WO2007107441A1 - Gepulster parametrischer oszillator in einmodenbetrieb - Google Patents

Gepulster parametrischer oszillator in einmodenbetrieb Download PDF

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WO2007107441A1
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ktp
pump
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PCT/EP2007/052020
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French (fr)
Inventor
Hannes Vogelmann
Klaus GRÜTZMACHER
Thomas Trickl
Andreas Steiger
Martina Steiger
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Federal Government of Germany
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Federal Government of Germany
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
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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
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves

Definitions

  • the present invention relates to a widely tunable optical parametric oscillator (OPO) whose bandwidth is defined only by the Fourier transform limit.
  • OPO optical parametric oscillator
  • the functional principle of the widely tunable generation of laser radiation with an optical parametric oscillator is based on the special optical properties of non-linear and birefringent crystals.
  • the optical-parametric process is based on the interaction of two effects, the nonlinearity of the electrical polarization of the crystal and the phase matching by utilizing the birefringence.
  • the electric field component of the guided through a transparent solid light leads to a local electrical polarization of the solid. By wave-shaped propagation, the light generates a polarization wave in the dielectric.
  • the polarization represents a deformation of the electrical system of the medium and therefore can follow the electric field strength only limited linear.
  • these non-linearities hardly appear. Only by the extremely high light intensities, as they have become possible through the development of the laser, the terms of higher order gain crucial importance and have become technically usable.
  • the nonlinear components mean that the polarization wave, unlike an exciting harmonic light source, get additional frequency components. Since the polarization wave in turn generates an electromagnetic wave, this can result in light of a different wavelength.
  • the optical-parametric process can be described as frequency division.
  • the short-wave output radiation is used as a pump light.
  • the amplified long-wave radiation is called “signal” and the radiation additionally generated from differential photons "idler".
  • the optical-parametric process which is important for the optical parametric oscillator, uses these processes. It is irradiated strong pumping light and it caused by the non-linearity photons, which corresponds in their energy and pulse sum to the photons of the pump light.
  • a significant optical-parametric amplification of the generated photons is only possible if all three photons move at the same speed along the direction of propagation through the medium, because only so the photons always regenerated by the pump light constructively with the already existing Idler or signal photons can interfere.
  • the anisotropy of the medium causes the polarization of the optically parametrically generated light and the primary pump light to be perpendicular to one another, this can be used in a birefringent crystal to match the phases of pump light and signal or idler.
  • the crystal must be positioned at a certain angle to the beam direction so that orthogonally polarized light waves propagate equally fast and in phase through the crystal.
  • the optical parametric process is usually incorporated into a resonator which (partially) reflects the wavelength to be imitated on its end faces.
  • the first optical parametric oscillator was already realized in 1965. Since the middle of the eighties of the 20th century, the optical-parametric oscillators have experienced a significant upswing through the development of modern high-performance pump lasers.
  • a tuning mirror for adjusting the wavelength was provided in addition to the birefringent crystal for frequency division.
  • the rotation of the crystal and the tuning mirror was carried out in each case by an engine with a downstream heavily stocked spindle and lever mechanism, which has proven to be inadequate in practice.
  • the single-mode opto-parametric oscillators were also equipped with a fiber-optic coupled interferometer whose interference fringes were each viewed with a CCD camera on a small monitor to monitor single-mode operation.
  • An additional two-segment photodiode should electronically monitor and maintain single-mode operation according to an arrangement of TD Raymond, P. Esherick and AV Smith in Optics Letters 14 (1989), 1116-118, by adjusting the end mirror. Changes in the resonator length (eg due to thermal drift or mechanical changes) lead to a change in the wavelength and consequently to a certain change in the lattice condition horizontal beam direction, which is registered by the two-segment photodiode.
  • An active fine correction of the resonator length coupled thereto with the aid of a piezocrystal at the end mirror should stabilize the resonator in such a way that the resonator length always fulfills the so-called pivot condition.
  • Diode laser-seeded OPO system is equipped with a ring resonator.
  • An OPO is also known from CLEO 2001, pages 425-426. This is a broadband OPO with periodically poled lithium niobate, which is not suitable for single-mode operation.
  • the stable single-mode operation of the widely tunable optical parametric oscillators which is defined in its bandwidth only by the Fourier transform limit, represents a technical problem that has not been sufficiently solved in pulsed operation.
  • Other known devices such as the announced but never introduced in the market model MOPO-750 manufacturer Spectra-Physics could not even achieve a single-mode operation. It is accordingly an object of the present invention to provide a widely tunable pulsed parametric oscillator in single-mode operation at the Fourier transform limit, which enables sufficiently stable single-mode operation.
  • the device should be characterized by a lower adjustment effort, stable long-term behavior, low thermal and mechanical sensitivity and an active frequency stabilization.
  • instabilities that arise when switching on the operating temperature due to the thermal expansion of the crystal can be avoided.
  • the aging process of the crystals should be significantly slowed down.
  • a pulsed parametric oscillator comprising at least
  • the significant improvement in single mode operation of the optical parametric oscillator by elliptical deformation of the typically circular pump beam is achieved by an optical device that vertically compresses the beam profile of the pump beam.
  • a telescope eg cylindrical lenses
  • the cross section of the parallel light beam represents an ellipse with a clearly eccentric axis ratio (horizontal to vertical typically 2: 1).
  • the horizontal extent of the pump beam profile remains large, so that a sufficiently large longitudinal mode selectivity is ensured by an optimal illumination of the grid.
  • the vertical compression of the pump beam reduces the vertical area within the crystal, in which optical parametric amplification of photons is possible, to half.
  • photons only gain gain by the pump light in an angular range reduced to half.
  • the photons can be selected much narrower. This also creates a sufficient vertical selectivity of the resonator.
  • the pump beam modified in this way grazes a grating, passes through the nonlinear birefringent OPO crystal, strikes the end mirror, is reflected back onto the incident path, and leaves the resonator again.
  • the generated signal or idler photons also run parallel to the pump beam on the end mirror and are reflected together with the pump beam back into the non-linear, birefringent crystal, where by further optical parametric sub-processes further amplification of idler and signal takes place.
  • the signal is now bent just so that it meets perpendicular to the tuning mirror opposite the grid. From here, the signal via the grating is reflected back exactly into the resonator. This optical path is only possible with the light of exactly one wavelength.
  • the first optical parametric oscillator was realized in a LiNbOß crystal.
