavelength of the injected laser beam.
  • a ring resonator there is resonance if the optical length of the resonator is an integral multiple of the wavelength of the injected laser beam.
  • a standing wave forms in the resonator. If the losses in the resonator are low and the partially transparent coupling-in mirror is provided with a favorably chosen reflectance, then the resonance is increased with continuous coupling, i.e. the power of the light beam circulating in the resonator is greater than the power of the light beam incident from the outside.
  • the reflectance R of the coupling mirror is optimal if
  • V is the relative losses of the circulating light beam during a revolution in the resonator, hereinafter called resonator losses.
  • impedance matching the enhancement factor
  • the light beam circulating in the resonator has A times the power of the incident light wave or the injected light beam.
  • cant factors between 100 and 200 are achieved.
  • a nonlinear crystal is located in the resonator, which is irradiated by the circulating light beam and generates a second light wave with a second frequency by nonlinear conversion, which is coupled out of the resonator, for example by a resonator mirror which is transparent at this second frequency.
  • this is twice the frequency of the Fundamental wave, but higher harmonics or sum and difference frequencies can also be generated by nonlinear conversion. If a light beam is generated with twice the frequency of the fundamental wave, this is also called the second harmonic of the fundamental wave or simply the second harmonic.
  • the power P 2 of the second harmonic generated in the nonlinear crystal is calculated in accordance with direct, non-resonant frequency doubling
  • the conversion efficiency ⁇ is the ratio of the converted power P 2 to the fundamental wave power Pi and is therefore calculated as:
  • the exaggeration factor A 1 / V is essentially a constant, since the losses V mainly consist of reflection losses on optical surfaces and scatter losses in the non-linear crystal.
  • the non-linear conversion of the coupled-in fundamental wave represents a loss of power of the fundamental wave in the resonator. Because of the quadratic dependence of the conversion process, these losses play a subordinate role at low powers of the fundamental wave, so that the exaggeration factor A is essentially independent of the power Pi of the radiated fundamental wave.
  • the output of the converted radiation can thus be increased by a factor A 2 «10,000 by resonant superelevation, as a result of which practical conversion efficiencies between 10% and 40% can be achieved.
  • Modes of a resonator are those monochromatic light beams which form a standing wave in the resonator.
  • Several resonator modes form in a laser resonator if the frequency bandwidth of the light generated by the active medium sweeps over several modes of the resonator.
  • the result of the mode coupling is chaotic intensity fluctuations with modulation depths of up to 100% and frequencies from a few Hertz to a few 100 kHz, and there are different measures for avoiding such intensity fluctuations known.
  • the length of the resonator can be chosen so large that a particularly large number of axial modes (order of magnitude 200) are excited in the resonator. With a certain arrangement and careful adjustment, low noise values of 0.3% and less can then be achieved (see US Pat. No. 5,638,388).
  • single-mode operation is forced, which precludes coupling of several modes from the outset.
  • phase matching In order for the conversion coefficient to take usable values, phase matching must be present in the non-linear crystal. Phase adaptation occurs when all beams generated in the nonlinear crystal interfere constructively with one another at the converted frequency, so that a beam with maximum intensity is generated. This requires that the laser beams generated have a fixed phase relationship to one another. This is exactly the case when the refractive index of the crystal at the unconverted wavelength is the same size as its refractive index at the converted wavelength.
  • the phase adjustment can be done by angle adjustment (critical phase adjustment) or by temperature adjustment (non-critical phase adjustment).
  • the uncritical phase adjustment is based on the dependence of the refractive index of a crystal on its temperature.
  • the refractive index for the radiated fundamental wave corresponds to the refractive index of the converted beam.
  • the conversion efficiency is generally higher and the beam profile of the converted beam is of higher quality, i.e. closer to the desired Gaussian beam shape.
  • the crystal materials currently available only allow the use of uncritical phase matching for a few, narrow wavelength ranges. In particular, there is currently no crystal material with which laser light in the deep UV range can be generated with non-critical phase adjustment.
  • the critical phase adjustment is based on the dependence "of the refractive index of a crystal on the direction in which a light beam propagated through the crystal.
  • Such crystals are called birefringent crystals.
  • the refractive index is therefore dependent on both the frequency and the direction of propagation of a monochromatic electromagnetic wave.
  • the refractive index for the fundamental wave is equal to the refractive index for the converted beam.
  • the efficiency of the non-linear conversion in critically phase-adapted crystals is reduced by the so-called walk-off effect, a consequence of the birefringence (see, for example, Boyd et al., Journal of Applied Physics 39, 1968, page 3597).
  • the walk-off effect denotes the fact that the direction of propagation of the fundamental wave and the converted wave in the non-linear crystal is different in the case of critical phase adjustment.
  • the crystal material BBO which is often used for UV generation, has a particularly large walk-off effect.
  • the walk-off effect also has an unfavorable effect on the beam profile of the converted laser beam.
  • the beam profile in the near field region which in typical conditions extends over a distance of a few 10 cm to 1 m from the beam source, has interference fringes which make the beam profile unusable for many applications in this range. Due to the presence of imaging optical elements within the near field, the interference-like distorted beam profile can even be extended to infinity.
  • DE 198 32 647 describes measures which are intended to prevent the beam profile in the far field from having such undesirable distortions. However, no measures for improving the beam profile in the near field are given.
  • a non-linear crystal in the passive resonator doubles the frequency of the fundamental wave circulating in the resonator, so that a frequency-doubled multimode laser beam with a wavelength of 266 nm is produced.
  • both the laser source and the passive resonator must have a large optical length of the order of 1 m.
  • the proposed arrangement represents a combination of two complex devices with physically predetermined dimensions and is therefore less suitable for realizing compact laser beam sources for generating continuous UV laser light.
  • the continuous UV solid-state lasers according to the state of the art are expensive to manufacture, fragile to operate and relatively large in their external dimensions, since they are a combination of two complex devices: the intracavity frequency-doubled DPSS laser is a complex measure to reduce of noise is required, as explained above.
  • the subsequent generation of the fourth harmonic in a passive optical resonator is associated with a comparably high technical outlay.
  • the coupling of the second harmonic into the optical resonator and compliance with the resonance condition is very sensitive to external influences, such as mechanical vibrations, sound waves and temperature changes, which makes the entire system susceptible to faults.
  • the technical effort is only slightly dependent on the desired output power of the UV laser.
  • the patent US 5,159,602 represents the closest prior art. It proposes an arrangement for a pulsed UV laser in which two non-linear crystals are located within a common storage ring.
  • a laser pulse of a mode-locked, pulsed solid-state laser, hereinafter called the basic pulse, is doubled in frequency by a first non-linear crystal.
  • the laser pulse with double frequency generated in this way is enclosed in the storage ring, which is resonant in time to the repetition frequency of the laser pulses, ie the round trip time of a frequency-doubled laser pulse in the ring resonator corresponds to the time interval between the basic pulses generated by the UV laser.
  • the basic pulse is in turn converted by the first nonlinear crystal into a frequency-doubled laser pulse, which is in phase with the rotating frequency-doubled laser pulse.
  • the synchronous superimposition of the frequency-doubled laser pulses circulating in the ring resonator results in an amplification of the frequency-doubled laser pulse which circulates in the storage ring.
  • the twice frequency-doubled laser beam is then further modulated in pulse form, the modulation frequency corresponds to the repetition frequency of the basic pulse.
  • a resonance condition in the case of the coupling of a continuous laser beam is not disclosed. Without additional measures, the proposed arrangement is therefore not suitable for generating a continuous UV laser beam with sufficient intensity.
  • the object of the invention is to provide a compact and inexpensive device for generating a laser beam with a predetermined frequency, which is suitable for converting a continuous laser beam with a first frequency into the laser beam with the predetermined frequencies.
  • a first laser beam with a first frequency, or fundamental wave for short, is converted into a second laser beam with a second frequency by means of a first non-linear crystal.
  • the laser beam with the second frequency is stored in a resonator, ie the laser beam rotates in the resonator.
  • the resonator is tuned to the second frequency so that the resonance of the second laser beam is increased.
  • a linear resonator is tuned to the second frequency, for example, if and only if the optical length of the laser beam in the resonator is an integral multiple of half the wavelength of the laser beam.
  • all resonator mirrors are coated with a highly reflective coating for the wavelength of the second laser beam, and the resonator length is tuned to an integer multiple of half the wavelength of the second laser beam using a suitable device, for example a resonator mirror on a piezo element.
  • the resonator is not tuned to the repetition frequency of a pulsed laser beam with the first frequency but to the frequency of the second harmonic. This resonance condition is therefore no longer dependent on the repetition frequency of a pulsed laser beam, which does not exist in the case of a continuously irradiated laser beam. There is therefore a resonance condition that applies to both pulsed and continuous laser beams with the first frequency can be maintained.
  • the laser beam with the second frequency thus forms a mode of the resonator.
  • a second crystal in the resonator causes the laser beam at the second frequency to be converted into a laser beam at the predetermined frequency.
  • the laser beam can be coupled out of the resonator at the predetermined frequency by means of a suitable device.
  • the second frequency is twice the frequency and the predetermined frequency is four times the frequency of the fundamental frequency.
  • Another advantage of the present invention is that the "green problem" is avoided due to the external frequency doubling.
  • the technically complex methods for avoiding the green problem do not have to be used, so that the device according to the invention is simpler and less expensive than lasers with internal frequency doubling.
  • the device according to the invention achieves a two-fold conversion of a fundamental wave with only one resonator, so that a more compact and less expensive device can be provided.
  • the resonator is tuned to the frequency of the fundamental wave to be converted in order to achieve a resonance increase in the fundamental wave and thus an increased conversion efficiency.
  • the resonator is tuned according to the invention to the second harmonic generated in a first non-linear crystal.
  • the reason for the increase in efficiency in the resonance condition according to the invention lies in the multiple passage of the second harmonic through the second nonlinear crystal, hereinafter referred to as SHG crystal (second harmonic generation).
  • SHG crystal second harmonic generation
  • the second harmonic generated in the first nonlinear crystal passes through the SHG crystal several times and is amplified with each pass.
  • the effective crystal length is thereby increased by the cant factor A of the resonator. Since the conversion efficiency is proportional to the square of the effective crystal length, the power P 2R of the second harmonic rotating in the resonator is increased by the factor A 2 .
  • the passive resonator is designed as a linear resonator and the laser beam from the diode-pumped solid-state laser is coupled into the passive resonator in a non-resonant manner.
  • a first resonator mirror is provided with a coating which is highly reflective both for the fundamental wave and for the second harmonic, so that the non-converted portion of the fundamental waves emerging from the first nonlinear crystal is reflected back into the crystal by this first resonator mirror.
  • the fundamental wave thus passes through the first non-linear crystal twice.
  • the conversion of the fundamental wave into the laser beam with the predetermined frequency takes place every time the fundamental wave passes the first nonlinear crystal, so that a higher conversion of the fundamental wave is achieved.
  • the crystal With critical phase adjustment, the crystal generates two frequency-doubled laser beams in opposite directions, which are combined into a standing wave by the resonator mirrors.
  • the double passage through the crystal in different directions corresponds to a single passage through a crystal twice as long. Since the reflection of fundamental wave and second harmonic on the mirror takes place in different deep layers, a phase difference arises. By varying the crystal temperature, a very fine adjustment of the phase difference can be carried out.
  • the relative phase position between the fundamental wave and the second harmonic in the first nonlinear crystal is set by the temperature control of the crystal in such a way that the conversion efficiency is at a maximum. Ideally, this can be achieved by superimposing the parts of the second harmonic generated in opposite directions in the correct phase. This corresponds to the case of an ideally phase-matched crystal with twice the length.
  • the relative phase position between the beam generated in a second direction and the fourth harmonic beam reflected back by the second resonator mirror is adjusted by temperature control of the second nonlinear crystal in such a way that the two beams interfere constructively and the conversion efficiency is as high as possible.
  • a third resonator mirror is highly reflective for the second harmonic and transparent for both the fundamental wave and the fourth harmonic, so that the fundamental wave can enter the resonator through this resonator mirror and the fourth harmonic can exit the resonator through this resonator mirror.
  • the fundamental wave can thus be coupled into the resonator via the same mirror via which the fourth harmonic is coupled out of the resonator.
  • the third resonator mirror there is a plane-parallel plate in the resonator, which is at a Brewster angle to the second laser beam and whose plane of incidence is parallel to the direction of polarization of the second laser beam, and the first surface of the plane-parallel plate is provided with a polarization beam splitter layer which is highly reflective to the fundamental and transparent to the second harmonic, and the second surface is provided with a polarizing beam splitter layer which is highly reflective to the fourth harmonic and transparent to the second harmonic so that the fundamental wave is coupled into the resonator as well the fourth harmonic can be extracted from the resonator via the plane-parallel plate.
  • polarization beam splitter layers for coupling in the fundamental wave and for coupling out the fourth harmonic are applied directly to a surface of the first or second nonlinear crystal arranged at a Brewster angle and a further surface of the first or second crystal is coated with an anti-reflective coating for the fundamental wavelength or for the Second harmonic wavelength.
  • the laser resonator and the passive resonator are coupled resonantly, in that the two resonators have a common resonator mirror and a common beam section in which the first non-linear crystal is located, while the active laser crystal is in the non-common part of the laser resonator and the second nonlinear crystal is located in the non-common part of the passive resonator, and the fundamental wave and the second harmonic are separated by a polarization beam splitter.
  • single-mode operation is achieved in that either an etalon is introduced into the laser resonator or the laser resonator consists of two coupled partial resonators which have only one common mode within the gain profile of the active laser crystal.
  • At least the entrance or exit surface of the first or the second non-linear crystal has a cylindrical curvature and at least one of the resonator mirrors is cylindrically curved, so that the beam cross section of the second harmonic one has an elliptical shape that can reduce the walk-off effect of at least one of the two crystals.
  • the optical length of the resonator is an integral multiple of half the optical length of the solid-state laser resonator, so that the doubled frequencies of all existing axial modes of the solid-state laser are simultaneously resonant.
  • the axial modes of the laser are all converted by the first nonlinear crystal, so that the second harmonic has several axial modes with different frequencies. If the resonator is tuned to only one of the frequencies of the axial modes, then only this component of the second harmonic is amplified.
  • the chosen optical length of the resonator has the effect that all modes of the second harmonic are resonantly tuned in the resonator and are thus amplified equally.
  • an electro-optically active material is selected, which can cause a modulation of the resonator length by applying a high-frequency electric field to the crystal, so that an error signal for a control loop is generated by phase-sensitive detection of the intensity modulation of the second harmonic Is available, which is able to adjust the resonator length to an integer multiple of half the wavelength of the second harmonic.
  • the passive resonator is a ring resonator with two mirrors and two trapezoidal non-linear crystals, a first resonator mirror serving as a coupling mirror for the fundamental wave and as a coupling mirror for the fourth harmonic, and a first surface of at least one non-linear crystal is uncoated and at a Brewster angle Laser radiation stands, and another surface is coated antireflectively for the second harmonic and for the fundamental wave or the fourth harmonic.
  • the surfaces of at least one nonlinear crystal are cylindrically curved, so that a basic mode is formed in the resonator has an elliptical beam profile in at least one non-linear crystal. This compensates for the distortion of the beam profile due to the walk-off effect, so that an essentially Gaussian beam profile of the laser beam is formed with the predetermined frequency.
  • the fundamental wave laser 12 consists of a laser diode 14 as a pump light source, collimation optics 15 and a laser crystal 16. Because of the high efficiency, the wide absorption band at 808 nm and the polarized emission at 1064 nm, the material Nd: YVO 4 is preferred for the laser crystal used.
  • the surface of the laser crystal facing the laser diode is provided with a coating that is highly reflective for 1064 nm and transparent for 808 nm. The parallel exit surface is coated so that it has a reflectivity of 95% at 1064nm.
  • an additional high reflectivity of the exit surface for 808 nm can be useful in order to achieve a higher absorption of the pump radiation.
  • the surfaces of the laser crystal can be made flat with moderate parallelism requirements, which simplifies the manufacturing process and lowers costs. Due to the absorption of the pump light in the laser crystal, a thermal lens is formed, which ensures an optically stable resonator geometry despite the flat and not completely parallel mirror surfaces.
  • the first laser beam 7 (fundamental wave) generated by this solid-state laser of simple construction generally has several closely adjacent frequencies (axial modes) at a wavelength of 1064 nm at a distance c / (2nd), where d »3 mm the length of the laser crystal, n « 2 the refractive index of the crystal material and c mean the speed of light.
  • the laser crystal 16 is oriented in such a way that the emitted fundamental wave 7 is polarized perpendicular to the resonator plane defined by the resonator mirrors 1, 4 and 19 (plane of the drawing), ie the c-axis of the laser crystal is aligned perpendicular to the resonator plane.
  • UV lasers according to the prior art, as for example in US Pat. No. 5,696,780, there is no non-linear crystal inside the laser resonator, so that intensity fluctuations due to mode coupling do not occur.
  • the passive resonator is a folded linear resonator, consisting of mirrors 1, 4 and 19.
  • the resonator mirror 1 serves as a coupling mirror for the fundamental wave and as a coupling mirror for the fourth harmonic and is therefore transparent for both the fundamental wave and the fourth harmonic, but highly reflective for the second harmonic.
  • Mirror 4 is highly reflective for both the fundamental wave and the second harmonic
  • mirror 19 is highly reflective for the second as well as for the fourth harmonic.
  • Mirror 19 is also mounted on a piezo element 9, with the aid of which the resonator length can be adjusted. However, the resonator length is not tuned to the fundamental wave, but to the second harmonic generated by the nonlinear crystal 10 within the resonator.
  • the second harmonic will also consist of several frequencies, with the distance c / (nd).
  • the passive resonator with the optical length L 0 has resonance frequencies in the frequency spacing c / (2L 0 ). So that all modes of the second harmonic can be made resonant at the same time, their frequency spacing must be equal to the spacing of the resonances or an integral multiple thereof:
  • This represents a "macroscopic" resonance condition which, in the case of a multimode laser, must be observed in addition to the "microscopic" resonance condition L 0 m ⁇ / 2, where m is an integer of the order of 100,000 and ⁇ is the wavelength of the second harmonic ,
  • the macroscopic condition is to be maintained with a moderate accuracy of approx. 10 "4 m, while the microscopic condition must be maintained with an accuracy of approx. 10 " 9 m.
  • a corresponding manufacturing precision is sufficient for compliance with the macroscopic condition, while compliance with the microscopic condition can only be ensured by active length stabilization, for example with the aid of a piezo element 9.
  • the resonator mirrors 1, 4 and 19 are provided with spherically curved surfaces, so that the basic mode forming in the resonator has two beam waists, the first of which is approximately in the middle of the SHG crystal 10, the second in the middle of the FHG crystal 11 is located.
  • the size and position of the beam waist can be determined by the choice of the mirror distances and their radii of curvature (see e.g. Kogelnik et al., Applied Optics, Vol. 5, October 1966, page 1550).
  • the most favorable size of the beam waists for the highest possible conversion efficiency can be determined with that of Boyd et al. , Journal of Applied Physics, Vol. 39, July 1968, page 3597.
  • the lens 13 focuses the fundamental wave 7 in the SHG crystal 10, which is located in the resonator branch between the mirrors 1 and 4.
  • the focusing conditions are selected so that the beam waist of the fundamental wave generated in the SHG crystal is larger by a factor of / 2 than the beam waist of the second harmonic in this crystal. This achieves the best possible coupling of the fundamental wave with the second harmonic in the SHG crystal.
  • the SHG crystal has a cubic shape with an entrance surface 2 and one Exit surface 3, both of which are coated anti-reflectively both for the fundamental wave and for the second harmonic.
  • the second harmonic 20 generated in the SHG crystal is polarized parallel to the resonator plane and is periodically reflected back by the resonator mirrors, so it passes through the crystal in both directions.
  • phase matching is then achieved by angular tuning around an axis perpendicular to the resonator plane.
  • the temperature of the crystal is adjusted so that there is phase matching.
  • the materials LBO and LiNb0 3 can be used, for example, at the basic wavelength 1064nm, depending on the crystal cut, with both critical and non-critical phase matching.
  • the SHG crystal is provided with electrodes 17 to which a high-frequency AC voltage is connected. If the SHG crystal is an electro-optically active material, this modulates the refractive index of the crystal and thus the optical path length in the resonator. This is the case, for example, with the crystal material LiNb0 3 , which has particularly large electro-optical coefficients, but materials such as BBO or KDP are also suitable for this.
  • a control signal can be obtained for controlling a piezo element 9 with which the resonator length is tuned to resonance with the wavelength of the second harmonic.
  • the FHG crystal 11 can also be used to modulate the resonator length if its electro-optical properties are more suitable for this.
  • the fundamental wave passes through the SHG crystal 10 a second May in the opposite direction. - Because of If the unconverted part of the fundamental wave subsequently runs back into the laser source 12, measures must be taken to avoid stability problems in the laser source 12. If an SHG crystal with critical phase adjustment is used, a slight misalignment of the fundamental wave beam with respect to the resonator plane is sufficient, so that the reflected beam no longer falls back exactly into the basic mode of the laser resonator. Since the fundamental wave is not resonantly coupled into the passive resonator, a slight misalignment with respect to the resonator mirrors is permissible.
  • a critically phase-matched crystal has a high angular sensitivity in the resonator plane, but a low angular sensitivity perpendicular to it.
  • the fundamental wave can therefore be tilted slightly in relation to the resonator level without the phase adaptation in the crystal and thus the conversion efficiency changing significantly.
  • back reflection can also be avoided with the help of a Faraday isolator, which is placed between the laser source and the resonator.
  • the FHG crystal 11 for generating the fourth harmonic 8 is located between the mirrors 1 and 19 and also has a cubic shape with two surfaces 5 and 6, both of which are coated anti-reflectively for the second and fourth harmonics.
  • the main cutting plane is oriented perpendicular to the resonator plane and the angular adjustment is carried out by rotation about an axis which lies in the resonator plane and is perpendicular to the laser beam direction. Since the FHG crystal is irradiated in both directions by the second harmonic, the fourth harmonic is also generated in both directions.
  • the partial beam of the fourth harmonic emerging through the surface 6 from the crystal 11 emerges from the resonator through the mirror 1.
  • the partial beam generated in the other direction emerges from the crystal through the surface 5 and is reflected back in itself by the mirror 19, so that it re-enters the crystal and unites with the other partial beam at the surface 6 as it emerges from the crystal.
  • Both the fundamental wave and the fourth harmonic pass through the SHG or FHG crystal twice in the opposite direction. This leads to the formation of standing waves in the respective crystal.
  • the second harmonic also forms a standing wave field in the linear resonator. Because of the respective common mirror 4 for fundamental wave and second harmonic or the mirror 19 for second harmonic and fourth harmonic, there is a fixed phase relationship between the standing waves of the different harmonics. Since the conversion process in the non-linear crystal in both cases depends on the coupling of the fields between the second and fourth harmonics, the conversion efficiency that can be achieved is strongly dependent on the phase relationship of the two fields. In the worst case, the conversion efficiency can be zero, in this case there is destructive interference. In the best case, i.e.
  • the conversion efficiency assumes four times the value that would be present if the second harmonic were simply passed through. Because of the different temperature dependency of the refractive indices n 0 and n e of the crystals for the ordinary and the extraordinary beam, the relative phase position of the different harmonics depends on the crystal temperature. By precisely setting the crystal temperatures, this phase relationship can be set so that there is constructive interference and thus the conversion efficiency is quadrupled for each stage. This results in an output power increased by a factor of 32 for the fourth harmonic compared to formula (7):
  • the described arrangement of 1W laser diode power (808nm) allows UV power of approximately 1mW (266nm) and 2W laser diode power a UV Power of about 20mW can be generated. Since discrete laser diodes with 2W output power are available very cheaply, a very compact and inexpensive UV laser can be realized in this way.
  • the fundamental wave 7 is coupled in and the fourth harmonic 8 is not coupled out by a mirror, but by a plane-parallel plate 25 which is at Brewster's angle to the beam path of the second harmonic 20.
  • the layer facing the SHG crystal is highly reflective for the fundamental wave and the layer facing the FHG crystal is highly reflective for the fourth harmonic.
  • the coupling in of the fundamental wave and the coupling out of the fourth harmonic are therefore more efficient.
  • the electrodes 17 for modulating the resonator length are attached to the FHG crystal 11 for no particular reason; instead, the SHG crystal 10 could also be provided with electrodes. Decisive for this are essentially the properties of the crystal material used. Since the resonator in this arrangement is formed from only two mirrors 4 and 19, the basic mode of the resonator has only one beam waist.
  • This is placed in the center of the FHG crystal 11 by appropriate selection of the radii of curvature of the mirrors, since the conversion efficiency of the FHG crystal is generally lower than that of the SHG crystal.
  • This also has the advantage that a focusing lens 13, as used in the previous embodiment for optimal coupling of the fundamental wave beam, can be omitted since the beam path of the second harmonic in the SHG crystal is divergent in this case and the optimal coupling of the fundamental wave can be achieved simply by choosing a suitable distance of the laser crystal 16 from the SHG crystal.
  • the polarization beam splitter layers are applied directly to the crystal surfaces 2 and 6, respectively.
  • the fundamental wave is coupled in or the fourth harmonic is decoupled here via a third surface of the respective crystal, which is coated with an anti-reflective coating for the corresponding wavelength.
  • the efficiency of the coupling or decoupling is thereby only insignificantly deteriorated compared to the embodiment according to FIG. 2.
  • the resonator contains fewer areas through which the second harmonic must pass. Because of the lower losses, a larger cant factor A and thus a higher overall efficiency is achieved. Otherwise, this embodiment is identical to that in FIG. 2.
  • the embodiments according to FIGS. 4 to 6 fundamentally differ from the embodiments according to FIGS. 1 to 3 in that the laser resonator and the passive resonator have a common resonator mirror 4.
  • the laser resonator is formed from the mirror 4, the polarization beam splitter layer 2 on the SHG crystal 10 and the surface 27 of the laser crystal 16. All three elements are highly reflective for the fundamental wave generated in the laser crystal at 1064nm.
  • the area between the mirror 4 and the surface 2 represents a common beam section of the laser resonator and the passive resonator, which is formed from the mirror 4 and the mirror 19.
  • the SHG crystal 10 is therefore located both in the laser resonator and in the passive resonator.
  • the additional increase by a factor A- ⁇ of the fundamental wave power in the laser resonator results in an increased power according to the fourth harmonic
  • the surface 28 of the laser crystal 16 is anti-reflective for the fundamental wavelength
  • there is an etalon 26 in the laser resonator which ensures single-mode operation due to its frequency-selective effect.
  • the thickness and the coating of the etalon must be carefully selected, on the one hand to ensure sufficient selectivity and on the other hand not too high losses Etalons for laser resonators has been described in detail in the specialist literature.
  • the single-mode operation prevents the non-linear coupling of different axial modes in the laser resonator and thus the associated intensity noise.
  • the part of the fundamental wave 23 emerging from the mirror 4 as residual transmission is registered with a detector 22.
  • This signal which is proportional to the internal power of the fundamental wave, serves as an error signal for an active control loop, which adjusts either the temperature of the etalon or the laser crystal so that the frequency of the active laser mode matches the maximum transmission of the etalon and thus the internal resonant power of the fundamental wave is maximum.
  • the separation of the residual transmission from mirror 4 into the fundamental wave and second harmonic components takes place by a suitable coating of the beam splitter 24.
  • single-mode operation is achieved by the principle of the coupled resonators.
  • the surface 28 of the laser crystal 16 is here partially reflective with a reflectance between 30% and 80% for the fundamental wavelength.
  • the laser resonator is divided into two partial resonators with a common mirror surface.
  • the first partial resonator consists of the surfaces 27 and 28 of the laser crystal 16
  • the second partial resonator consists of the mirror 4 and the common surface 28.
  • the embodiment according to FIG. 6 is based on a similar principle for achieving single-mode operation.
  • the surface 28 of the laser crystal 16 is here antireflective and the surface 2 of the SHG crystal 10 is coated in a partially reflective manner for the fundamental wavelength.
  • the laser resonator has two coupled partial resonators, the common modes of which, with a suitable choice of the resonator lengths, have a sufficiently large frequency spacing to ensure single-mode operation.
  • This form of coupled resonators is known as the Fox-Smith resonator and is described in Fox et al., Phys. Rev. Lett., Vol. 18, 1967, page 826. Compared to the embodiment according to FIG. 5, this has the advantage that the requirements for the The reflectivity of the crystal surface 2 is lower and the partial resonators can be coordinated with one another with an independent piezo element 29.
  • the surface 3 of the SHG crystal 10 can also be designed as a resonator mirror, as a result of which the resonator mirror 4 can then be omitted.
  • the surface is to be provided with a spherical curvature and a coating which meets the requirements according to the resonator mirror 4. Since this eliminates the double passage through the antireflective coated crystal surface, the resonator losses V are reduced and the increase factor A is accordingly increased.
  • a disadvantage is the more complex production of the crystal.
  • the passive resonator is designed as a ring resonator with the two mirrors 1 and 4.
  • the mirror 1 serves both as a coupling mirror for the fundamental wave 7 and as a coupling mirror for the fourth harmonic 8 and is therefore transparent for the fundamental wave and the fourth harmonic, but highly reflective for the second harmonic.
  • the fundamental wave 7 generated by the solid-state laser 12 is focused with a lens 13 through the mirror 1 into the SHG crystal 10. Since it is a ring resonator, the fundamental wave is not reflected back into the solid-state laser, so that no measures are necessary to avoid stability problems.
  • the fundamental wave is polarized perpendicular to the resonator plane and, as in the embodiments according to FIGS.
  • Mirror 4 is mounted on a piezo element 9 to be highly reflective for the second harmonic and for tuning the resonator length.
  • the surfaces 3 and 5 of the SHG crystal 10 and the FHG crystal 11 are uncoated and arranged at the Brewster angle to the beam of the second harmonics 20 rotating in the resonator.
  • the second harmonic generated in the SHG crystal is polarized parallel to the resonator plane and therefore experiences at these two Areas with very little loss.
  • the other two surfaces 2 and 6 of the crystals are almost but not exactly perpendicular to the beam and are coated with an anti-reflective coating for the second harmonic.
  • Surface 2 serves as the coupling surface of the SHG crystal for the fundamental wave and is therefore additionally coated with an anti-reflective coating for the fundamental wave.