  • KH 2 PO 4 , KDP potassium dihydrogen phosphate
  • LBO Lithium borate
  • BBO betabarium borate
  • KTP potassium titanyl phosphate
  • the KTP crystals offer a particularly favorable combination of resistance to high light intensities, operating temperature, nonlinearity and birefringence.
  • the use of KTP crystals allows far (from visible light to mid-infrared) tunable optical parametric oscillators with useful energy yield.
  • the influence of the pump beam on the crystal leads, especially in the warm-up phase, to a drift in the angle-dependent phase matching. It is therefore useful and advantageous to provide the light-linear birefringent crystal, in particular when using KTP crystals with a heater. It has proved to be advantageous that a temperature is set by means of this heating, which is well above ambient temperature. In particular, temperatures between 30 and 100 ° C have proven to be advantageous. When using KTP crystals, the temperature range of 70-100 ° C was found to be particularly preferred and advantageous.
  • heating elements all devices known and suitable to those skilled in the art can be used. According to the invention, in particular the use of a small power transistor in direct contact with a temperature sensor and a small control electronics has proven to be advantageous.
  • heating element and temperature sensor are attached directly to the crystal receptacle, preferably made of aluminum. With this electronics, the crystal could be heated constantly to temperatures between 30 and 100 ° C. It has been shown that with crystal heating turned on, a much more stable operation of the optical parametric oscillator and a significantly shorter warm-up phase are made possible.
  • active frequency stabilization is also essential.
  • the required active stabilization has been achieved by fine-tuning the mechanical suspension of the tuning mirror. It has proven to be advantageous to use a piezoelectric crystal with electrical connections in the adjustment mechanism of the tuning mirror. The use was particularly advantageous where the spindle drive acts on the rotator of the mechanism.
  • the present invention additionally attached piezoelectric crystal allows a very fine adjustment of the tuning mirror and thus a very fine tuning of the wavelength of the optical parametric oscillator. It allows precise, almost hysteresis-free control and stabilization of the wavelength.
  • the frequency stabilization is preferably carried out by adjusting the voltage applied to the piezoelectric crystal voltage to the read from a wavelength meter precise wavelength information using a computer program.
  • the wavelength is averaged over an adjustable number of shots.
  • the step size of the control is in a preferred embodiment least 1 / 16V and affects below the detection limit on the determined by the meter wavelength, so that a continuous tuning is possible. As a result, it has been found according to the invention that the visible drift behavior is completely suppressible. Within the uncertainties of approx. ⁇ 5MHz no frequency drift was detectable.
  • Fig. 1 shows a Littmann resonator, as it is already known from the prior art.
  • Fig. 2 shows an example of the structure of the optical parametric oscillator according to the invention.
  • the pumping light 2 emerging from the pump laser 1 is deflected to the grid 3.
  • the pump beam strikes the grating 3 and passes through the KTP crystal 4.
  • the pump beam then strikes the end mirror 5, from where it is reflected back to the incident path 6.
  • the generated signal or Idlerphotonen run parallel to the pump beam 2. They also meet the end mirror 5 and are reflected together with the pump beam 2 back into the KTP crystal 4, where through renewed optical parametric sub-processes further amplification of idler and signal takes place.
  • the signal is now bent so precisely that it meets perpendicular to the grating facing the grating 7. From here, the signal is reflected back into the resonator exactly via the grating.
  • this optical path is only possible with the light of exactly one wavelength. This wavelength is precisely defined by the angle of the tuning mirror 7 with respect to the grating 3.
  • the high frequency selectivity of the illustrated Littmann resonator relates only to horizontal modes. Apart from that, an additional vertical component of the photon pulse may cause the photons to strike the tuning mirror at right angles to the grating in the direction of the back reflection. The photons are slightly displaced vertically each pass of the resonator, which in several passes may cause these photons to strike the KTP crystal outside the area illuminated by the pump beam and not amplified further. Overall, with these design features, the structure remains extremely sensitive to adjustment, in particular the tuning mirror, as has been found in practice.
  • Fig. 2 which illustrates the optical parametric oscillator of the present invention
  • an improvement in single-mode operation is achieved by elliptical deformation of the usually circular pump beam by an optical device that vertically compresses the beam profile of the pump beam.
  • This compression is achieved in the example of FIG. 2 with the aid of a telescope of two cylindrical lenses 8 and 9.
  • the lenses were selected in the example so that the pump beam profile represents an ellipse with a 2: 1 horizontal to vertical axis ratio.
  • the pulse-to-pulse fluctuation in frequency in the example according to the invention reduced to almost one quarter of the original value and was only about ⁇ 35 MHz.
  • the pump beam of the pump laser is deflected so that it strikes the grating 3 in a grazing manner. Subsequently, it passes the KTP crystal 4, strikes the end mirror 5, is reflected back to the incident path 6 and leaves the resonator again.
  • the KTP crystal is rotatably mounted on a holder and is adjusted via a spindle drive 1 1.
  • the KTP crystal is provided with a heater (not shown) which serves to maintain the crystal at a temperature well above ambient temperature.
  • a small power transistor was used as the heating element. This was fixed together with a small control electronics including temperature sensor directly to the crystal seat made of aluminum (not shown). In this way it could be achieved that temperatures between 30 and 100 ° C are kept constant as needed. In fact, it turned out that with crystal heating turned on, a much more stable operation of the optical parametric oscillator with a significantly shorter warm-up phase is possible.
  • the tuning mirror 7 is movably arranged and adjustable via a spindle drive 14.
  • this adjustment mechanism was a piezoelectric crystal 13 with electric Used connections and where the spindle drive 14 engages the rotator of the mechanism.
  • the additionally attached piezo-fine drive 13 allows a finer adjustment of the tuning mirror 7, wherein the spindle drive 14 continues to serve the coarse wavelength adjustment of the order of magnitude up to 0.05 nm.
  • the piezo fine drive a precise hysteresis-free control and stabilization of the wavelength has become possible.
  • By small changes in the applied voltage to the piezoelectric crystal a very fine tuning of the optical parametric oscillator can be made.
  • the frequency stabilization is done by adjusting the voltage to the read from a Wellenatnmeß réelle 10 very precise wavelength information using a computer program.
  • the controller By means of the controller, it is possible that when using a long-stroke piezo translator, a very large, mode jump-free tuning range up to 300 GHz can be achieved. Tuning ranges of single-mode lasers are typically at a maximum of 30 GHz.
  • the wavelength is averaged over an adjustable number of shots.
  • the smallest increment of the control is in the example of the invention 1 / 16V and affects below the detection limit on the determined by interferometer wavelength, so that a continuous tuning is possible. Experiments have shown that this could completely suppress the visible drift behavior. With this active control also a long-term stable single-mode operation of the optical parametric oscillator was achieved.