  • Surface 6 serves as the coupling-out surface of the FHG crystal for the fourth harmonic and is therefore additionally coated with an anti-reflective coating for the fourth harmonic.
  • This design of the crystal faces achieves the lowest possible losses for all three wavelengths involved. Since the FHG crystal is only irradiated in one direction by the second harmonic, it only generates a fourth harmonic in this one direction, which emerges from the FHG crystal through the surface 6 and leaves the resonator through the mirror 1.
  • the two mirrors 1 and 4 are spherically curved, so that a basic mode is formed in the resonator, the first beam waist of which lies in the middle of the SHG crystal and the second beam waist of which is in the middle of the SFG crystal.
  • the formula (7) must be used to calculate the output power.
  • the output powers to be expected are generally lower than in the previous embodiments with a linear resonator. This is especially true for low fundamental wave powers below 1W.
  • the fundamental power is used with the fourth power, higher fundamental powers become practicable
  • this arrangement allows a UV radiation source with an output power of the order of 100 mW to be realized with a very compact head part.
  • a solid-state laser 102 with a power between 5W and 10W is integrated into the power supply unit 100 together with a semiconductor laser 101 as a pump source.
  • the fundamental wave 7 from the solid-state laser is with a Coupling optics are coupled into a single-mode optical fiber 103 and routed to the laser head 104.
  • the laser head there is the ring resonator with the non-linear crystals, the detectors and actuators necessary for active regulation of the resonator length, the coupling optics for the fundamental wave 7 and the coupling optics for the fourth harmonic 8. Since the fundamental wave is incoherently coupled into the laser head, these are Requirements for the adjustment of the coupling optics are not excessively high. Due to the lack of larger heat sources in the laser head, the otherwise necessary measures for heat dissipation can be omitted. These properties are often required, especially in industrial applications.
  • the conversion efficiency is reduced in the embodiments according to FIGS. 1 to 7 at least in the FHG crystal by the walk-off effect, since there are currently no crystal materials with uncritical phase adjustment for the UV range. It can also make sense to use critical phase adjustment for the SHG crystal if a high temperature is required for non-critical phase adjustment, which one would like to avoid for technical reasons. In this case, the disturbing walk-off effect also occurs in the SHG crystal.
  • the walk-off effect is largely avoided by the fact that the second harmonic circulating in the resonator has an elliptical beam cross section within the two non-linear crystals. This is achieved by a cylindrical curvature of the crystal surfaces.
  • the second harmonic is polarized in the resonator plane, ie in the xz plane, the coupled fundamental wave 7 is polarized in the y direction.
  • the main section plane of the SHG crystal 10 ie the plane spanned by the direction of radiation and the crystal axis, is therefore in the resonator plane. If the SHG crystal is critically phase-adjusted, the second harmonic is deflected by the walk-off effect in the resonator plane. The walk-off effect can therefore be reduced or largely eliminated by an elliptical beam cross section with the longer semiaxis in the resonator plane.
  • the fourth harmonic is polarized perpendicular to the resonator plane.
  • an elliptical beam profile with the longer semiaxis perpendicular to the resonator plane is required.
  • the basic mode of the resonator must have an extremely astigmatic shape. This is achieved by a cylindrical curvature of the crystal surfaces, specifically by the surfaces 2 and 3 of the SHG crystal 10 being curved in the resonator plane and the surfaces 5 and 6 of the FHG crystal being curved in a plane perpendicular to the resonator plane.
  • the axis of symmetry of the cylinder surfaces are therefore perpendicular to the resonator plane in the SHG crystal, in the FHG crystal these axes of symmetry lie in the resonator plane.
  • the resonator mirrors 1 and 4 are either flat or have a weak spherical curvature.
  • the course of the beam expansions for the x and y directions, which results from this resonator image, is shown schematically in FIG. 10 and with exaggerated proportions. In the SHG crystal there is a large beam expansion in the x direction, that is to say in the resonator plane, while in the FHG crystal there is a larger beam expansion in the y direction, so that the walk-off effect is reduced in both crystals.
  • the extent in the y direction is predominantly determined by the curvature of the FHG crystal surfaces or the resulting focal length, while the extent in the x direction is determined by the curvature of the SHG crystal surfaces. , By dimensioning these curvatures differently, the axial ratio of the beam cross section can be adapted to the strength of the walk-off effect in the respective crystal.
  • a combination of cylindrically curved crystal surfaces with cylindrically or spherically curved mirror surfaces can also generate an elliptical beam cross section in the nonlinear crystals in the embodiments according to FIGS. 1 to 6, by means of which the walk-off effect can be reduced.

Abstract

Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls (8) einer vorbestimmten Frequenz, mit einem ersten nicht linearen Kristall (10), der ausgebildet ist, einen Laserstrahl (7) mit einer ersten Frequenz zumindest teilweise in einen Laserstrahl (20) mit einer zweiten Frequenz umzuwandeln, wobei die zweite Frequenz ein ganzzahliges vielfaches der ersten Frequenz beträgt, einem zweiten nicht linearen Kristall (11), der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zumindest teilweise in den Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten Frequenz umzuwandeln, wobei die vorbestimmte Frequenz ein ganzzahliges vielfaches der zweiten Frequenz beträgt, und einem Resonator, der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zu speichern, wobei der zweite nicht lineare Kristall (11) in dem Resonator platziert ist, wobei der Resonator auf die zweite Frequenz resonant abgestimmt.

Description

UV-Festkörperlaser
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls einer vorbestimmten Frequenz umfasst herkömmlicherweise einen ersten nicht linearen Kristall, der ausgebildet ist, einen Laserstrahl mit einer ersten Frequenz zumindest teilweise in einen Laserstrahl mit einer zweiten Frequenz umzuwandeln, wobei die zweite Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Frequenz beträgt. Ferner umfasst das Gerät einen zweiten nicht linearen Kristall, der ausgebildet ist, den Laserstrahl mit der zweiten Frequenz zumindest teilweise in den Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenz umzuwandeln, wobei die vorbestimmte Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten Frequenz beträgt. Wegen der hohen Lebensdauer und hohen Effizienz werden heute zunehmend Halbleiterlaser oder diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS-Laser) als Laserquellen zur Erzeugung des Laserstrahls mit der ersten Frequenz eingesetzt. Eine Laserquelle besteht aus einem Laserresonator und einem aktiven Medium. Das aktive Medium wird zur Emission von Licht angeregt, das in dem Laserresonator gespeichert und verstärkt wird. Die Verstärkungsbandbreite des aktiven Mediums ist derjenige Frequenzbereich elektromagnetischer Strahlung, in dem das aktive Medium zur Emission von kohärenter elektromagnetischer Strahlung angeregt werden kann. Die Laserquelle emittiert dann beispielsweise kontinuierliche Laserstrahlung im roten oder infraroten Spektralbereich. Die Umwandlung der Laserstrahlung in einem nicht linearen Kristall wird auch nicht lineare Konversion genannt. Durch mehrfache nicht lineare Konversion kann beispielsweise aus Laserlicht im infraroten Spektralbereich Laserlicht im ultravioletten Spektralbereich erzeugt werden. Hierfür werden nicht lineare Kristalle verwendet, die in der Lage sind, den Laserstrahlen mit der ersten Frequenz, im folgenden Grundfrequenz genannt, zu vervielfachen, oder allgemeiner zu konvertieren, um einen Laserstrahl mit vorbestimmter Frequenz zu gewinnen. Am häufigsten werden nicht lineare Kristalle benutzt, um die doppelte Frequenz einer Grundfrequenz zu erzeugen, aber auch höhere Summen- und Differenzfrequenzen zweier Grundfrequenzen können erzeugt werden. Zum Beispiel kann aus der häufig verwendeten Wellenlänge 1064nm des Festkörperlasermaterials Nd.YAG durch zweimalige Frequenzverdopplung eine Wellenlänge von 266nm erzeugt werden, für die es vielfältige industrielle Anwendungen gibt. Bei DPSS-Lasern erfolgt die erste nicht lineare Konversion zur Erzeugung der sichtbaren Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 532nm häufig im Laserresonator selbst („Intra- cavity" Verdoppelung oder „interne" Verdoppelung). Ein im Laserresonator eingebrachter nicht linearer Kristall erzeugt einen Laserstrahl mit der. doppelten Frequenz. Der Strahl mit der doppelten Frequenz einer Grundwelle wird im folgenden auch zweite Harmonische genannt.
Alternativ dazu kann die Erzeugung der zweiten Harmonischen außerhalb des Laserresonators erfolgen. Da die direkte nicht lineare Konversion kontinuierlicher Laserstrahlung in einem nicht linearen Kristall viel zu ineffizient für eine praktische Anwendung ist, wird hierfür das bekannte Verfahren der resonanten Frequenzverdopplung in einem externen Resonator angewandt (siehe z.B. Schneider et al. Optics Letters, Vol. 21 , 1996 Seite 1999). Die weitere nicht lineare Konversion zu noch kürzeren Wellenlängen wird dann in einem weiteren externen Resonator mit dem zweiten nicht linearen Kristall durchgeführt. Die Kombination eines entweder intern oder extern frequenzverdoppelten Laserstrahls mit einem resonanten Fre- quenzverdoppler, also einem externen Resonator mit einem frequenzverdoppelnden nicht linearen Kristall, der den frequenzverdoppelten Laserstrahl in einen Laserstrahl mit der vierfachen Frequenz der Grundwelle (vierte Harmonische) konvertiert, entspricht dem Stand der Technik für kontinuierliche UV-Festkörperlaser (siehe z.B. US 5,621 ,744 und US 5,696,780).
Das Prinzip der resonanten Frequenzverdopplung ist seit langem bekannt (siehe z.B. Ashkin et al. "Resonant Optical Second Harmonie Generation and Mixing", Journal of Quantum Electronics, QE-2, 1966, Seite 109; oder M.Brieger et al. „Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator", Optics Communications 38, 1981 , Seite 423). Dabei wird ein Laserstrahl mit einer ersten Frequenz über einen teiltransparenten Einkoppelspiegel in einen optischen Resonator eingekoppelt, der auf die Frequenz des eingekoppelten Laserstrahls resonant abgestimmt wird. Der eingekoppelte Laserstrahl wird in dem optischen Resonator gespeichert, d.h. im Idealfall kann der Laserstrahl den Resonator nicht verlassen und läuft innerhalb des Resonators um. Aufgrund von Verlusten im Resonator nimmt die Leistung des eingekoppelten Laserstrahls jedoch mit der Zeit ab, wenn keine weitere Laserstrahlung in den Resonator eingekoppelt wird. Bei ständiger Energiezufuhr, d.h bei kontinuierlicher Einkopplung von Laserstrahlung, wird ein Gleichgewichtszustand erreicht, bei dem die pro Zeit eingekoppelte Strahlung der pro Zeit aufgrund von Verlusten ausgekoppelten Strahlung entspricht. Im Gleichgewichtszustand ist die Leistung der im Resonator umlaufenden Welle konstant. Eine resonante Abstimmung des Resonators auf die Frequenz des eingekoppelten Laserstrahls liegt vor, wenn die eingekoppelte Welle mit ein- oder mehrmals in dem Resonator umgelaufenen Wellen konstruktiv interferiert, um sich gegenseitig zu verstärken. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die optische Länge eines linearen Resonators mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung so eingestellt ist, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des eingekoppelten Laserstrahls beträgt. Im Fall eines Ringresonators liegt Resonanz vor, wenn die optische Länge des Resonators ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des eingekoppelten Laserstrahls beträgt. Unter diesen Bedingungen bildet sich im Resonator eine stehende Welle aus. Wenn die Verluste im Resonator gering sind und der teiltransparente Einkoppelspiegel mit einem günstig gewählten Reflexionsgrad versehen wird, so findet bei kontinuierlicher Einkopplung eine Resonanzüberhöhung statt, d.h. die Leistung des im Resonator umlaufenden Lichtstrahls ist größer als die Leistung des von außen einfallenden Lichtstrahls. Der Reflexionsgrad R des Einkoppelspiegels ist dann optimal, wenn
R=1-V (1)
gilt, wobei V die relativen Verluste des zirkulierenden Lichtstrahls bei einem Umlauf im Resonator bedeuten, im folgenden Resonatorverluste genannt. Unter dieser als Impedanzanpassung („Impedance matching") bezeichneten Bedingung beträgt der Überhöhungsfaktor („enhancement")
A=1/V, (2)
d.h. der im Resonator zirkulierende Lichtstrahl hat die A-fache Leistung der eingestrahlten Lichtwelle bzw. des eingekoppelten Lichtstrahls. In der Praxis werden Überhöhungsfaktoren zwischen 100 und 200 erreicht.
Im Resonator befindet sich ein nicht linearer Kristall, welcher von dem zirkulierenden Lichtstrahl durchstrahlt wird und durch nicht lineare Konversion eine zweite Lichtwelle mit einer zweiten Frequenz erzeugt, die z.B. durch einen Resonatorspiegel, der bei dieser zweiten Frequenz transparent ist, aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Im Regelfall handelt es sich dabei um die doppelte Frequenz der Grundwelle, jedoch können durch nicht • lineare Konversion auch höhere Harmonische oder Summen- und Differenzfrequenzen erzeugt werden. Wird ein Lichtstrahl mit der doppelten Frequenz der Grundwelle erzeugt, so wird dieser auch zweite Harmonische der Grundwelle oder einfach zweite Harmonische genannt.
Die Leistung P2 der im nicht linearen Kristall erzeugten zweiten Harmonischen berechnet sich bei direkter, nicht resonanter Frequenzverdopplung gemäß
P2 = -Pι2 (3)
wobei Pi die Leistung der in den nicht linearen Kristall eingekoppelten Grundwelle und y der Konversionskoeffizient ist, der von der Wellenlänge, dem Strahldurchmesser im nicht linearen Kristall, den Materialeigenschaften des verwendeten nicht linearen Kristalls und der Länge des nicht linearen Kristalls abhängt. Im Fall der resonanten Frequenzverdopplung berechnet sich die Leistung P2 der konvertierten Strahlung aus der resonanzüberhöhten Leistung P1R = A- P^ der Grundwelle im Resonator:
P2 = -PIR2 = -A2 PI2 (4)
Die Konversionseffizienz η ist das Verhältnis von konvertierter Leistung P2 zur Grundwellenleistung Pi und berechnet sich demnach zu:
7 = P2/ Pι = -A2 Pι (5)
Der Überhöhungsfaktor A=1/V ist dabei im wesentlichen eine Konstante, da sich die Verluste V hauptsächlich aus Reflexionsverlusten an optischen Flächen und Streuverlusten im nicht linearen Kristall zusammensetzen. Die nicht lineare Konversion der eingekoppelten Grundwelle stellt einen Verlust an Leistung der Grundwelle im Resonator dar. Diese Verluste spielen bei niedrigen Leistungen der Grundwelle wegen der quadratischen Abhängigkeit des Konversionsprozesses eine untergeordnete Rolle, so dass der Überhöhungsfaktor A im wesentlichen unabhängig von der Leistung Pi der eingestrahlten Grundwelle ist. Die Leistung der konvertierten Strahlung läßt sich also durch resonante Überhöhung um den Faktor A2 « 10 000 steigern, wodurch praktikable Konversionseffizienzen zwischen 10% und 40% erreicht werden können.