  • the end mirror 5 is likewise provided with a piezo fine drive 12, which electronically optimizes the resonator length in conjunction with a second-segment photodiode.
  • the horizontal segment of the optical parametric oscillator modes is monitored with the two-segment photodiode.
  • Slow changes in resonator length due to deviation of the axis of rotation from the ideal pivot point or thermal drift) result in a small change in wavelength and consequent grating condition resulting in little change in the horizontal beam direction registered by the two-segment photodiode.
  • An active fine correction of the resonator length coupled thereto with the aid of the piezocrystal at the end mirror thus leads to an adaptation of the resonator length to the wavelength.
  • the resonator can be tuned by the tuning mirror alone, without an adjustment of the resonator length is required.
  • the wavelength measuring device 10 This device is connected to a computer controller 15.
  • To the computer 15 and the power supply 16 is connected to the piezo drive, so that the control of the piezo fine drive 13 and thus a frequency control of the oscillator can be achieved with the computer control.
  • the pulse-to-pulse frequency noise ( ⁇ 35 MHz or about 10 "7 of the laser frequency) is only a quarter of the original value, and the susceptibility to mode jumps has been reduced by orders of magnitude, and arbitrary mode hops come in handy, unlike the commercial system
  • the spectral purity of the OPO, determined from absorption measurements, is more than 99.9%.
  • Mode-hop-free tuning in a frequency range above 30 GHz corresponds to the best continuous single-mode lasers available on the market.
  • An increase of the mode jump-free tuning range to 300 GHz is possible with the system according to the invention.
  • the energy of the pump laser pulses can be reduced in half (from approx. 20 mJ to approx. 10 mJ). Accordingly, the threshold for the onset of the optical-parametric process is halved.
  • the KTP crystal Due to the crystal heating, the KTP crystal is already at start-up to operating temperature and thus remain instabilities that otherwise caused by the thermal expansion of the crystal would have arisen. In addition, the crystal heating significantly slows down the aging process of the crystals.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gepulsten parametrischen Oszillator umfassend wenigstens - einen Pumplaser (1) - Vorrichtungen (8, 9), mittels derer der Pumpstrahl (2) des Pumplasers (1) elliptisch verformt und vertikal komprimiert wird - ein Reflektionsgitter (3) - einen nicht linearen, doppelbrechenden Kristall (4) - einen Abstimmspiegel (7) und - einen Endspiegel (5).

Description

Gepulster parametrischer Oszillator in Einmodenbetrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft einen weit abstimmbaren optisch-parametrischen Oszillator (OPO), der in seiner Bandbreite nur durch das Fourier-Transform-Limit definiert ist.
Das Funktionsprinzip der weit abstimmbaren Erzeugung von Laserstrahlung mit einem optisch-parametrischen Oszillatoren beruht auf dem besonderen optischen Eigenschaften nicht linearer und doppelbrechender Kristalle. Der optisch-parametrische Prozess beruht auf dem Zusammenspiel zweier Effekte, der Nichtlinearität der elektrischen Polarisation des Kristalls und der Phasenanpassung durch Ausnutzung der Doppelbrechung. Die elektrische Feldkomponente des durch einen transparenten Festkörper geleiteten Lichts führt zu einer lokalen elektrischen Polarisation des Festkörpers. Durch wellenförmige Ausbreitung erzeugt das Licht im Dielektrikum eine Polarisationswelle.
Die Polarisation stellt eine Deformation des elektrischen Systems des Mediums dar und kann daher der elektrischen Feldstärke nur begrenzt linear folgen. Bei den natürlichen Lichtintensitäten unserer Umgebung treten diese Nichtlinearitäten kaum in Erscheinung. Erst durch die extrem hohen Lichtintensitäten, wie sie durch die Entwicklung des Lasers möglich geworden sind, gewinnen die Terme höherer Ordnung entscheidende Bedeutung und sind technisch nutzbar geworden. Die nichtlinearen Anteile bedeuten, dass die Polarisationswelle, anders als eine erregende harmonische Lichtquelle zusätzliche Frequenzanteile bekommen. Da die Polarisationswelle ihrerseits wieder eine elektromagnetische Welle erzeugt, kann auf diese Weise Licht einer anderen Wellenlänge entstehen.
Der optisch-parametrische Prozess kann als Frequenzteilung beschrieben werden. Dabei wird die kurzwelligere Ausgangsstrahlung als Pumplicht benutzt. Die verstärkte langwelligere Strahlung nennt man „Signal" und die zusätzlich aus Differenzphotonen erzeugte Strahlung „Idler".
Der für den optisch-parametrischen Oszillator bedeutsame optisch-parametrische Prozess nutzt diese Vorgänge. Es wird starkes Pumplicht eingestrahlt und es entstehen durch die Nichtlinearität Photonen, die in ihrer Energie- und Impulssumme den Photonen des Pumplichts entspricht. Eine signifikante optisch-parametrische Verstärkung der erzeugten Photonen ist jedoch nur möglich, wenn sich alle drei beteiligten Photonen mit der gleichen Geschwindigkeit entlang der Ausbreitungsrichtung durch das Medium bewegen, weil nur so die vom Pumplicht stets neugenerierten Photonen konstruktiv mit den schon vorhandenen Idler- bzw. Signalphotonen interferieren können. Wenn die Anisotropie des Mediums dazu führt, dass die Polarisation des optisch-parametrisch erzeugten Lichts und des primären Pumplichts senkrecht zueinander stehen, kann dies in einem doppelbrechenden Kristall dazu benutzt werden, die Phasen von Pumplicht und Signal bzw. Idler anzupassen. Dazu muss der Kristall in einem bestimmten Winkel zur Strahlrichtung so positioniert werden, dass sich orthogonal polarisierte Lichtwellen gleich schnell und in Phase durch den Kristall ausbreiten. Um die Verstärkung und Selektion von Signal oder Idler zu verbessern, wird der optisch parametrische Prozess üblicherweise in einen Resonator eingebunden, der die zu imitierende Wellenlänge auf seinen Endflächen (teilweise) reflektiert.
Der erste optisch-parametrische Oszillator wurde bereits 1965 realisiert. Seit Mitte der Achzigerjahre des 20. Jahrhunderts erlebten die optisch-parametrischen Oszillatoren durch die Entwicklung moderner leistungsstarker Pumplaser einen erheblichen Aufschwung.