Bei der Intracavity-Frequenzverdopplung in einem DPSS-Laser entsteht das sogenannte „Green-Problem", das nur durch aufwendige Gegenmaßnahmen vermieden werden kann. Der in den Laserresonator eingebaute nicht lineare Kristall führt zusammen mit dem sogenannten "hole burning" Effekt zu einer nicht linearen Kopplung der verschiedenen Axialmoden im Laserresonator. Mit Moden eines Resonators werden diejenigen monochromatischen Lichtstrahlen bezeichnet, die im Resonator eine stehende Welle ausbilden. Mehrere Resonatormoden bilden sich in einem Laserresonator aus, wenn die Frequenzbandbreite des von dem aktiven Medium erzeugten Lichts mehrere Moden des Resonators überstreicht. Dann werden mehrere stehende Wellen bzw. Moden in dem Laserresonator erzeugt. Die Folge der Modenkopplung sind chaotische Intensitätsfluktuationen mit Modulationstiefen bis 100% und Frequenzen von einigen Hertz bis einigen 100kHz. Es sind unterschiedliche Maßnahmen zur Vermeidung solcher Intensitätsfluktuationen bekannt. So kann z.B. die Resonatorlänge so groß gewählt werden, dass eine besonders große Anzahl Axialmoden (Größenordnung 200) im Resonator angeregt wird. Bei einer bestimmten Anordnung und sorgfältiger Justierung können dann geringe Rauschwerte von 0.3% und weniger erreicht werden (siehe US 5,638,388). Bei einem anderen Ansatz wird Einmodenbetrieb erzwungen, wodurch eine Kopplung mehrerer Moden von vornherein ausgeschlossen wird. Dabei werden unterschiedliche Konzepte angewandt, um diesen Einmoden- oder Single-Mode-Betrieb zu erreichen: Die Ausführung als Ringlaser (verhindert hole burning), das Einbringen frequenzselektiver Elemente wie Etalons (Unterdrückung anderer Moden), der Twisted Mode Resonator (verhindert hole burning wie der Ringresonator), der Microchip-Laser (Resonatorlänge so kurz, dass nur eine Mode in das Verstärkungsprofil paßt) und das Prinzip der gekoppelten Resonatoren unterschiedlicher Länge (innerhalb des Verstärkungsprofils kann nur eine gemeinsame Mode beider Resonatoren anschwingen). Alle diese Methoden sind sehr aufwendig und führen dazu, dass die Herstellungskosten von Intracavity-frequenzver- doppelten DPSS-Lasem sehr hoch sind. Der technische Aufwand zur Vermeidung des „Green Problem" ist unabhängig von der angestrebten Ausgangsleistung des Lasers, wodurch die Herstellungskosten für Laser mit geringer Ausgangsleistung nur wenig niedriger sind als für Laser mit hoher Ausgangsleistung.
Damit der Konversionskoeffizient brauchbare Werte annimmt, muss im nicht linearen Kristall Phasenanpassung vorliegen. Phasenanpassung liegt vor, wenn alle in dem nicht linearen Kristall erzeugten Strahlen mit konvertierter Frequenz konstruktiv miteinander interferieren, so dass ein Strahl mit maximaler Intensität erzeugt wird. Dazu ist erforderlich, dass die erzeugten Laserstrahlen eine feste Phasenbeziehung zueinander aufweisen. Dies ist genau dann der Fall, wenn der Brechungsindex des Kristalls bei der unkonvertierten Wellenlänge gleich groß wie sein Brechungsindex bei der konvertierten Wellenlänge ist. Die Phasenanpassung kann durch Winkelabstimmung (kritische Phasenanpassung) oder durch Temperaturabstimmung (unkritische Phasenanpassung) erfolgen. Die unkritische Phasenanpassung beruht auf der Abhängigkeit des Brechungsindexes eines Kristalls von dessen Temperatur. Wird die Temperatur geeignet eingestellt, so entspricht der Brechungsindex für die eingestrahlte Grundwelle dem Brechungsindex des konvertierten Strahls. Bei unkritischer Phasenanpassung ist im allgemeinen die Effizienz der Konversion höher und das Strahlprofil des konvertierten Strahls von höherer Qualität, d.h. näher an der gewünschten Gauß'schen Strahlform. Die derzeit verfügbaren Kristallmaterialien ermöglichen jedoch nur für wenige, schmale Wellenlängenbereiche die Anwendung der unkritischen Phasenanpassung. Insbesondere existiert zur Zeit kein Kristallmaterial, mit dem Laserlicht im tiefen UV-Bereich mit unkritischer Phasenanpassung erzeugt werden kann.
Die kritische Phasenanpassung beruht auf der Abhängigkeit " des Brechungsindex eines Kristalls von der Richtung, in der ein Lichtstrahl durch den Kristall propagiert. Solche Kristalle werden als doppelbrechende Kristalle bezeichnet. Der Brechungsindex ist also sowohl von der Frequenz also auch von der Ausbreitungsrichtung einer monochromatischen elektromagnetischen Welle abhängig. Bei geeigneter Wahl der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle mit der ersten Frequenz und der konvertierter Welle mit der zweiten Frequenz ist der Brechungsindex für die Grundwelle gleich dem Brechungsindex für den konvertierten Strahl. Die Effizienz der nicht linearen Konversion in kritisch phasenangepaßten Kristallen wird durch den sogenannten Walk-Off-Effekt, eine Folge der Doppelbrechung, reduziert (siehe z.B. Boyd et al., Journal of Applied Physics 39,1968, Seite 3597). Der Walk- Off-Effekt bezeichnet die Tatsache, dass bei kritischer Phasenanpassung die Ausbreitungsrichtung der Grundwelle und der konvertierten Welle im nicht linearen Kristall unterschiedlich ist. Das für die UV-Erzeugung häufig verwendete Kristallmaterial BBO weist einen besonders großen Walk-Off-Effekt auf. Der Walk-Off-Effekt hat darüber hinaus eine ungünstige Auswirkung auf das Strahlprofil des konvertierten Laserstrahls. Wie in der DE 198 32 647 dargestellt wird, weist das Strahlprofil im Nahfeldbereich, der sich bei typischen Bedingungen über einen Abstand von einigen 10cm bis 1m von der Strahlquelle erstreckt, Interferenzstreifen auf, die das Strahlprofil für viele Anwendungen in diesem Entfernungsbereich unbrauchbar machen. Durch die Anwesenheit von abbildenden optischen Elementen innerhalb des Nahfeldbereiches kann das interferenzartig verzerrte Strahlprofil sogar bis ins Unendliche ausgedehnt werden. In der DE 198 32 647 werden Maßnahmen beschrieben, die verhindern , sollen, dass das Strahlprofil im Fernfeld solche unerwünschten Verzerrungen aufweist. Es werden jedoch keine Maßnahmen zur Verbesserung des Strahlprofils im Nahfeld angegeben.
In der US 5,696,780 wird der infrarote Strahl eines kontinuierlichen Multimode-Festkörperlasers intern frequenzverdoppelt und anschließend in einem externen passiven Resonator zur vierten Harmonischen konvertiert. Die Neigung zum Intensitätsrauschen durch das „Green Problem" wird hier unter anderem durch eine große Anzahl von Axialmoden im Laserresonator reduziert. Die Ausgangsstrahl des Festkörperlasers mit einer Zentralwellenlänge von 532nm und einer großen Anzahl von Axialmoden wird resonant in einen passiven optischen Resonator eingekoppelt, der im wesentlichen die gleiche optische Länge wie der Laserresonator besitzt. Dadurch können alle Axialmoden der eingekoppelten Grundwelle simultan resonant überhöht werden. Ein nicht linearer Kristall im passiven Resonator verdoppelt die Frequenz der im Resonator umlaufenden Grundwelle, so dass ein frequenzverdoppelter Multimode-Laserstrahl mit eine Wellenlänge von 266nm entsteht. Um eine große Anzahl von Axialmoden zu gewährleisten, die für die Vermeidung von Intensitätsrauschen notwendig sind, muss sowohl die Laserquelle als auch der passive Resonator eine große optische Länge in der Größenordnung 1 m besitzen. Die vorgeschlagene Anordnung stellt eine Kombination zweier komplexer Geräte mit physikalisch vorgegebenen Dimensionen dar und eignet sich daher weniger zur Realisierung von kompakten Laserstrahlquellen zur Erzeugung von kontinuierlichem UV-Laserlicht.
Die kontinuierlichen UV-Festkörperlaser nach dem Stand der Technik sind kostspielig in der Herstellung, anfällig im Betrieb und relativ groß in ihren äußeren Abmessungen, da es sich um eine Kombinationen zweier komplexer Geräte handelt: Beim Intracavity- frequenzverdoppelten DPSS-Laser sind aufwendige Maßnahmen zur Reduzierung des Rauschens erforderlich, wie schon weiter oben erläutert wurde. Die anschließende Erzeugung der vierten Harmonischen in einem passiven optischen Resonator ist mit einem vergleichbar hohen technischen Aufwand verbunden. Die Einkopplung der zweiten Harmonischen in den optischen Resonator sowie die Einhaltung der Resonanzbedingung ist sehr empfindlich gegenüber äußeren Einwirkungen, wie z.B. mechanische Vibrationen, Schallwellen und Temperaturänderungen, wodurch das gesamte System störanfällig wird. Der technische Aufwand ist nur wenig abhängig von der angestrebten Ausgangsleistung des UV-Lasers. Daher sind die Herstellungskosten für UV-Festkörperlaser nach dem Stand der Technik im unteren Leistungsbereich zwischen 1mW und 100mW unverhältnismäßig hoch. Die Patentschrift US 5,159,602 stellt den nächstliegenden Stand der Technik dar. Darin wird eine Anordnung für einen gepulsten UV-Laser vorgeschlagen, bei der sich zwei nicht lineare Kristalle innerhalb eines gemeinsamen Speicherrings befinden. Ein Laserimpuls eines modengekoppelten, gepulsten Festkörperlasers, im folgenden Grundimpuls genannt, wird durch einen ersten nicht linearen Kristall in der Frequenz verdoppelt. Der so erzeugte Laserimpuls mit doppelter Frequenz ist in dem Speicherring eingeschlossen, der zeitlich resonant auf die Wiederholfrequenz der Laserimpulse abgestimmt ist, d.h. die Umlaufzeit eines frequenzverdoppelten Laserimpulses im Ringresonator entspricht dem zeitlichen Abstand der von dem UV-Laser erzeugten Grundimpulse. Damit wird erreicht, dass der frequenzverdoppelte Laserimpuls zeitgleich mit dem Grundimpuls den ersten nicht linearen Kristall durchläuft. Dabei wird der Grundimpuls von dem ersten nicht linearen Kristall wiederum in einen frequenzverdoppelten Laserimpuls umgewandelt, der mit dem umlaufenden frequenzverdoppelten Laserimpuls in Phase ist. Durch die synchrone Überlagerung der im Ringresonator umlaufenden frequenzverdoppelten Laserimpulse ergibt sich eine Verstärkung des frequenzverdoppelten Laserimpulses, der in dem Speicherring umläuft. Dieser wird in einem zweiten nicht linearen Kristall wiederum zum Teil frequenzverdoppelt, so dass ein Laserimpuls mit einer vierfachen Frequenz gegenüber dem Grundimpuls erzeugt wird. Wegen der Verstärkung des frequenzverdoppelten Laserimpulses im Speicherring ergibt sich eine gesteigerte Konversionseffizienz sowohl bei der Erzeugung des frequenzverdoppelten als auch des frequenzvervierfachten Laserimpulses gegenüber einer zeitlich nicht resonanten Anordnung. Eine solche Steigerung der Konversionseffizienz ist notwendig, um einen zweimal konvertierten Laserstrahl mit ausreichender Intensität zu erzeugen. Denn bei der Frequenzkonversion wird lediglich ein gewisser Anteil des Laserimpulses frequenzverdoppelt. Diese Anordnung ist nicht dazu geeignet, einen zweimal frequenzverdoppelten kontinuierlichen Laserstrahl zu erzeugen, wenn ein pulsförmig modulierter Laserstrahl eingekoppelt wird. Der zweimal frequenzverdoppelte Laserstrahl ist dann weiterhin pulsförmig moduliert, wobei die Modulationsfrequenz der Wiederholfrequenz des Grundimpulses entspricht. Eine Resonanzbedingung für den Fall der Einkopplung eines kontinuierliche Laserstrahls ist nicht offenbart. Ohne zusätzliche Maßnahmen eignet sich die vorgeschlagene Anordnung daher nicht für die Erzeugung eines kontinuierlichen UV-Laserstrahls mit hinreichender Intensität.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes und preiswertes Gerät zur Erzeugung eines Laserstrahls mit vorbestimmter Frequenz bereitzustellen, das geeignet ist, einen kontinuierlichen Laserstrahl mit einer ersten Frequenz in den Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenzen zu konvertieren.
Zur Lösung der Aufgabe wird die folgende Anordnung benutzt: Ein erster Laserstrahl mit einer ersten Frequenz, kurz Grundwelle genannt, wird mittels eines ersten nicht linearen Kristalls in einen zweiten Laserstrahl mit einer zweiten Frequenz umgewandelt. Der Laserstrahl mit der zweiten Frequenz ist in einem Resonator gespeichert, d.h. dass der Laserstrahl in dem Resonator umläuft. Der Resonator ist auf die zweite Frequenz abgestimmt, so dass eine Resonanzüberhöhung des zweiten Laserstrahls stattfindet. Ein linearer Resonator ist beispielsweise genau dann auf die zweite Frequenz abgestimmt, wenn die optische Länge des Laserstrahls in dem Resonator ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des Laserstrahls beträgt. Alle Resonatorspiegel werden dazu für die Wellenlänge des zweiten Laserstrahls hochreflektierend beschichtet und die Resonatorlänge wird mit einer geeigneten Vorrichtung, z.B. einem Resonatorspiegel auf einem Piezoelement, auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des zweiten Laserstrahls abgestimmt. Im Unterschied zu dem Laserresonator gemäß dem nächstliegenden Stand der Technik wird der Resonator nicht auf die Wiederholfrequenz eines gepulsten Laserstrahls mit der ersten Frequenz sondern auf die Frequenz der zweiten Harmonischen abgestimmt. Diese Resonanzbedingung ist also nicht mehr abhängig von der Wiederholfrequenz eines gepulsten Laserstrahls, die bei einem kontinuierlich eingestrahlten Laserstrahl nicht existiert. Es liegt somit eine Resonanzbedingung vor, die sowohl für gepulste als auch für kontinuierliche Laserstrahlen mit der ersten Frequenz eingehalten werden kann. Der Laserstrahl mit der zweiten Frequenz bildet somit eine Mode des Resonators aus. Ein zweiter Kristall in dem Resonator bewirkt, dass der Laserstrahl mit der zweiten Frequenz in einen Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenz konvertiert wird. Mittels einer geeigneten Vorrichtung kann der Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenz aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Insbesondere handelt es sich bei der zweiten Frequenz um die doppelte Frequenz und bei der vorbestimmten Frequenz um die vierfache Frequenz der Grundfrequenz.