Aus W. R. Bosenberg, D. R. Guyer in J. Opt. Soc. Am. B 10 (1993), 1716-1722 und der US5235456 sind optisch-parametrische Oszillatoren mit dem sogenannten Littmann- Resonator bekannt. Derartige Geräte wurden von dem Hersteller STI Optronic auf den Markt gebracht und von der Firma Continuum übernommen und weiterentwickelt (Modell MIRAGE 500).
In diesen Geräten war neben dem doppelbrechenden Kristall zur Frequenzteilung auch ein Abstimmspiegel zur Einstellung der Wellenlänge vorgesehen. Die Drehung des Kristalls und Abstimmspiegels erfolgte jeweils durch einen Motor mit einer nachgeschalteten stark untersetzten Spindel- und Hebelmechanik, die sich jedoch in der Praxis als unzureichend erwiesen hat.
Die für den Einmodenbetrieb konzipierten optisch-parametrischen Oszillatoren waren darüber hinaus mit einem über eine Glasfaser angekoppelten Interferometer ausgestattet, dessen Interferenzringe jeweils mit einer CCD-Kamera auf einem kleinen Monitor zwecks Überwachung des Einmodenbetriebs dargestellt worden.
Eine zusätzliche Zweitsegment-Fotodiode sollte gemäß einer Anordnung von T. D. Raymond, P. Esherick und A. V. Smith in Optics Letters 14 (1989), 1 1 16-1 1 18 den Einmodenbetrieb elektronisch überwachen und diesen aufrechterhalten, indem eine Anpassung des Endspiegels erfolgt. Veränderungen der Resonatorlänge (z.B. durch thermisches Driften oder mechanische Veränderungen) führen zu einer Änderung der Wellenlänge und in Folge über die Gitterbedingung zu einer gewissen Veränderung der horizontalen Strahlrichtung, welche von der Zweisegment-Fotodiode registriert wird. Eine daran angekoppelte aktive Feinkorrektur der Resonatorlänge mit Hilfe eines Piezokristalls am Endspiegel sollte den Resonator stabilisieren und zwar so, dass die Resonatorlänge stets die sogenannte Pivot-Bedingung erfüllt. Die von K. Liu und M. G. Littman in Optics Letters 6 (1981 ), 1 17-1 18 eingeführte Pivot-Bedingung besagt: Wenn sich die Ebenen von Gitter, Abstimmspiegel und Endspiegel eines Littmann-Resonators in einer gemeinsamen Geraden schneiden, kann der Resonator über den Abstimmspiegel allein abgestimmt werden, ohne dass eine Anpassung der Resonatorlänge erforderlich ist.
Voraussetzung für ein Funktionieren der Resonatorlängenstabilisierung ist jedoch, dass keine anderen Effekte zu horizontalen Richtungsabweichungen führen, da sonst die Regelung erfolglos versucht, die Resonatorlänge anzupassen, was sich zusätzlich destabilisierend auf den Einmodenbetrieb auswirkt.
Der Einmodenbetrieb der MIRAGE-Geräte erwies sich als viel zu instabil, um andere horizontale Abweichungen auszuschließen. Die Ursache dafür lag im Anschwingen transversaler Moden, ausgelöst durch unvermeidliche Fluktuationen des Pumpstrahls, z. B. seines Strahllprofils oder seiner Stahlrichtung.
Praktisch konnten erst durch die dieser Patentanmeldung zugrundeliegenden Maßnahmen die erforderlichen Bedingungen für einen stabilen Einmodenbetrieb geschaffen werden, der letztlich den Einsatz der aktiven Resonatorlängenstabilisierung wieder sinnvoll macht.
Aus der Arbeit von G. Ehret, A. Fix, V. Weiß, G. Poberaj und T. Baumert in Applied Physics B 67 (1998), S. 427-437 ist ein optisch-parametrischer Oszillator bekannt, welcher mit einem
Diodenlaser-geseedeten OPO-System mit einem Ringresonator ausgestattet ist. Mit diesem
System werden dem Modell MIRAGE 500 vergleichbare Bandbreiten (190 MHz) erzielt.
Allerdings bietet das System nur einen vergleichsweise geringen Abstimmbereich zwischen
930 nm und 960 nm. Weiterentwicklungen der bekannten optisch-parametrischen Oszillatoren mit Littmann-Resonator wurden von J. Mes, M. Leblans, W. Hogervorst in Optics
Letters 27 (2002), 1442-1444 vorgestellt. Hierbei wurden der Abstimmspiegel und der
Endspiegel des Littmann-Resonators durch Prismen ersetzt. Hierdurch wurde erreicht, dass der Littmann-Resonator als Ringresonator arbeitet. Die mit diesem System erzielten
Bandbreiten lagen jedoch nicht unter 500 MHz bei einer Pulslänge von 1 ,3 ns, d. h. immer noch entfernt vom Fourier-Transform-Limit. Aus der US 547707 A ist ein OPO bekannt. Dieses System wurde vor etwa 10 Jahren auch für eine Einmodenversion angekündigt, hat aber nie einen Einmodenbetrieb erreicht.
Ein OPO ist ferner aus CLEO 2001 , Seiten 425 - 426 bekannt. Hierbei handelt es sich um einen breitbandigen OPO mit periodisch gepoltem Lithiumniobat, der sich aber nicht für den Einmodembetrieb eignet. Gleiches gilt auch für die anderen aus dem Stand der Technik, z. B. aus der DE 196 110 15 A1 , US 6167067 A, US 620 1638 B1 und WO 98/36371 A1 bekannten OPO-Systeme. D.h. insgesamt ist festzustellen, dass der Stand der Technik bisher bei noch keinem gepulsten OPO einen stabilen Einmodembetrieb in zufriedenstellender Weise erreicht hat.
Die bisher auf den Markt gebrachten abstimmbaren gepulsten optisch-parametrischen Oszillator-Systeme für den Einmodenbetrieb scheiterten bisher im wesentlichen an zwei Problemen. Zum einen wurden die Seitenmoden nicht ausreichend unterdrückt, die sich in inakzeptablen Puls-zu-Puls Fluktuationen der Wellenlänge und Intensität widerspiegelte. Zum anderen hatten sämtliche bereits auf dem Markt befindlichen Systeme größte Schwierigkeiten mit thermischen und mechanischen Driften. Wegen der fehlenden aktiven Echtzeitkontrolle der Wellenlänge und Regelung derselben konnten diese Probleme bisher nicht beseitigt werden. So konnte bei dem oben beschriebenen System von Continuum die Wellenlänge nur über vordefinierte Parameteri-Einstellungen der Resonatorgeometrie mit Hilfe von Spindelantrieben eingestellt werden. Jegliche mechanische Toleranzen und Hysteresen sowie thermische Driften blieben dabei völlig unberücksichtigt. Darüber hinaus sorgte der Kristall nach dem Einschalten durch sein Aufwärmverhalten für eine deutlich driftende Frequenzselektivität, die eine dauernde Nachjustierung des Kristalls erforderlich machte.