Vorteilhaft an der vorliegenden Erfindung ist ferner, dass aufgrund der externen Frequenzverdopplung das "Green-Problem" vermieden wird. Die technisch Aufwendigen Verfahren zur Vermeidung des Green- Problems müssen nicht eingesetzt werden, so dass das erfindungsgemäße Gerät gegenüber Lasern mit interner Frequenzverdopplung einfacher und kostengünstiger ist. Gegenüber herkömmlichen Laser mit zwei externen Resonatoren, die auf die Grundwelle und die zweite harmonische resonant abgestimmt sind, wird mit dem erfindungsgemäßen Gerät eine zweimalige Konvertierung einer Grundwelle lediglich mit einem Resonator erzielt, so dass ein kompakteres und preiswerteres Gerät bereitgestellt werden kann.
Im folgenden werden vereinfachend die Bezeichnungen zweite und vierte Harmonische für den Laserstrahl mit der zweiten und vorbestimmten Frequenz verwendet, obwohl die Erfindung nicht auf diese speziellen Frequenzen beschränkt ist. Es folgt eine detaillierte Erläuterung der Erfindung:
Bei einem resonanten Frequenzverdoppler gemäß dem Stand der Technik der eingangs beschriebenen Art wird der Resonator auf die Frequenz der zu konvertierenden Grundwelle abgestimmt, um eine Resonanzüberhöhung der Grundwelle und somit eine gesteigerte Konversionseffizienz zu erzielen. Statt dessen wird der Resonator erfindungsgemäß auf die in einem ersten nicht linearen Kristall erzeugte zweite Harmonische abgestimmt. Obwohl die Intensität der in den Kristall eingestrahlten Grundwelle hierdurch nicht erhöht wird, findet auch in diesem Fall durch die Resonanz eine Erhöhung der Konversionseffizienz statt. Der Grund für die Effizienzerhöhung bei der erfindungsgemäßen Resonanzbedingung liegt in dem mehrfache Durchgang der zweiten Harmonischen durch den zweiten nicht linearen Kristall, im folgenden SHG-Kristall (second harmonic generation) genannt. Die im ersten nicht linearen Kristall erzeugte zweite Harmonische durchläuft den SHG-Kristall mehrfach und wird bei jedem Durchgang verstärkt. Die effektive Kristalllänge wird hierdurch um den Überhöhungsfaktor A des Resonators vergrößert. Da die Konversionseffizienz dem Quadrat der effektiven Kristalllänge proportional ist, wird die Leistung P2R der im Resonator umlaufenden zweiten Harmonischen um den Faktor A2 gesteigert.
Nach Ashkin et al. berechnet sich die Leistung P2R gemäß
P2R = ι2 A2 P1 2 (6)
wobei i die Leistung der Grundwelle und ι2 der Konversionskoeffizient des SHG-Kristalls bedeuten. Dabei wurde eine verlustfreie Kopplung der im Kristall erzeugten zweiten Harmonischen in die Mode des Resonators angenommen. Befindet sich im Resonator ein zweiter nicht linearer Kristall, im folgenden FHG-Kristall (fourth harmonic generation) genannt, der durch Frequenzverdopplung aus der umlaufenden zweiten Harmonischen eine vierte Harmonische erzeugt, so berechnet sich deren Leistung P4 gemäß
P4 = 24P2R 2 = 24 ι2 2 A4 P1 4 (7)
wobei 2 den Konversionskoeffizienten des FHG-Kristalls darstellt.
Das Erzielen einer höheren Konversionseffizienz bei der Erzeugung des Laserstrahls mit der vorbestimmten Frequenz mit dem erfindungsgemäßen Gerät, kann mit den nachfolgend beschriebenen zusätzlichen konstruktiven Merkmalen erreicht werden: Der passive Resonator wird als linearer Resonator ausgeführt und der Laserstrahl des diodengepumpten Festkörperlasers wird nichtresonant in den passiven Resonator eingekoppelt.
Ein erster Resonatorspiegel ist mit einer Beschichtung versehen, die hochreflektierend sowohl für die Grundwelle als auch für die zweite Harmonische ist, so dass der aus dem ersten nicht linearen Kristall austretende, nichtkonvertierte Anteil der Grundwellen von diesem ersten Resonatorspiegel in den Kristall zurückreflektiert wird. Die Grundwelle durchläuft somit zweimal den ersten nicht linearen Kristall. Die Konversion der Grundwelle in den Laserstrahl mit der vorbestimmten Frequenz erfolgt jedesmal, wenn die Grundwelle den ersten nicht linearen Kristall passiert, so dass eine höhere Konversion der Grundwelle erzielt wird. Mit kritischer Phasenanpassung erzeugt der Kristall zwei frequenzverdoppelte Laserstrahlen in entgegengesetzten Richtungen, die durch die Resonatorspiegel zu einer stehenden Welle vereinigt werden. Bei der idealen Phasenbeziehung zwischen Grundwelle und zweiter Harmonischer entspricht das zweimalige Durchlaufen des Kristall in unterschiedlichen Richtungen einem einmaligen Durchlaufen eines doppelt so langen Kristalls. Da die Reflexion von Grundwelle und zweiter Harmonischer am Spiegel in verschiedenen tiefen Schichten stattfindet, entsteht eine Phasendifferenz. Durch Variation der Kristalltemperatur kann ein sehr feiner Abgleich der Phasendifferenz durchgeführt werden. Die relative Phasenlage zwischen der Grundwelle und der zweiten Harmonischen im ersten nicht linearen Kristall wird durch die Temperaturregelung des Kristalls so eingestellt, dass die Konversionseffizienz maximal ist. Im Idealfall kann dadurch erreicht werden, dass die in entgegengesetzte Richtungen erzeugten Anteile der zweiten Harmonischen phasenrichtig überlagert werden. Dies entspricht dem Fall eines ideal phasen- angepassten Kristalls mit der doppelten Länge. In diesem Fall erhält man wegen der quadratischen Abhängigkeit der Leistung der zweiten Harmonischen von der Kristalllänge eine zweite Harmonische mit vierfacher Leistung, verglichen mit einem nur in einer Richtung durchstrahlten Kristall. Ein zweiter Resonatorspiegel ist mit einer Beschichtung versehen, die hochreflektierend sowohl für die zweite als auch für die vierte Harmonische ist, so dass der vom zweiten nicht linearen Kristall in eine erste Richtung erzeugte Teil der vierten Harmonischen und die zweite Harmonische von diesem zweiten Resonatorspiegel in den Kristall zurückreflektiert wird. Hierdurch wird die Konversionseffizienz bei der Erzeugung der vierten Harmonischen verbessert, da die in zwei entgegengesetzte Richtungen erzeugten Anteile der vierten Harmonischen zu einem Laserstrahl vereinigt werden. Dies entspricht wiederum dem Fall eines Kristalls mit doppelter Länge, so dass bei idealer Phasenanpassung eine vierfache Leistung der vierten Harmonischen gegenüber einer Leistung bei einmaliger Durchstrahlung des zweiten nicht linearen Kristalls erzeugt werden kann.
Die relative Phasenlage zwischen dem in eine zweite Richtung erzeugte Strahl und dem vom zweiten Resonatorspiegel zurückreflektierten Strahl der vierten Harmonischen wird durch eine Temperaturregelung des zweiten nicht linearen Kristalls so eingestellt, dass die beiden Strahlen konstruktiv interferieren und die Konversionseffizienz möglichst groß ist.
Ein dritter Resonatorspiegel ist hochreflektierend für die zweite Harmonische und transparent sowohl für die Grundwelle als auch für die vierte Harmonische, so dass die Grundwelle durch diesen Resonatorspiegel hindurch in den Resonator eintreten kann und die vierte Harmonische durch diesen Resonatorspiegel hindurch aus dem Resonator austreten kann. Damit kann die Grundwelle über denselben Spiegel in den Resonator eingekoppelt werden, über den die vierte Harmonische aus dem Resonator ausgekoppelt wird.
Alternativ zu dem dritten Resonatorspiegel befindet sich im Resonator eine planparallele Platte, die im Brewsterwinkel zum zweiten Laserstrahl steht und deren Einfallsebene parallel zur Polarisationsrichtung des zweiten Laserstrahls ist, und die erste Fläche der planparallelen Platte ist mit einer Polarisationsstrahlteilerschicht versehen, die hochreflektierend für die Grundwelle und transparent für die zweite Harmonische ist, und die zweite Fläche ist mit einer Polarisationsstrahlteilerschicht versehen, die hochreflektierend für die vierte Harmonische und transparent für die zweite Harmonische ist, so dass die Einkopplung der Grundwelle in den Resonator als auch die Auskopplung der vierten Harmonischen aus dem Resonator über die planparallele Platte erfolgen kann.
Alternativ sind Polarisationsstrahlteilerschichten zur Einkopplung der Grundwelle und zur Auskopplung der vierten Harmonischen direkt auf einer im Brewsterwinkel angeordneten Fläche des ersten bzw. des zweiten nicht linearen Kristall angebracht und eine weitere Fläche des ersten bzw. zweiten Kristalls ist antireflektiv beschichtet für die Grundwellenlänge bzw. für die Wellenlänge der zweiten Harmonischen. Alternativ zur nichtresonanten Einkopplung der Grundwelle werden der Laserresonator und der passive Resonator resonant gekoppelt, dadurch, dass die beiden Resonatoren einen gemeinsamen Resonatorspiegel und einen gemeinsamen Strahlabschnitt besitzen, in dem sich der erste nicht lineare Kristall befindet, während der aktive Laserkristall sich im nicht gemeinsamen Teil des Laserresonators und der zweite nicht lineare Kristall sich im nicht gemeinsamen Teil des passiven Resonators befindet, und die Trennung der Grundwelle und der zweiten Harmonischen durch einen Polarisationsstrahlteiler erfolgt.
Bei der resonanten Kopplung der beiden Resonatoren wird Einmodenbetrieb dadurch erreicht, dass entweder in den Laserresonator ein Etalon eingebracht wird, oder der Laserresonator aus zwei gekoppelten Teilresonatoren besteht, die innerhalb des Verstärkungsprofils des aktiven Laserkristalls nur eine gemeinsame Mode besitzen.
Mindestens die Eintritts- oder die Austrittsfläche des ersten oder des zweiten nicht linearen Kristalls weist eine zylindrische Krümmung auf und mindestens einer der Resonatorspiegel ist zylindrisch gekrümmt, so dass der Strahlquerschnitt der zweiten harmonischen eine elliptische Form besitzt, die den Walk-Off Effekt mindestens einer der beiden Kristalle reduzieren kann.
Die optische Länge des Resonators ist ein ganzzahliges Vielfaches der halben optischen Länge des Festkörperlaserresonators, so dass die verdoppelten Frequenzen aller vorhandenen Axialmoden des Festkörperlasers gleichzeitig resonant sind. Die Axialmoden des Lasers werden sämtlich von dem ersten nicht linearen Kristall konvertiert, so dass die zweite Harmonische mehrerer Axialmoden mit unterschiedlichen Frequenzen aufweist. Wird der Resonator nur auf eine der Frequenzen der Axialmoden resonant abgestimmt, so wird auch nur dieser Bestandteil der zweiten Harmonischen Verstärkt. Die gewählte optische Länge des Resonators bewirkt, dass alle Moden der zweiten Harmonischen in dem Resonator resonant abgestimmt sind und damit gleichermaßen verstärkt werden.
Für mindestens einen der beiden nicht linearen Kristalle wird ein elektro-optisch aktives Material gewählt, das durch Anlegen eines hochfrequenten elektrischen Feldes an den Kristall eine Modulation der Resonatorlänge hervorrufen kann, so dass durch phasenempfindliche Detektion der Intensitätsmodulation der zweiten Harmonischen ein Fehlersignal für einen Regelkreis zur Verfügung steht, der in der Lage ist, die Resonatorlänge auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der zweiten Harmonischen zu einzustellen.
Alternativ ist der passive Resonator ein Ringresonator mit zwei Spiegeln und zwei trapezförmigen nicht linearen Kristallen, wobei ein erster Resonatorspiegel als Einkoppelspiegel für die Grundwelle und als Auskoppelspiegel für die vierte Harmonische dient, und eine erste Fläche wenigstens eines nicht linearen Kristalls unbeschichtet ist und im Brewsterwinkel zur Laserstrahlung steht, und eine andere Fläche antireflektiv für die zweite Harmonische und für die Grundwelle oder die vierte Harmonische beschichtet ist.
Die Flächen wenigstens eines nicht linearen Kristalls sind zylindrisch gekrümmt, so dass sich im Resonator eine Grundmode ausbildet, die in wenigstens einem nicht linearen Kristall ein elliptisches Strahlprofil besitzt. Damit wird die Verzerrung des Strahlprofils aufgrund des Walk- Off-Effekts kompensiert, so dass sich ein im wesentlichen gaußförmiges Strahlprofil des Laserstrahls mit der vorbestimmten Frequenz ausbildet.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine einfach resonante Ausführungsform mit drei Resonatorspiegeln,
Fig. 2: eine einfach resonante Ausführungsform mit zusätzlichem Polarisationsstrahlteiler,
Fig. 4: eine einfach resonante Ausführungsform mit Polarisationsstrahlteiler auf den Kristallflächen,
Fig. 4: eine doppelt resonante Ausführungsform mit Etalon,
Fig. 5: eine doppelt resonante Ausführungsform mit gekoppelten Resonatoren,
Fig. 6: eine doppelt resonante Ausführungsform mit Fox-Smith- Resonator,
Fig. 7: eine einfach resonante Ausführungsform mit Ringresonator,
Fig. 8: einen Ringresonator mit Faserkopplung,
Fig. 9: einen Ringresonator mit Walk-Off-Kompensation durch elliptisches Strahlprofil,
Fig. 10:den Verlauf der Strahlausdehnung im Resonator nach Fig. 9. In der Ausführungsform . nach Fig. 1 besteht der Grundwellenlaser 12 aus einer Laserdiode 14 als Pumplichtquelle, einer Kollimationsoptik 15 und einem Laserkristall 16. Wegen der hohen Effizienz, dem breiten Absorptionsband bei 808nm und der polarisierten Emission bei 1064nm wird für den Laserkristall bevorzugt das Material Nd:YVO4 verwendet. Die der Laserdiode zugewandte Fläche des Laserkristalls wird mit einer für 1064nm hochreflektierenden und für 808nm transparenten Beschichtung versehen. Die dazu parallele Austrittsfläche wird so beschichtet, dass sie eine Refiektivität von 95% bei 1064nm besitzt. Bei besonders kurzen Laserkristallen kann eine zusätzliche hohe Refiektivität der Austrittsfläche für 808nm sinnvoll sein, um eine höhere Absorption der Pumpstrahlung zu erreichen. Die Flächen des Laserkristalls können plan ausgeführt werden mit moderaten Anforderungen an die Parallelität, was den Herstellungsprozeß vereinfacht und die Kosten senkt. Wegen der Absorption des Pumplichtes im Laserkristall bildet sich eine thermische Linse, die trotz der planen und nicht ganz parallelen Spiegelflächen für eine optisch stabile Resonatorgeometrie sorgt. Der von diesem Festkörperlaser einfacher Bauart erzeugte erste Laserstrahl 7 (Grundwelle) besitzt im allgemeinen bei der Wellenlänge 1064nm mehrere dicht benachbarte Frequenzen (axiale Moden) im Abstand c/(2nd), wobei d»3mm die Länge des Laserkristalls, n«2 der Brechungsindex des Kristallmaterials und c die Lichtgeschwindigkeit bedeuten. Der Laserkristall 16 wird so orientiert, dass die emittierte Grundwelle 7 senkrecht zu der durch die Resonatorspiegel 1 , 4 und 19 definierte Resonatorebene ^Zeichen- ebene) polarisiert ist, d.h. die c-Achse des Laserkristalls wird senkrecht zur Resonatorebene ausgerichtet. Im Unterschied zu UV-Lasern nach dem Stand der Technik, wie z.B. in der US 5,696,780, befindet sich innerhalb des Laserresonators kein nicht linearer Kristall, so dass Intensitätsschwankungen durch Modenkopplung nicht auftreten.