Insgesamt ist festzustellen, dass der stabile Einmodenbetrieb der weit abstimmbaren optisch-parametrischen Oszillatoren, der in seiner Bandbreite nur durch das Fourier- Transform-Limit definiert ist, im Pulsbetrieb ein bisher nicht ausreichend gelöstes technisches Problem darstellt. Der einzige bekannte kommerzielle Einmoden-Littman-OPO (Firma Continuum) konnte die versprochenen Spezifikationen nicht einhalten und wurden daher wieder vom Markt genommen. Weitere bekannte Geräte (wie das angekündigte aber nie im Markt eingeführte Modell MOPO-750 der Herstellerfirma Spectra-Physics) konnten nicht einmal einen Einmodenbetrieb erreichen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, einen weit abstimmbaren gepulsten parametrischen Oszillator im Einmodenbetrieb am Fourier-Transform-Limit zur Verfügung zu stellen, welcher einen ausreichend stabilen Einmodenbetrieb ermöglicht. Insbesondere sollte das Gerät sich durch einen geringeren Justieraufwand, stabiles Langzeitverhalten, geringe thermische und mechanische Empfindlichkeit sowie eine aktive Frequenzstabilisierung auszeichnen. Außerdem sollen Instabilitäten, welche beim Einschalten auf Betriebstemperatur infolge der thermischen Ausdehnung des Kristalls entstehen, vermieden werden. Schließlich soll der Alterungsprozess der Kristalle deutlich verlangsamt werden.
Gelöst wird diese Aufgabenstellung durch einen gepulsten parametrischen Oszillator umfassend wenigstens
einen Pumplaser,
- Vorrichtungen, mittels derer der Pumpstrahl des Pumplasers elliptisch verformt und vertikal gleichförmig komprimiert wird
ein Reflektionsgitter,
einen nichtlinearen doppelbrechenden Kristall,
einen Abstimmungsspiegel und
wenigstens einen Endspiegel.
Die entscheidende Verbesserung des Einmodenbetrieb des optisch-parametrischen Oszillators durch eine elliptische Verformung des üblicherweise kreisförmigen Pumpstrahls wird durch eine optische Vorrichtung erzielt, die das Strahlprofil des Pumpstrahls vertikal komprimiert.
Hierfür kann vorzugsweise ein Teleskop (z.B. aus Zylinderlinsen) eingesetzt werden, so daß danach der Querschnitt des parallelen Lichtbündels eine Ellipse mit einem deutlich exzentrischen Achsenverhältnis (horizontal zu vertikal typisch 2:1 ) darstellt. Bei vertikaler Komprimierung bleibt die horizontale Ausdehnung des Pumpstrahlprofils groß, so dass durch eine optimale Ausleuchtung des Gitters eine ausreichend große longitudinale Modenselektivität gewährleistet ist. Es hat sich herausgestellt, dass durch den elliptischen Pumpstrahl ein deutlich stabilerer Einmodenbetrieb des optisch-parametrischen Oszillators erreicht werden kann. Die Puls-zuPuls-Fluktuationen der Frequenz haben sich in Versuchen fast auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes reduziert und lagen in einigen Versuchen nur noch bei etwa ±35MHz. Gleichzeitig traten nach der Änderung praktisch keine Modensprünge mehr auf. Bei dem erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Oszillator reduzieren sich infolge der verbesserten Unterdrückung transversaler Moden auch die Amplitudenfluktuationen deutlich.
Durch die vertikale Komprimierung des Pumpstrahls lässt sich der vertikale Bereich innerhalb des Kristalls, in dem eine optisch-parametrische Verstärkung von Photonen möglich ist, auf die Hälfte reduzieren. Infolgedessen erfahren in Kleinwinkelnäherung Photonen nur in einem auf die Hälfte reduzierten Winkelbereich eine Verstärkung durch das Pumplicht. Damit können die Photonen viel schmalbandiger selektiert werden. Hierdurch entsteht auch eine ausreichende vertikale Selektivität des Resonators.
Theoretisch war zu erwarten, dass durch die elliptische Verzerrung im Achsenverhältnis 2:1 sich die Richtungsfluktuationen des Pumpstrahls in Richtung der kürzeren Achse verdoppeln. Überraschend hat es sich jedoch erfindungsgemäß beim Betrieb der optisch- parametrischen Oszillatoren mit elliptischen Pumpstrahl gezeigt, dass die Richtungsfluktuationen gegenüber dem Originalzustand deutlich reduziert sind und in etwa den Richtungsfluktuationen des Pumplasers entsprachen.
Der in der dieser Weise modifizierte Pumpstrahl fällt streifend auf ein Gitter, passiert den nichtlinearen, doppelbrechenden OPO-Kristall, trifft auf den Endspiegel, wird auf den Einfallsweg zurückreflektiert und verlässt den Resonator wieder. Die erzeugten Signal- bzw. Idlerphotonen laufen parallel zum Pumpstrahl ebenfalls auf den Endspiegel und werden zusammen mit dem Pumpstrahl zurück in den nichtlinearen, doppelbrechenden Kristall reflektiert, wo durch erneute optische-parametrische Teilprozesse eine weitere Verstärkung von Idler und Signal stattfindet. Beim streifenden Einfall auf das Gitter wird jetzt das Signal genauso gebeugt, dass es senkrecht auf den dem Gitter gegenüberstehenden Abstimmspiegel trifft. Von hier wird das Signal über das Gitter wieder genau in den Resonator zurück reflektiert. Dieser optische Weg ist nur dem Licht mit exakt einer Wellenlänge möglich. Diese Wellenlänge wird durch den Winkel des Abstimmspiegels gegenüber dem Gitter genau definiert. Als Materialien für die nicht linearen, doppelbrechenden Kristalle können verschiedene dem Fachmann bekannte Kristallvarianten in Betracht kommen. So wurde der erste optisch-parametrische Oszillator in einem LiNbOß- Kristall realisiert. Neben Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4, KDP) deuteriertem KDP, Litiumborat (LBO) und Betabariumborat (BBO) kann erfindungsgemäß ganz besonders bevorzugt Kaliumtitanylphosphat (KTiOPO4, KTP) zum Einsatz kommen.