Der passive Resonator ist ein gefalteter linearer Resonator, bestehend aus den Spiegeln 1, 4 und 19. Der Resonatorspiegel 1 dient als Einkoppelspiegel für die Grundwelle und als Auskoppelspiegel für die vierte Harmonische und ist daher transparent sowohl für die Grundwelle als auch für die vierte Harmonische, aber hochreflektierend für die zweite Harmonische. Spiegel 4 ist hochreflektierend sowohl für die Grundwelle als auch für die zweite Harmonische, Spiegel 19 ist hochreflektierend für die zweite sowie für die vierte Harmonische. Spiegel 19 ist zudem auf einem Piezoelement 9 angebracht, mit dessen Hilfe die Resonatorlänge abgestimmt werden kann. Die Resonatorlänge wird jedoch nicht auf die Grundwelle, sondern auf die vom nicht linearen Kristall 10 innerhalb des Resonators erzeugte zweite Harmonische resonant abgestimmt. Deshalb sind alle Spiegel hochreflektierend für die zweite Harmonische ausgeführt und ein Einkoppelspiegel mit impedanzangepaßtem Reflexionsgrad wird nicht benötigt. Aus dem selben Grund ist die Einkopplung der Grundwelle in den Resonator wesentlich unkritischer als im Fall einer resonanten Einkopplung, wie dies z.B. in den US 5,696,780 und US 5,621,744 der Fall ist, da für den eingekoppelten Strahl nicht die Kohärenzbedingungen des Resonators, sondern nur die Phasenanpassungsbedingung des nicht linearen Kristalls einzuhalten ist. Daher ist die hier beschriebene Ausführungsform der Erfindung unempfindlicher gegen Störeinflüsse, wie z.B. thermische Ausdehnungen, Luft- druckänderungen und Vibrationen durch Schallwellen, als Anordnungen nach dem Stand der Technik.
Da das Verstärkungsprofil des Grundwellenlasers so schmal ist, dass alle anschwingenden Axialmoden auch frequenzverdoppelt werden, wird auch die zweite Harmonische aus mehreren Frequenzen bestehen, wobei diese den Abstand c/(nd) haben. Der passive Resonator mit der optischen Länge L0 besitzt Resonanzfrequenzen im Frequenzabstand c/(2L0). Damit alle Moden der zweiten Harmonischen gleichzeitig resonant gemacht werden können, muß deren Frequenzabstand gleich dem Abstand der Resonanzen oder ein ganzzahliges Vielfaches davon sein:
c/(2nd)=kc/(2L0), k=1,2,3... (10)
Daher ist als optische Länge L0 des Resonators ein ganzzahliges Vielfaches der halben optischen Länge des Laserresonators n-d zu wählen: L0=k-n-d/2, k=1 ,2,3...
Dies stellt eine „makroskopische" Resonanzbedingung dar, die im Fall eines Mehrmodenlasers zusätzlich zu der immer geltenden „mikroskopischen" Resonanzbedingung L0 = m Λ/2 einzuhalten ist, wobei m eine ganze Zahl der Größenordnung 100 000 und λ die Wellenlänge der zweiten Harmonischen bedeutet. Die makroskopische Bedingung ist dabei mit einer moderaten Genauigkeit von ca. 10"4 m einzuhalten, während die mikroskopische Bedingung auf ca. 10"9m genau eingehalten werden muß. Für die Einhaltung der makroskopischen Bedingung genügt eine entsprechende Fertigungspräzision, während die Einhaltung der mikroskopische Bedingung nur durch eine aktive Längenstabilisierung z.B. mit Hilfe eines Piezoelementes 9 gewährleistet werden kann.
Die Resonatorspiegel 1 , 4 und 19 werden mit sphärisch gekrümmten Flächen versehen, so dass die im Resonator sich ausbildende Grundmode zwei Strahltaillen besitzt, von denen die erste sich etwa in der Mitte des SHG-Kristalls 10, die zweite in der Mitte des FHG-Kristalls 11 befindet. Die Größe und Lage der Strahltaillen kann durch die Wahl der Spiegelabstände und deren Krümmungsradien festgelegt werden (siehe z.B. Kogelnik et al., Applied Optics, Vol. 5, October 1966, Seite 1550). Die für eine möglichst hohe Konversionseffizienz günstigste Größe der Strahltaillen läßt sich mit dem von Boyd et al. , Journal of Applied Physics, Vol. 39, July 1968, Seite 3597 angegebenen Formalismus berechnen.
Die Linse 13 fokussiert die Grundwelle 7 in den SHG-Kristall 10, der sich im Resonatorzweig zwischen den Spiegeln 1 und 4 befindet. Die Fokussierungsbedingungen werden dabei so gewählt, dass die im SHG-Kristall erzeugte Strahltaille der Grundwelle um den Faktor /2 größer ist, als die Strahltaille der zweiten Harmonischen in diesem Kristall. Dadurch wird die bestmögliche Kopplung der Grundwelle mit der zweiten Harmonischen im SHG-Kristall erreicht. Der SHG-Kristall hat eine kubische Form mit einer Eintrittsfläche 2 und einer Austrittsfläche 3, die beide antireflektiv sowohl für die Grundwelle als auch für die zweite Harmonische beschichtet sind. Die im SHG-Kristall erzeugte zweite Harmonische 20 ist parallel zur Resonatorebene polarisiert und wird durch die Resonatorspiegel periodisch zurückreflektiert, durchläuft also den Kristall in beiden Richtungen. Sofern es sich um einen kritisch phasenangepaßten Kristall handelt, wird er so orientiert, dass seine Hauptschnittebene mit der Resonatorebene zusammenfällt, d.h. die optische Achse des Kristalls liegt in der Resonatorebene. Phasenanpassung wird dann durch Winkelabstimmung um eine Achse senkrecht zur Resonatorebene erreicht. Im Fall eines unkritisch phasenangepaßten Kristalls wird die Temperatur des Kristalls so eingestellt, dass Phasenanpassung vorliegt. Die Materialien LBO und LiNb03 können beispielsweise bei der Grundwellenlänge 1064nm je nach Kristallschnitt sowohl mit kritischer als auch mit unkritischer Phasenanpassung verwendet werden.
Ein geringer Teil 21 des frequenzverdoppelten Lichtes durchdringt den Resonatorspiegel 4 (Resttransmission) und wird von einem Detektor 18 registriert. Der SHG-Kristall wird mit Elektroden 17 versehen, an die eine hochfrequente Wechselspannung angeschlossen wird. Wenn es sich bei dem SHG-Kristall um ein elektro-optisch aktives Material handelt, wird hierdurch der Brechungsindex des Kristalls und damit die optische Weglänge im Resonator moduliert. Dies ist z.B. bei dem Kristallmaterial LiNb03 der Fall, das besonders große elektrooptische Koeffizienten hat, aber auch Materialien wie BBO oder KDP sind dafür geeignet. Durch Phasenvergleich des Detektorsignals mit der an den Kristall angelegten Wechselspannung (z.B. mit einem doppelt symmetrischer Mischer) kann ein Regelsignal zur Steuerung eines Piezoelementes 9 gewonnen werden, mit dem die Resonatorlänge auf Resonanz mit der Wellenlänge der zweiten Harmonischen abgestimmt wird. Anstelle des SHG-Kristalls kann auch der FHG-Kristall 11 zur Modulation der Resonatorlänge benutzt werden, falls dessen elektrooptische Eigenschaften sich dafür besser eignen.
Durch die Reflexion am Spiegel 4 durchläuft die Grundwelle den SHG- Kristall 10 ein zweites Mai in umgekehrter Richtung. - Da der nichtkonvertierte Teil der Grundwelle anschließend in die Laserquelle 12 zurückläuft, müssen Maßnahmen zur Vermeidung von Stabi- iitätsproblemen in der Laserquelle 12 ergriffen werden. Wird ein SHG- Kristall mit kritischer Phasenanpassung verwendet, so genügt eine geringe Dejustierung des Grundwellenstrahls gegenüber der Resonatorebene, so dass der zurückreflektierte Strahl nicht mehr genau in die Grundmode des Laserresonators zurückfällt. Da die Grundwelle nicht resonant in den passiven Resonator eingekoppelt wird, ist eine geringfügige Dejustierung bezüglich der Resonatorspiegel zulässig. Bei der gewählten Polarisation der Grundwelle und der zweiten Harmonischen besitzt ein kritisch phasenangepaßter Kristall eine hohe Winkelempfindlichkeit in der Resonatorebene, jedoch eine geringe Winkelempfindlichkeit senkrecht dazu. Daher kann die Grundwelle geringfügig gegenüber der Resonatorebene verkippt werden, ohne dass sich die Phasenanpassung im Kristall und damit die Konversionseffizienz wesentlich ändert. Statt durch Dejustierung kann eine Rückreflexion auch mit Hilfe eines Faraday-Isolators, der zwischen Laserquelle und Resonator plaziert wird, vermieden werden.
Der FHG-Kristall 11 zur Erzeugung der vierten Harmonischen 8 befindet sich zwischen den Spiegeln 1 und 19 und besitzt ebenfalls eine kubische Form mit zwei Flächen 5 und 6, die beide antireflektiv für die zweite und vierte Harmonische beschichtet sind. Bei einem kritisch phasenangepaßten Kristall wie z.B. BBO, was bei UV-Erzeugung der Regelfall ist, wird die Hauptschnittebene senkrecht zur Resonatorebene orientiert und die Winkelabstimmung erfolgt durch Drehung um eine Achse, die in der Resonatorebene liegt und senkrecht zur Laserstrahlrichtung ist. Da der FHG-Kristall in beide Richtungen von der zweiten Harmonischen durchstrahlt wird, erfolgt die Erzeugung der vierten Harmonischen ebenfalls in beide Richtungen. Der durch die Fläche 6 aus dem Kristall 11 austretende Teilstrahl der vierten Harmonischen tritt durch den Spiegel 1 aus dem Resonator aus. Der in die andere Richtung erzeugte Teilstrahl tritt durch die Fläche 5 aus dem Kristall aus und wird durch den Spiegel 19 in sich zurückreflektiert, so dass er erneut in den Kristall eintritt und sich beim Austritt aus dem Kristall an der Fläche 6 mit dem anderen Teilstrahl vereinigt.
Sowohl die Grundwelle als auch die vierte Harmonische durchlaufen den SHG- bzw. FHG-Kristall zweimal in jeweils umgekehrter Richtung. Dies führt zur Ausbildung stehender Wellen im jeweiligen Kristall. Die zweite Harmonische bildet im linearen Resonator ebenfalls ein stehendes Wellenfeld aus. Wegen des jeweils gemeinsamen Spiegels 4 für Grundwelle und zweite Harmonische bzw. des Spiegels 19 für zweite Harmonische und vierte Harmonische besteht eine feste Phasenbeziehung zwischen den stehenden Wellen der verschiedenen Harmonischen. Da der Konversionsprozess im nicht linearen Kristall in beiden Fällen von der Kopplung der Felder zwischen der zweiten und vierten Harmonischen abhängt, ist die erreichbare Konversionseffϊzienz stark abhängig von der Phasenbeziehung beider Felder. Im ungünstigsten Fall kann die Konversionseffizienz Null betragen, in diesem Fall liegt eine destruktiven Interferenz vor. Im günstigsten Fall, also bei konstruktiver Interferenz, nimmt die Konversionseffizienz den vierfachen Wert dessen an, der bei einfachem Durchgang der zweiten Harmonischen vorliegen würde. Wegen der unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit der Brechungsindizes n0 und ne der Kristalle für den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl ist die relative Phasenlage der verschiedenen Harmonischen von der Kristalltemperatur abhängig. Durch eine genaue Einstellung der Kristalltemperaturen kann diese Phasenbeziehung so eingestellt werden, dass konstruktive Interferenz vorliegt und somit die Konversionseffizienz für jede Stufe vervierfacht wird. Daraus ergibt sich eine um Faktor 32 gesteigerte Ausgangsleistung für die vierte Harmonische gegenüber Formel (7):
P = 4 24 (4 P2R)2 = 32 γ2A ι2 2 A4 P (11 )
Bei Verwendung der Kristallmaterialien MgO:LiNb03 für den SHG- Kristall bzw. BBO für den FHG-Kristall kann mit der beschriebenen Anordnung aus 1W Laserdiodenleistung (808nm) eine UV Leistung von etwa 1mW (266nm) und aus 2W Laserdiodenleistung eine UV- Leistung von etwa 20mW erzeugt werden. Da diskrete Laserdioden mit 2W Ausgangsleistung sehr preisgünstig erhältlich sind, läßt sich auf diese Art ein sehr kompakter und kostengünstiger UV-Laser realisieren.
In einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 2 erfolgen die Einkopplung der Grundwelle 7 sowie die Auskopplung der vierten Harmonischen 8 nicht durch einen Spiegel, sondern durch eine planparallele Platte 25, welche im Brewsterwinkel zum Strahlengang der zweiten Harmonischen 20 steht. Beide Flächen der planparallelen Platte sind mit sogenannten Polarisationsstrahlteilerschichten versehen. Diese Schichten sind für die in der Einfallsebene der Brewsterflächen (=Resonatorebene) polarisierte zweite Harmonische hochtransparent und für eine andere Wellenlänge mit dazu senkrechter Polarisation hochreflektierend. Die dem SHG-Kristall zugewandte Schicht ist hochreflektierend für die Grundwelle und die dem FHG- Kristall zugewandte Schicht ist hochreflektierend für die vierte Harmonische. Mit solchen Schichten können höhere Kontrastverhältnisse (Verhältnis der Transmissionen für die zu trennenden Laserstrahlen) erzielt werden, als mit einer Spiegelschicht, wie sie bei Spiegel 1 in der Ausführungsform nach Fig. 1 verwendet wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist daher die Einkopplung der Grundwelle sowie die Auskopplung der vierten Harmonischen effizienter. Die Elektroden 17 zur Modulation der Resonatorlänge sind in dieser Ausführungsform nach Fig. 2 ohne besonderen Grund am FHG-Kristall 11 angebracht, stattdessen könnte auch der SHG-Kristall 10 mit Elektroden versehen werden. Ausschlaggebend dafür sind im wesentlichen die Eigenschaften des verwendeten Kristallmaterials. Da der Resonator in dieser Anordnung aus nur zwei Spiegeln 4 und 19 gebildet wird, besitzt die Grundmode des Resonators nur eine Strahltaille. Diese wird durch entsprechende Wahl der Krümmungsradien der Spiegel in die Mitte des FHG-Kristalls 11 gelegt, da die Konversionseffizienz des FHG-Kristalls im allgemeinen niedriger als die des SHG-Kristalls ist. Dies hat zudem den Vorteil, dass eine Fokussierungslinse 13, wie sie in der vorherigen Ausführungsform zur optimalen Einkopplung des Grundwellenstrahls verwendet wird, entfallen kann, da der Strahlverlauf der zweiten Harmonischen im SHG-Kristall in diesem Fall divergent ist und die optimale Einkopplung der Grundwelle einfach durch Wahl eines geeigneten Abstandes des Laserkristalls 16 vom SHG-Kristall erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 3 werden die Polari- sationsstrahlteilerschichten direkt auf die Kristallflächen 2 bzw. 6 aufgebracht. Die Einkopplung der Grundwelle bzw. die Auskopplung der vierten Harmonischen erfolgt hier über eine dritte Fläche des jeweiligen Kristalls, die für die entsprechende Wellenlänge antireflektiv beschichtet ist. Die Effizienz der Einkopplung bzw. Auskopplung wird hierdurch gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2 nur unwesentlich verschlechtert. Dafür enthält der Resonator insgesamt weniger Flächen, durch die die zweite Harmonische hindurchtreten muß. Wegen der geringeren Verluste wird dadurch ein größerer Überhöhungsfaktor A und damit eine höhere Gesamteffizienz erreicht. Ansonsten ist diese Ausführungsform mit der in Fig. 2 identisch.