Die KTP-Kristalle bieten eine besonders günstige Kombination von Festigkeit gegenüber hohen Lichtintensitäten, Betriebstemperatur, Nichtlinearität und Doppelbrechung. Somit ermöglicht insbesondere der Einsatz von KTP-Kristallen weit (vom sichtbaren Licht bis ins mittlere Infrarot) abstimmbare optisch-parametrische Oszillatoren mit brauchbarer Energieausbeute.
Eine besonders stark ausgeprägte anisotrope Nichtlinearität von KTP-Kristallen zeigt sich in ihren vergleichsweise geringen Akzeptanzwinkeln für die optisch-parametrische Verstärkung und ist von großem Vorteil insbesondere im Zusammenhang mit einem stabilen Einmodenbetrieb.
Versuche im Rahmen der Erfindung haben gezeigt, dass im über mehrere Stunden andauernden Betrieb der optisch-parametrischen Oszillatoren die KTP-Kristalle gegenüber Temperaturschwankungen außerordentlich empfindlich sind.
Der Einfluss des Pumpstrahls auf den Kristall führt vor allem in der Aufwärmphase zu einer Drift der winkelabhängigen Phasenanpassung. Es ist daher sinnvoll und vorteilhaft, den lichtlinearen doppelbrechenden Kristall, insbesondere bei Einsatz von KTP-Kristallen mit einer Heizung zu versehen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass mittels dieser Heizung eine Temperatur eingestellt wird, die deutlich über Umgebungstemperatur liegt. Als vorteilhaft haben sich insbesondere Temperaturen zwischen 30 und 100°C erwiesen. Bei Einsatz von KTP-Kristallen wurde der Temperaturbereich von 70-100°C als besonders bevorzugt und vorteilhaft ermittelt.
Als Heizelemente können alle dem Fachmann bekannten und geeigneten Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß hat sich insbesondere der Einsatz eines Kleinleistungstransistors im direkten Kontakt mit einem Temperaturfühler und einer kleinen Regelelektronik als vorteilhaft erwiesen. Vorzugsweise sind Heizelement und Temperaturfühler direkt an der Kristallaufnahme, bevorzugt aus Aluminium, befestigt ist. Mit dieser Elektronik konnte der Kristall konstant auf Temperaturen zwischen 30 und 100°C geheizt werden. Es hat sich gezeigt, dass mit eingeschalteter Kristallheizung ein wesentlich stabilerer Betrieb des optisch-parametrischen Oszillators und eine deutlich verkürzte Aufwärmphase ermöglicht wird. Als Vorteil der Kristallheizung hat sich ferner herausgestellt, dass die schleichende Zerstörung des Kristalls in Form von sogenannten „gray trackings" verringert wird. Dieser Effekt führt nämlich zu einer mit der Betriebsdauer zunehmenden Eintrübung des KTP- Kristalls und somit zu einer Verminderung des Wirkungsgrads. Es hat sich gezeigt, dass bei Betriebstemperaturen von über 70°C diese Trübung teilweise reversibel ist. So wurde festgestellt, dass ein alter und deutlich getrübter KTP-Kristall nach einer Erhitzung von über drei Stunden auf 100°C einen deutlichen Rückgang der Trübung zeigt. Erfindungsgemäß ist daher insbesondere bei Einsatz von KTP-Kristallen eine Regelung auf eine Temperatur von zwischen 70 und 100°C von Vorteil.
Um einen Laser driftfrei auf ± 50MHz und weniger zu stabilisieren, ist außerdem eine aktive Frequenzstabilisierung unerlässlich. Bei denen aus dem Stand der Technik bekannten Geräten bestand eine derartige Möglichkeit nicht. Erfindungsgemäß wurde die geforderte aktive Stabilisierung durch eine Feinregelegung der mechanischen Aufhängung des Abstimmspiegels erreicht. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Piezokristall mit elektrischen Anschlüssen in die Justiermechanik des Abstimmspiegels einzusetzen. Besonders vorteilhaft war der Einsatz dort, wo der Spindelantrieb an den Rotator der Mechanik angreift. Der erfindungsgemäß zusätzlich angebrachte Piezokristall erlaubt eine sehr feine Einstellung des Abstimmspiegels und somit eine sehr feine Abstimmung der Wellenlänge des optisch-parametrischen Oszillators. Es wird eine präzise, nahezu hysteresefreie Steuerung und Stabilisierung der Wellenlänge ermöglicht. Die Frequenzstabilisierung erfolgt vorzugsweise durch Anpassung der an dem Piezokristall angelegten Spannung an die aus einem Wellenlängen-Meßgerät ausgelesene präzise Wellenlängeninformation mit Hilfe eines Computerprogramms.
Die Wellenlänge wird über eine einstellbare Anzahl von Schüssen gemittelt. Die Schrittweite der Steuerung beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform kleinstenfalls 1/16V und wirkt sich unterhalb der Nachweisgrenze auf die vom Meßgerät ermittelte Wellenlänge aus, so dass eine stufenlose Abstimmung ermöglicht wird. Infolgedessen hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass das sichtbare Driftverhalten vollkommen unterdrückbar ist. Im Rahmen der Unsicherheiten von ca. ±5MHz waren keine Frequenzdriften erkennbar.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben:
Fig. 1 zeigt einen Littmann-Resonator, wie er aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau des erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Oszillators.
Das aus dem Pumplaser 1 austretende Pumplicht 2 wird zu dem Gitter 3 umgelenkt. Der Pumpstrahl fällt streifend auf das Gitter 3 und passiert den KTP-Kristall 4. Sodann trifft der Pumpstrahl auf den Endspiegel 5, von wo er auf den Einfallsweg 6 zurückreflektiert wird. Die erzeugten Signal- bzw. Idlerphotonen laufen parallel zum Pumpstrahl 2. Sie treffen ebenfalls auf den Endspiegel 5 und werden zusammen mit dem Pumpstrahl 2 zurück in den KTP- Kristall 4 reflektiert, wo durch erneute optisch-parametrische Teilprozesse eine weitere Verstärkung von Idler und Signal stattfindet. Beim streifenden Einfall auf das Gitter 3 wird jetzt das Signal so genau gebeugt, dass es senkrecht auf den dem Gitter gegenüberstehenden Abstimmspiegel 7 trifft. Von hier wird das Signal über das Gitter wieder genau in den Resonator zurückreflektiert. Dieser optische Weg ist jedoch nur dem Licht mit exakt einer Wellenlänge möglich. Diese Wellenlänge wird durch den Winkel des Abstimmspiegels 7 gegenüber dem Gitter 3 genau definiert.