Die Ausführungsformen nach Fig. 4 bis Fig. 6 unterscheiden sich grundsätzlich dadurch von den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis Fig. 3, dass der Laserresonator und der passive Resonator einen gemeinsamen Resonatorspiegel 4 besitzen. Der Laserresonator wird bei diesen Ausführungsformen aus dem Spiegel 4, der Polarisa- tionsstrahlteilerschicht 2 auf dem SHG-Kristall 10 und der Fläche 27 des Laserkristalls 16 gebildet. Alle drei Elemente sind hochreflektierend für die im Laserkristall erzeugte Grundwelle bei 1064nm. Der Bereich zwischen Spiegel 4 und der Fläche 2 stellt einen gemeinsamen Strahlabschnitt des Laserresonators und des passiven Resonators dar, der aus dem Spiegel 4 und dem Spiegel 19 gebildet wird. Daher befindet sich der SHG-Kristall 10 sowohl im Laserresonator als auch im passiven Resonator. Durch die zusätzliche Überhöhung um Faktor A-ι der Grundwellenleistung im Laserresonator ergibt sich eine erhöhte Leistung der vierten Harmonischen gemäß
P4 = 2 ι2 2 24 A1 4 A2 4 P1 4 (12) wobei A2 der Überhöhungsfaktor des passiven Resonators ist. Obwohl im Laserresonator im allgemeinen nur Überhöhungsfaktoren um Aι«20 vorliegen, wird in einer solchen doppelt resonanten Anordnung wegen der vierten Potenz, mit der AT eingeht, eine wesentlich höhere Konversionseffizenzen erreicht als bei den vorhergehenden Ausführungsformen, insbesondere bei geringer Pumpleistung der Laserdiode.
Nachteilig ist bei diesen Ausführungsformen jedoch, dass Maßnahmen zur Vermeidung des oben erwähnten „Green Problem" ergriffen werden müssen, da der Grundwellenresonator nun einen nicht linearen Kristall enthält und dadurch zu starkem Intensitätsrauschen neigt. Wegen der angestrebten Kompaktheit des UV-Lasers wird hier die Rauschunterdrückung nicht durch eine große Resonatorlänge und damit große Anzahl von Moden, sondern durch Einmodenbetrieb gewährleistet. Die Ausführungsform nach Fig. 4 ist mit wenigen Ausnahmen mit der nach Fig. 3 identisch. In Fig. 4 ist die Fläche 28 des Laserkristalls 16 antireflektiv für die Grundwellenlänge beschichtet. Zusätzlich befindet sich im Laserresonator noch ein Etalon 26, das durch seine frequenzselektive Wirkung für Einmodenbetrieb sorgt. Dazu muß die Dicke und die Beschichtung des Etalons sorgfältig gewählt werden, um einerseits ausreichende Selektivität und andererseits nicht zu hohe Verluste zu gewährleisten. Die Dimensionierung von Etalons für Laserresonatoren ist in der Fachliteratur eingehend beschrieben worden. Durch den Einmodenbetrieb wird die nicht lineare Kopplung verschiedener Axialmoden im Laserresonator und somit das damit verbundene Intensitätsrauschen verhindert. Um stabilen Einmodenbetrieb zu gewährleisten, wird der als Resttransmission aus dem Spiegel 4 austretende Teil der Grundwelle 23 mit einem Detektor 22 registriert. Dieses der resonatorinternen Leistung der Grundwelle proportionale Signal dient als Fehlersignal für eine aktive Regelschleife, die entweder die Temperatur des Etalons oder des Laserkristalls so einstellt, dass die Frequenz der aktive Lasermode mit dem Transmissionsmaximum des Etalons übereinstimmt und somit die resonatorinterne Grundwellenleistung maximal ist. Die Trennung der Resttransmission von Spiegel 4 in die Bestandteile Grundwelle und zweite Harmonische erfolgt durch eine geeignete Beschichtung des Strahlteilers 24.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 wird Einmodenbetrieb durch das Prinzip der gekoppelten Resonatoren erreicht. Die Fläche 28 des Laserkristalls 16 ist hier teilreflektierend mit einem Reflexionsgrad zwischen 30% und 80% für die Grundwellenlänge beschichtet. Dadurch wird der Laserresonator in zwei Teilresonatoren mit einer gemeinsamen Spiegelfläche unterteilt. Der erste Teilresonator besteht aus den Flächen 27 und 28 des Laserkristalls 16, der zweite Teilresonator aus dem Spiegel 4 und der gemeinsamen Fläche 28. Durch ein geeignetes Verhältnis der Resonatorlängen der beiden Teilresonatoren kann so erreicht werden, dass sich innerhalb des Verstärkungsprofile des Laserkristalls nur eine einzige Axialmode befindet, die beiden Teilresonatoren gemeinsam ist. Andere Axialmoden können wegen der zu geringen Refiektivität der Austrittsfläche 28 des Laserkristalls nicht anschwingen. Das Prinzip der gekoppelten Resonatoren wird z.B. in Adams et al., „Two-segment cavity theory for mode selection in semiconductor lasers", IEEE J. Quantum Electron. Vol. 20,1984, Seite 99 näher beschrieben.
Ein ähnliches Prinzip zur Erzielung von Einmodenbetrieb liegt der Ausführungsform nach Fig. 6 zugrunde. Die Fläche 28 des Laserkristalls 16 ist hier antireflektiv und die Fläche 2 des SHG-Kristalls 10 teilreflektierend für die Grundwellenlänge be-schichtet. Ein zusätzlicher, bei der Grundwellenlänge hochreflektierender Spiegel 30, der auf einem Piezoelement 29 angebracht ist, reflektiert den durch die Kristallfläche 2 transmittierten Teil der Grundwelle in den Resonator zurück. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform weist der Laserresonator zwei gekoppelte Teilresonatoren auf, deren gemeinsame Moden bei geeigneter Wahl der Resonatorlängen einen ausreichend großen Frequenzabstand besitzen, um Einmodenbetrieb zu gewährleisten. Diese Form von gekoppelten Resonatoren ist als Fox-Smith-Resonator bekannt und in Fox et al., Phys. Rev. Lett., Vol. 18,1967, Seite 826, beschrieben. Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 5 besitzt diese den Vorteil, dass die Anforderungen an die Refiektivität der Kristallfläche 2 geringer sind und die Abstimmung der Teilresonatoren zueinander mit einem unabhängigen Piezoelement 29 erfolgen kann.
Bei allen Ausführungsformen nach Fig. 1 bis Fig. 6 kann die Fläche 3 des SHG-Kristalls 10 auch als Resonatorspiegel ausgeführt werden, wodurch dann der Resonatorspiegel 4 entfallen kann. Die Fläche ist hierzu mit einer sphärischen Krümmung und einer Beschichtung zu versehen, die die Anforderungen entsprechend dem Resonatorspiegel 4 erfüllt. Da hierdurch der zweimalige Durchgang durch die antireflektiv beschichtete Kristallfläche entfällt, werden die Resonatorverluste V reduziert und damit der Überhöhungsfaktor A entsprechend erhöht. Nachteilig ist dabei die aufwendigere Herstellung des Kristalls.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist der passive Resonator als Ringresonator mit den beiden Spiegeln 1 und 4 ausgeführt. Der Spiegel 1 dient sowohl als Einkoppelspiegel für die Grundwelle 7 als auch als Auskoppelspiegel für die vierte Harmonische 8 und ist daher transparent für die Grundwelle und die vierte Harmonische, aber hochreflektierend für die zweite Harmonische. Die vom Festkörperlaser 12 erzeugte Grundwelle 7 wird mit einer Linse 13 durch den Spiegel 1 hindurch in den SHG-Kristall 10 fokussiert. Da es sich um einen Ringresonator handelt, wird die Grundwelle nicht in den Festkörperlaser zurückreflektiert, so dass keine Maßnahmen zur Vermeidung von Stabilitätsproblemen notwendig sind. Die Grundwelle ist senkrecht zur Resonatorebene polarisiert und wird wie in den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis Fig. 3 inkohärent in den Resonator eingekoppelt, d.h. die Anforderungen an die Justiergenauigkeit sind lediglich durch die Phasenanpassungsbedingungen des SHG-Kristalls bestimmt. Spiegel 4 ist hochreflektierend für die zweite Harmonische und zwecks Abstimmung der Resonatorlänge auf einem Piezoelement 9 angebracht. Die Flächen 3 bzw. 5 des SHG-Kristalls 10 bzw. des FHG-Kristalls 11 sind unbeschichtet und im Brewsterwinkel zum Strahl der im Resonator umlaufenden zweiten Harmonischen 20 angeordnet. Die im SHG-Kristall erzeugte zweite Harmonische ist parallel zur Resonatorebene polarisiert und erfährt daher an diesen beiden Flächen nur sehr geringe Verluste. Die beiden anderen Flächen 2 und 6 der Kristalle stehen nahezu, aber nicht genau senkrecht zum Strahl und sind antireflektiv für die zweite Harmonische beschichtet. Fläche 2 dient als Einkoppelfläche des SHG-Kristalls für die Grundwelle und ist daher zusätzlich antireflektiv für die Grundwelle beschichtet. Fläche 6 dient als Auskoppelfläche des FHG-Kristalls für die vierte Harmonische und ist daher zusätzlich antireflektiv für die vierte Harmonische beschichtet. Durch diese Ausführung der Kristallflächen werden die geringstmöglichen Verluste für alle drei beteiligten Wellenlängen erzielt. Da der FHG-Kristall nur in einer Richtung von der zweiten Harmonischen durchstrahlt wird, erzeugt er nur in diese eine Richtung eine vierte Harmonische, die durch die Fläche 6 aus dem FHG-Kristall austritt und den Resonator durch den Spiegel 1 hindurch verläßt. Die beiden Spiegel 1 und 4 sind sphärisch gekrümmt, so dass sich im Resonator eine Grundmode ausbildet, deren erste Strahltaille in der Mitte des SHG-Kristalls und deren zweite Strahltaille in der Mitte des SFG-Kristalls liegt.
Da die nicht linearen Kristalle bei dieser Ausführungsform jeweils nur in einer Richtung durchstrahlt werden, ist die Formel (7) zur Berechnung der Ausgangsleistung zu verwenden. Obwohl bei einem Ringresonator wegen der geringeren Verluste mit einem größeren Wert für den Überhöhungsfaktor A zu rechnen ist, sind die zu erwartenden Ausgangsleistungen im allgemeinen geringer als bei den vorhergehenden Ausführungsformen mit linearem Resonator. Das trifft vor allem bei niedrigen Grundwellenleistungen unterhalb 1W zu. Da die Grundwellenleistung jedoch mit der vierten Potenz eingeht, werden für höhere Grundwellenleistungen durchaus praktikable
Konversionseffizienzen erreicht. Durch eine sinnvolle Verteilung der Komponenten in Stromversorgung und Laserkopf, wie in Fig. 8 dargestellt, läßt mit dieser Anordnung eine UV-Strahlquelle mit einer Ausgangsleistung in der Größenordnung 100mW mit einem sehr kompakten Kopfteil realisieren. Hierzu wird ein Festkörperlaser 102 mit einer Leistung zwischen 5W und 10W zusammen mit einem Halbleiterlaser 101 als Pumpquelle in die Stromversorgungseinheit 100 integriert. Die Grundwelle 7 aus dem Festkörperlasers wird mit einer Einkoppeloptik in eine Einmoden-Lichtleitfaser 103 eingekoppelt und zum Laserkopf 104 geleitet. Im Laserkopf befindet sich der Ringresonator mit den nicht linearen Kristallen, die zur aktiven Regelung der Resonatorlänge notwendigen Detektoren und Stellelemente, die Einkoppeloptik für die Grundwelle 7 und die Auskoppeloptik für die vierte Harmonische 8. Da die Grundwelle inkohärent in den Laserkopf eingekoppelt wird, sind die Anforderungen an die Justierung der Einkoppeloptik nicht übermäßig hoch. Durch das Fehlen größerer Wärmequellen im Laserkopf können die sonst notwendigen Maßnahmen zur Wärmeabfuhr entfallen. Diese Eigenschaften sind insbesondere bei Industrieanwendungen häufig erforderlich.