Die hohe Frequenzselektivität des dargestellten Littmann-Resonators bezieht sich nur auf horizontale Moden. Abgesehen davon kann eine zusätzliche vertikale Komponente des Photonenimpulses dazu führen, dass die Photonen im Sinne der Rückreflektion zum Gitter rechtwinklig auf den Abstimmspiegel treffen. Die Photonen werden bei jedem Resonatordurchlauf leicht vertikal versetzt, was bei mehreren Durchläufen dazu führen kann, dass diese Photonen den KTP-Kristall außerhalb des durch den Pumpstrahl beleuchteten Bereichs treffen und nicht weiter verstärkt werden. Insgesamt bleibt bei diesen Konstruktionsmerkmalen der Aufbau extrem justagekritisch, insbesondere der Abstimmspiegel, wie sich in der Praxis herausgestellt hat.
In Fig. 2, welche den erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Oszillator darstellt, wird eine Verbesserung des Einmodenbetriebs durch eine elliptische Verformung des üblicherweise kreisförmigen Pumpstrahls durch eine optische Vorrichtung erzielt, die das Strahlprofil des Pumpstrahls vertikal komprimiert. Diese Komprimierung wird in dem Beispiel gemäß Fig. 2 mit Hilfe eines Teleskops aus zwei Zylinderlinsen 8 und 9 erzielt. Die Linsen wurden in dem Beispiel so ausgewählt, dass das Pumpstrahlprofil eine Ellipse mit einem Achsenverhältnis horizontal zu vertikal von 2:1 darstellt. Versuche haben gezeigt, dass durch den elliptischen Pumpstrahl ein deutlich stabilerer Einmodenbetrieb erreicht wird. Die PuIs- zu-Puls-Fluktuation in der Frequenz reduzierten sich in dem erfindungsgemäßen Beispiel fast auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes und lagen nur noch bei ca. ±35MHz. Durch die vertikale Komprimierung des Pumpstrahls wird der vertikale Bereich innerhalb des KTP- Kristalls 4, in dem eine optisch-parametrische Verstärkung der Photonen möglich ist, auf die Hälfte reduziert. Das hat zur Folge, dass in Kleinwinkelnäherung Photonen nur in einem auf die Hälfte reduzierten Winkelbereich Verstärkung durch das Pumplicht erfahren und somit viel schmalbandiger selektiert werden. In dem erfindungsgemäßen Beispiel sind für die maximale Verstärkung bei einer Pulslänge von 4 ns volle zehn Umläufe der optisch- parametrisch erzeugten Photonen durch den Resonator nötig. Hierdurch entsteht eine ausreichende Selektivität. Ebenso deutlich reduzieren sich in dem erfindungsgemäßen Beispiel die Amplitudenfluktuationen. Die ebenfalls erheblich reduzierte Einzelspuls- Bandbreite wurde mit einem konfokalen Etalon (freier Spektralbereich 1.5 GHz, Auflösung ca. 7.5 MHz) abgeschätzt und liegt bei Pulslängen von 2 ns bzw. 4 ns in der Nähe der theoretisch möglichen 220 MHz bzw. 110 MHz. Dieses außerordentliche Resultat kann vor allem der verbesserten vertikalen Selektivität zugeschrieben werden, die durch die Reduktion des Verstärkungsbereichs im KTP-Kristall und der damit stärkeren Unterdrückung anderer Moden erreicht worden. Schließlich ist noch anzumerken, daß sich infolge des kleineren Pumpstrahl-Querschnitts die Schwelle für den Laserbetrieb halbiert hat.
Ebenso wie bei dem in Fig. 1 dargestellten nach dem Stand der Technik bekannten Resonator wird der Pumpstrahl des Pumplasers umgelenkt, so dass er streifend auf das Gitter 3 fällt. Anschließend passiert er den KTP-Kristall 4, trifft auf den Endspiegel 5, wird auf den Einfallsweg 6 zurückreflektiert und verlässt den Resonator wieder.
Der KTP-Kristall ist auf einem Halter drehbar montiert und wird über einen Spindelantrieb 1 1 justiert.
Der KTP-Kristall ist mit einer Heizung versehen (nicht dargestellt), welche dazu dient, den Kristall auf einer Temperatur zu halten, welche deutlich über der Umgebungstemperatur liegt. In dem Beispiel wurde ein Kleinleistungstransistor als Heizelement verwendet. Dieser wurde samt einer kleinen Regelelektronik einschließlich Temperaturfühler direkt an der Kristallaufnahme aus Aluminium (nicht dargestellt) befestigt. Auf diese Weise konnte erreicht werden, dass Temperaturen zwischen 30 und 100°C je nach Bedarf konstant gehalten werden. Tatsächlich zeigte sich, dass mit eingeschalteter Kristallheizung ein wesentlich stabilerer Betrieb des optisch-parametrischen Oszillators mit deutlich verkürzter Aufwärmphase möglich ist.
Der Abstimmspiegel 7 ist beweglich angeordnet und über einen Spindelantrieb 14 einstellbar. In diese Justiermechanik wurde ein Piezo-Kristall 13 mit elektrischen Anschlüssen eingesetzt und zwar dort, wo der Spindelantrieb 14 an den Rotator der Mechanik angreift. Der zusätzlich angebrachte Piezo-Feinantrieb 13 erlaubt eine feinere Einstellung des Abstimmungsspiegels 7, wobei der Spindelantrieb 14 weiterhin der groben Wellenlängeneinstellung von der Größenordnung bis zu 0,05 nm dient. Durch den Einsatz des Piezo-Feinantriebs ist eine präzise hysteresefreie Steuerung und Stabilisierung der Wellenlänge möglich geworden. Durch kleine Veränderungen der an den Piezo-Kristall angelegten Spannung kann eine sehr feine Abstimmung des optisch-parametrischen Oszillators vorgenommen werden. Die Frequenzstabilisierung erfolgt durch Anpassen der Spannung an die aus einem Wellenlängenmeßgerät 10 ausgelesene sehr präzise Wellenlängeninformation mit Hilfe eines Computerprogramms. Mittels der Steuerung ist es möglich, dass bei Einsatz eines langhubigen Piezo-Translators ein sehr großer, modensprungfreier Abstimmbereich bis 300 GHz erreichbar ist. Abstimmbereiche von Einmodenlasern liegen sonst typischerweise bei maximal 30 GHz.
Die Wellenlänge wird über eine einstellbare Anzahl von Schüssen gemittelt. Die kleinste Schrittweite der Steuerung beträgt in dem erfindungsgemäßen Beispiel 1/16V und wirkt sich unterhalb der Nachweisgrenze auf die von Interferometer ermittelte Wellenlänge aus, so dass eine stufenlose Abstimmung möglich ist. Versuche haben ergeben, dass sich dadurch das sichtbare Driftverhalten vollkommen unterdrücken ließ. Mit dieser aktiven Regelung wurde außerdem ein langzeitstabilerer Einmodenbetrieb des optisch-parametrischen Oszillators erzielt.
Der Endspiegel 5 ist ebenfalls mit einem Piezo-Feinantrieb 12 versehen, welcher in Verbindung mit einer Zweitsegment-Fotodiode die Resonatorlänge elektronisch optimiert. Dabei wird mit der Zweisegment-Fotodiode die horizontale Richtung der optisch- parametrischen Oszillatoren-Moden überwacht. Langsame Veränderungen der Resonatorlänge (infolge eines Abweichens der Drehachse vom idealen Pivotpunkt oder durch thermisches Driften) führen zu einer geringen Änderung der Wellenlänge und in Folge über die Gitterbedingung zu einer geringen Veränderung der horizontalen Strahlrichtung, welche von der Zweisegment-Fotodiode registriert wird. Eine daran angekoppelte aktive Feinkorrektur der Resonatorlänge mit Hilfe des Piezokristalls am Endspiegel führt somit zu einer Anpassung der Resonatorlänge an die Wellenlänge. Bei einem idealen Einhalten der Pivot-Bedingung, d.h. wenn sich die Ebenen von Gitter, Abstimmspiegel und Endspiegel in einer gemeinsamen Geraden schneiden, kann der Resonator über den Abstimmspiegel allein abgestimmt werden, ohne daß eine Anpassung der Resonatorlänge erforderlich ist. Während der mit dem erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Oszillator durchgeführten Versuche wurden genauere Analysen mit dem Wellenlängenmeßgerät 10 durchgeführt. Dieses Gerät ist mit einer Computersteuerung 15 verbunden. An den Computer 15 ist auch die Spannungsversorgung 16 für den Piezoantrieb angeschlossen, so dass die Steuerung des Piezo-Feinantriebs 13 und damit eine Frequenzregelung des Oszillators mit der Computersteuerung erreicht werden kann.
Versuche mit dem erfindungsgemäßen Oszillator haben gezeigt, dass es gelingt, ein zuverlässiges Lasersystem zur Verfügung zu stellen. Hierbei sind insbesondere folgende Vorteile hervorzuheben:
1. deutlich geringerer Justierungsaufwand
2. stabiles Langzeitverhalten; die thermische und mechanische Empfindlichkeit konnten deutlich herabgesetzt werden. Das Puls-zu-Puls-Frequenzrauschen (±35 MHz oder ca. 10"7 der Laserfrequenz) beträgt nur mehr ein Viertel des ursprünglichen Wertes. Die Anfälligkeit für Modensprünge konnte um Größenordnungen reduziert werden. Willkürliche Modensprünge kommen im Gegensatz zu dem kommerziellen System praktisch überhaupt nicht mehr vor. Die spektrale Reinheit des OPO, bestimmt aus Absorptionsmessungen, beträgt über 99.9 %.
3. Aktive Frequenzstabilisierung auf durchschnittlich unter ±5 MHz. Das sonst bei derartigen Systemen auftretende Driftverhalten konnte vollständig eliminiert werden.
4. Modensprungfreie Abstimmung in einem Frequenzbereich von über 30 GHz entsprechen den besten auf dem Markt verfügbaren kontinuierlichen Einmodenlasern. Eine Steigerung des modensprungfreien Abstimmbereichs auf 300 GHz ist mit dem erfindungsgemäßen System möglich.
5. Durch die vertikale Konzentration des Strahls im KTP-Kristall auf die Hälfte der
Fläche kann die Energie der Pumplaserpulse auf die Hälfte (von ca. 20 mJ auf ca. 10 mJ) reduziert werden. Entsprechend halbiert sich auch die Schwelle für das Einsetzen des optisch-parametrischen Prozesses.
6. Durch die Kristallheizung befindet sich der KTP-Kristall schon beim Einschalten auf Betriebstemperatur und somit bleiben Instabilitäten aus, die sonst durch die thermische Ausdehnung des Kristalls entstanden wären. Darüber hinaus wird durch die Kristallheizung der Alterungsprozess der Kristalle deutlich verlangsamt.

Claims

Patentansprüche:
1. Gepulster parametrischer Oszillator im Einmodenbetrieb umfassend wenigstens
- einen Pumplaser (1),
- Vorrichtungen (8, 9), mittels derer der Pumpstrahl (2) des Pumplasers (1 ) elliptisch verformt und vertikal komprimiert wird, ein Reflektionsgitter (3), einen nicht linearen, doppelbrechenden Kristall (4), - einen Abstimmspiegel (7) und einen Endspiegel (5).
2. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlprofil des Pumplasers eine Ellipse mit einem Achsenverhältnis horizontal zu vertikal von typisch 2:1 darstellt.
3. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrahl mittels der dem Pumplaser nachgeordneten Linsen (8, 9) verformt wird.
4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (8, 9) zylinderische Linsen sind.
5. Oszillator nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teleskop vorzugsweise aus zwei Zylinderlinsen (8, 9) zur Erzeugung eines elliptischen Strahlprofils eingesetzt wird.
6. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall (3) LiNbO3, KH2PO4, LBO, BBO oder KTiOPO4 (KTP) enthält oder hieraus besteht.
7. Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall (3) KTP enthält oder hieraus besteht.
8. Oszillator aus einem der vorgegebenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall (3) mit einer Heizung versehen ist.
9. Oszillator nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass als Heizelement ein Kleinleistungstransistor eingesetzt wird.
10. Oszillator nach den Ansprüchen 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mess-, Steuer- und Regelelektronik enthält, durch welche der Kristall konstant auf
Temperaturen zwischen 30°C und 1000C beheizt werden kann.
1 1. Oszillator nach einem der Ansprüche 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass er einen KTP-Kristall (3) mit einer Mess-, Steuer- und Regelelektronik zur Einstellung einer Temperatur von 70°C bis 100°C enthält.
12. Oszillator nach einem der vorgegebenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abstimmspiegel mittels eines Spindelantriebs (14), welcher einen Piezo- Feinantrieb (13) zur aktiven Feinregelung aufweist, beweglich ist.
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