Die Konversionseffizienz wird in den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis Fig. 7 zumindest im FHG-Kristall durch den Walk-Off-Effekt gemindert, da zur Zeit keine Kristallmaterialien mit unkritischer Phasenanpassung für den UV-Bereich existieren. Auch beim SHG- Kristall kann es sinnvoll sein, kritische Phasenanpassung zu verwenden, wenn für unkritische Phasenanpassung eine hohe Temperatur erforderlich ist, die man aus technischen Gründen vermeiden möchte. In diesem Fall tritt der störende Walk-Off-Effekt auch im SHG-Kristall auf. In der Ausführungsform nach Fig. 9 wird der Walk-Off-Effekt weitgehend dadurch vermieden, dass die im Resonator umlaufende zweite Harmonischen innerhalb der beiden nicht linearen Kristalle einen elliptischen Strahlquerschnitt besitzt. Dies wird durch eine zylindrische Krümmung der Kristallflächen erreicht. In Fig. 9 ist die zweite Harmonische in der Resonatorebene, d.h. in der xz-Ebene polarisiert, die eingekoppelte Grundwelle 7 ist in y-Richtung polarisiert. Die Hauptschnittebene des SHG-Kristalls 10, d.h. die von der Einstrahlrichtung und der Kristallachse aufgespannte Ebene, liegt daher in der Resonatorebene. Ist der SHG-Kristall kritisch phasenangepaßt, so findet eine Ablenkung der zweiten Harmonischen durch den Walk-Off-Effekt in der Resonatorebene statt. Der Walk-Off- Effekt kann daher durch einen elliptischen Strahlquerschnitt mit der längeren Halbachse in der Resonatorebene verringert bzw. weitgehend eliminiert werden. Beim FHG-Kristall 11 steht die Hauptschnittebene senkrecht zur Resonatorebene, entsprechend ist die vierte Harmonische senkrecht zur Resonatorebene polarisiert. Zur Verringerung des Walk-Off-Effektes wird hier also ein elliptisches Strahlprofil mit der längeren Halbachse senkrecht zur Resonatorebene benötigt. Um den Walk-Off-Effekt in beiden Kristallen deutlich zu reduzieren, muß die Grundmode des Resonators eine extrem astigmatische Form besitzen. Dies wird durch eine zylindrische Krümmung der Kristallflächen erreicht, und zwar indem die Flächen 2 und 3 des SHG-Kristalls 10 in der Resonatorebene und die Flächen 5 und 6 des FHG-Kristalls in einer Ebene senkrecht zur Resonatorebene gekrümmt sind. Die Symmetrieachse der Zylinderflächen sind beim SHG-Kristall daher senkrecht zur Resonatorebene, beim FHG-Kristall liegen diese Symmetrieachsen in der Resonatorebene. Die Resonatorspiegel 1 und 4 sind entweder plan oder besitzen eine schwache sphärische Krümmung. Der Verlauf der Strahlausdehnungen für die x- und y-Richtung, der sich aus dieser Resonatorabbildung ergibt, ist in Fig. 10 schematisch und mit übertriebenen Größenverhältnissen dargestellt. Im SHG-Kristall ergibt sich eine große Strahlausdehnung in der x-Richtung, also in der Resonatorebene, während im FHG-Kristall in der y-Richtung die größere Strahlausdehnung vorliegt, so dass in beiden Kristallen der Walk-Off-Effekt reduziert wird. Die Ausdehnung in der y-Richtung wird überwiegend durch die Krümmung der FHG-Kristallflächen bzw. der daraus resultierenden Brennweite bestimmt, während die Ausdehnung in der x-Richtung durch die Krümmung der SHG-Kristallflächen bestimmt wird. . Durch unterschiedliche Bemessung dieser Krümmungen kann das Achsenverhältnis des Strahlquerschnitts der Stärke des Walk-Off-Effektes im jeweiligen Kristall angepaßt werden.
Durch die Reduzierung des Walk-Off-Effektes im FHG-Kristall wird nicht nur die Konversionseffizienz erhöht, sondern auch die Strahlqualität des frequenzvervierfachten Ausgangsstrahls verbessert. Die zuvor erwähnten Interferenzstörungen des Strahlprofils im Nahfeldbereich werden reduziert. Durch eine Kombination zylindrisch gekrümmter Kristallflächen mit zylindrisch oder sphärisch gekrümmten Spiegelflächen kann auch in den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis Fig. 6 ein elliptischer Strahlquerschnitt in den nicht linearen Kristallen erzeugt werden, durch den der Walk-Off-Effektes reduziert werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der Merkmale weitere Ausführungsformen zu realisieren.

Claims

Patentansprüche
1. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls (8) einer vorbestimmten Frequenz, mit einem ersten nicht linearen Kristall (10), der ausgebildet ist, einen Laserstrahl (7) mit einer ersten Frequenz zumindest teilweise in einen Laserstrahl (20) mit einer zweiten Frequenz umzwandeln, wobei die zweite Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Frequenz beträgt, einem zweiten nicht linearen Kristall (11), der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zumindest teilweise in den Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten Frequenz umzuwandeln, wobei die vorbestimmte Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten Frequenz beträgt, und einem Resonator, der ausgebildet ist, den Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zu speichern, wobei der erste und zweite nicht lineare Kristall (11) in dem Resonator platziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator auf die zweite Frequenz resonant abgestimmt ist.
2. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein linearer Resonator ist, wobei eine optische Länge des linearen Resonators ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz beträgt.
3. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Resonator einen ersten Resonatorspiegel (4) aufweist, der ausgebildet ist, sowohl elektromagnetische Strahlung mit der ersten Frequenz als auch elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz zu reflektieren.
4. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Resonator derart ausgebildet ist, dass ein von dem ersten Resonatorspiegel (4) reflektierter Bestandteil des Laserstrahls mit der ersten Frequenz in den ersten nicht linearen Kristall (10) reflektiert wird, wobei in dem ersten nicht linearen Kristall (10) aus dem - reflektierten Bestandteil des Laserstrahls (7) mit der ersten Frequenz ein erster Bestandteil des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz hervorgeht.
5. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Resonator derart ausgebildet ist, dass ein zweiter Bestandteil des Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz in dem ersten nicht linearen Kristall (10) aus einem sich auf den ersten Resonatorspiegel (4) zu bewegenden Bestandteil des Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz hervorgeht und mit dem ersten Bestandteil des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz konstruktiv interferiert.
6. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Resonator einen zweiten Resonatorspiegel (19) aufweist, der ausgebildet ist, sowohl elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz als auch elektromagnetische Strahlung mit der vorbestimmten Frequenz zu reflektieren.
7. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Resonator derart angeordnet ist, dass ein von dem zweiten Resonatorspiegel (19) reflektierter Bestandteil des Laserstrahl mit der zweiten Frequenz in den zweiten nicht linearen Kristall (10) reflektiert wird, wobei in dem zweiten nicht linearen Kristall (10) aus dem reflektierten Bestandteil des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz ein erster Bestandteil des Laserstrahls (8) mit der vorbestimmten Frequenz hervorgeht.
8. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Resonator derart ausgebildet ist, dass ein zweiter Bestandteil des Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten Frequenz in dem zweiten nicht linearen Kristall (10) aus einem sich auf den zweiten Resonatorspiegel (19) zu bewegenden Bestandteil des Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz hervorgeht, der von dem Resonatorspiegel (19) reflektiert wird, und mit dem ersten Bestandteil des Laserstrahls (8) mit der vorbestimmten Frequenz konstruktiv interferiert.
9. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Resonator derart ausgebildet ist, dass ein von dem - ersten Resonatorspiegel (4) reflektierter Bestandteil des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz in den ersten nicht linearen Kristall (10) reflektiert wird und/oder dass ein von dem zweiten Resonatorspiegel (19) reflektierter Bestandteil des Laserstrahls mit der vorbestimmten Frequenz in den zweiten nicht linearen Kristall (11) reflektiert wird.
10. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Resonator einen dritten Resonatorspiegel (1) umfaßt, der sowohl für elektromagnetische Strahlung mit der ersten als auch für elektromagnetische Strahlung mit der vorbestimmten Frequenz transparent ist und elektromagnetische Strahlung mit der zweiten Frequenz reflektiert, wobei der lineare Resonator derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz durch den dritten Resonatorspiegel (1) zu dem ersten nicht linearen Kristall (10) gelangt, der Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten Frequenz durch den dritten Resonatorspiegel (1 ) aus dem linearen Resonator austritt und der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz zwischen dem ersten, dritten und zweiten Resonatorspiegel (4, 19 und 1) hin- und herreflektiert wird.
11. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Resonator eine planparallele Platte (25) aufweist, die den Laserstrahl mit der ersten und der vorbestimmten Frequenz (7 und 8) reflektiert und derart zwischen dem ersten und zweiten Resonatorspiegel (4 und 19) angeordnet ist, dass der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz im Brewsterwinkel auf die planparallele Platte trifft, wobei der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz parallel zur Einfallsebene auf die planparallele Platte (25) polarisiert ist.
12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Platte (25) eine erste Polarisationsstrahlteilerschicht aufweist, die das auf die planparallele Platte (25) einfallende, linear polarisierte Laserlicht
(7) mit der ersten Frequenz reflektiert, und eine zweite Polarisationsstrahlteilerschicht aufweist, die das auf die planparallele Platte (25) einfallende, linear polarisiertes Laserlicht
(8) mit der vorbestimmten Frequenz reflektiert.
13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Polarisationsstrahlteilerschicht elektromagnetische Strahlung reflektiert, die senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz auf die planparallele Platte (25) polarisiert ist, wobei der lineare Resonator, der erste und/oder der zweite nicht lineare Kristall derart ausgebildet sind, dass der Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz und der Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten Frequenz senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz auf die planparallele Platte (25) polarisiert ist.
14. Gerät nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste nicht lineare Kristall (10) eine erste, den Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz reflektierende Kristalloberfläche (2) und der zweite nicht lineare Kristall (11) eine zweite, den Laserstrahl (8) mit der vorbestimmten Frequenz reflektierende Kristalloberfläche (6) aufweist, wobei die erste und zweite Kristalloberfläche (2 und 6) parallel zueinander ausgerichtet sind und der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz in einem Brewsterwinkel auf die erste und zweite Kristalloberfläche (2 und 6) einfällt und parallel zur Einfallsebene auf die erste und zweite Kristalloberfläche (2 und 6) polarisiert ist.
15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kristalloberfläche (2) die erste Polarisationsstrahlteilerschicht aufweist, die auf die erste Kristalloberfläche (2) einfallendes, linear polarisiertes Laserlicht (7) mit der ersten Frequenz reflektiert, und die zweite Kristalloberfläche (6) die zweite Polarisa- tionsstrahlteilerschicht aufweist, die auf die zweit Kristalloberfläche (6) einfallendes, linear polarisiertes Laserlicht (8) der vorbestimmten Frequenz reflektiert.
16. Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Polarisationsstrahlteilerschicht elektromagnetische Strahlung reflektiert, die senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz auf die erste und zweite Kristalloberfläche (2 und 6) polarisiert ist, wobei der Laserstrahl (7) mit der ersten Frequenz und der Laserstrahl (8) der vorbestimmten Frequenz senkrecht zur Einfallsebene des zweiten Laserstrahls (20) auf die erste und zweite Kristalloberfläche (2 und 6) polarisiert ist.
17. Gerät nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 16, gekennzeichnet durch eine Laserquelle (12) zum Erzeugen des Laserstrahls (7) mit der ersten Frequenz, wobei die Laserquelle (12) ein aktives Medium (16) und einen linearen Laserresonator umfaßt, in dem sich das aktive Medium (16) und der erste nicht lineare Kristall (10) befindet, wobei der Laserresonator den ersten Resonatorspiegel (4) umfaßt.
18. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator ausgebildet ist, die Laserquelle (12) im Einmodenbetrieb zu betreiben.
19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator ein Etalon (26) aufweist, das angeordnet und ausgebildet ist, für den Einmodenbetrieb der Laserquelle (12) zu sorgen.
20. Gerät nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator einen ersten Teilresonator, in dem sich das aktive Medium (16) befindet, und einen zweiten Teilresonator, in dem sich der erste nicht lineare Kristall (10) befindet, umfaßt, wobei der erste und zweite Teilresonator derart ausgebildet sind, dass der erste und zweite Teilresonator lediglich eine gemeinsame Resonatormode innerhalb einer Verstärkungsbandbreite des aktiven Mediums aufweisen.
21. Gerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilresonator einen ersten, den Laserstrahl mit der ersten Frequenz vollständig reflektierenden Teilresonatorspiegel (27) und einen zweiten, den Laserstrahl mit der ersten Frequenz teilweise reflektierenden Teilresonatorspiegel (28) aufweist, und der zweite Teilresonator den zweiten Teilresonatorspiegel (28) und den ersten Resonatorspiegel (4) aufweist.
22. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet dass eine optische Länge des linearen Resonators ein ganzzahliges Vielfaches der halben optischen Länge des Laserresonators beträgt.
23. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Resonatorregelung, die ausgebildet ist, die optische Länge des linearen Resonators auf ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz einzustellen, wobei die Resonatorregelung als Meßglied einen Intensitätsdetektor und ein Stellglied aufweist, wobei der Intensitätsdetektor ausgebildet ist, die Intensität des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz zu erfassen, und das Stellglied ausgebildet ist, die optische Länge des linearen Resonators einzustellen.
24. Gerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem linearen Resonator befindliche erste oder zweite nicht lineare Kristall elektro-optisch aktiv ist, die Resonatorregelung ausgebildet ist, die optische Länge des Resonators durch. Anlegen eines periodischen elektrischen Wechselfeldes an den ersten und/oder zweiten Kristall zu modulieren, und die Resonatorregelung einen Regler aufweist, der ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer zeitlichen Verschiebung zwischen Maxima der von dem Intensitätsdetektor erfassten Intensität und Nulldurchgängen des elektrischen Wechselfeldes ein Regelsignal an das Stellglied auszugeben.
25. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (20) im ersten und/oder zweiten nicht linearen Kristall ein elliptisches Strahlprofil aufweist, welches derart ausgerichtet ist, daß eine effizienzmindernde Wirkung einer Doppelbrechung im ersten und/oder zweiten nicht linearen Kristall reduziert wird.
26. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das im wesentlichen elliptische Strahlprofil mittels zylindrische gekrümmter Oberflächen eines der nicht linearen Kristalle (10 oder 11) oder eines der Resonatorspiegel (1, 4 oder 19) erzeugt wird, wobei der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz auf die gekrümmten Oberflächen einfällt oder aus den gekrümmten Oberflächen austritt.
27. Gerät zum Erzeugen des Laserstrahls (8) nach Anspruch 1 , - dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein Ringresonator ist, wobei eine optische Länge des Ringresonators ein ganzzahliges Vielfachse der Wellenlänge des Laserstrahls mit der zweiten Frequenz beträgt.
28. Gerät zum Erzeugen des Laserstrahls (8) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der erste nicht lineare Kristall (10) und der zweite nicht lineare Kristall (11) in dem Ringresonator untergebracht sind, der Ringresonator lediglich einen ersten Resonatorspiegel (4) und einen zweiten Resonatorspiegel (1) aufweist, und der erste und zweite Resonatorspiegel (4 und 1 ) sowie der erste und zweite nicht lineare Kristall (10 und 11) derart angeordnet sind, dass der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz entlang einer in einer Resonatorebene liegenden, geschlossenen Kurve in dem Ringresonator umläuft.
29. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls (8) nach Anspruch 28 dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Resonatorebene liegender Querschnitt des ersten und zweiten nicht linearen Kristalls (10 und 11) trapezförmig ausgebildet ist.
30. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite nicht lineare Kristall (10 und/oder 11) eine Kristalloberfläche (3 und/oder 5) aufweisen, wobei die Kristalloberfläche (3 und/oder 5) derart angeordnet ist, dass - der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz in einem Brewsterwinkel auf die Kristalloberfläche (3 und/oder 5) einfällt, wobei der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz parallel zu der Resonatorebene polarisiert ist.
31. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach einem der Ansprüche 28, 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringresonator, der erste und/oder der zweite nicht lineare Kristall derart angeordnet und ausgebildet sind, dass der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz im ersten und/oder zweiten nicht linearen Kristall ein im wesentlichen elliptisches Strahlprofil aufweist, welches derart ausgerichtet ist, dass die effizienzmindernde Wirkung der Doppelbrechung im ersten und/oder zweiten nicht linearen Kristall reduziert wird.
32. Gerät zum Erzeugen eines Laserstrahls nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das im wesentlichen elliptische Strahlprofil des Laserstrahls (20) mit der zweiten Frequenz mittels zylindrisch gekrümmter Oberflächen (2, 3, 5 oder 6) eines nicht linearen Kristalls (10 oder 11) erzeugt wird, wobei der Laserstrahl (20) mit der zweiten Frequenz auf die gekrümmten Oberflächen (2, 3, 5 oder 6) einfällt oder aus den gekrümmten Oberflächen (2, 3, 5 oder 6) austritt.
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