WO2015011150A1 - Method and device for frequency conversion and use of an optical parametric crystal - Google Patents

Method and device for frequency conversion and use of an optical parametric crystal Download PDF

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WO2015011150A1
WO2015011150A1 PCT/EP2014/065743 EP2014065743W WO2015011150A1 WO 2015011150 A1 WO2015011150 A1 WO 2015011150A1 EP 2014065743 W EP2014065743 W EP 2014065743W WO 2015011150 A1 WO2015011150 A1 WO 2015011150A1
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optical parametric
radiation
frequency
coherence length
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Jens Kiessling
Ingo Breunig
Frank KÜHNEMANN
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
HÜBNER GmbH & Co. KG
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    • G02F2203/15—Function characteristic involving resonance effects, e.g. resonantly enhanced interaction

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a device according to the preamble of claim 2.
  • the invention further relates to a use of an optical parametric crystal according to the preamble of claim 4.
  • the invention has for its object to provide a method and a device for frequency conversion and a use of an optical parametric crystal of the aforementioned types, in which both a good for a high efficiency adaptation of a pumping threshold of an optical parametric crystal to a pump power of pump radiation as well as a narrow gain bandwidth and also gives a high resonator internal field strength.
  • This object is achieved in a method of the type mentioned according to the invention with the characterizing features of claim 1.
  • the optical parametric crystal according to the invention has a phase matching periodicity which is an odd multiple, for example three times twice the coherence length of the optical parametric process, such a crystal can be produced relatively inexpensively due to the larger structures and has a relatively large phase Interaction length of a high intracavity field strength, but also despite a relatively high compared to an optical parametric crystal with a corresponding only to twice the coherence length of the optical parametric process phase matching periodicity first order, increasing with increasing odd atomic number pumping threshold on a narrow gain bandwidth ,
  • FIG. 2 is a schematic representation of an optical parametric crystal used according to the invention with a phase matching periodicity corresponding to three times twice the coherence length of an optical parametric process
  • FIG. 3 is a schematic representation of a conventional optical parametric crystal having the same interaction length as the crystal of FIG. 2 but having a phase matching periodicity corresponding to twice the coherence length of the optical parametric process.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a conventional optical parametric crystal having the same interaction length as the crystal of FIG. 2 but having a phase matching periodicity corresponding to twice the coherence length of the optical parametric process.
  • FIG. 4 is a graph showing the gain characteristic of the optical parametric crystal of FIG. 2;
  • FIG. 5 is a graph showing the gain characteristic of the optical parametric crystal of FIG. 3, FIG.
  • Fig. 6 is a graph in comparison, the output powers of the optical parametric crystal of FIG. 2 and the optical parametric crystal of FIG. 3 against a Interaction length and
  • FIG. 7 is a graph comparing the gain of an optical parametric crystal having a simple phase matching periodicity (first order) and increasing the pumping threshold of short interaction length to the gain of an optical parametric crystal having a threefold phase matching periodicity (third order) and FIG opposite the optical parametric crystal with first-order phase-matching periodicity, three times the interaction length.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an exemplary embodiment of a device according to the invention in the exemplary execution of a method according to the invention.
  • the device according to FIG. 1 has a pump unit 1 in the form of a laser, with which narrow-band pump radiation 2 can be generated with a pump frequency and which has a pumping power.
  • the pump power of the pump radiation 2 is adjustable.
  • the pumping radiation 2 can be fed to an optical resonator 3 via a coupling-in mirror 4 which is partially transparent to the pumping frequency and acts on an optical parametric crystal 5 according to the invention, which is arranged between the coupling-in mirror 4 and a first resonator mirror 6 which is highly reflective.
  • the resonator 3 is further equipped with a broadband highly reflective second resonator 7 and a Auskoppelapt 8, wherein between the beam direction of the pumping radiation 2 the first resonator 6 downstream second resonator 7 and the Auskoppelapt 8 in this embodiment, an optically non-linear frequency converter 9 is arranged is.
  • the optical parametric crystal 5 is formed with a large number of periodically structured optically nonlinear layers in such a way that the pump radiation 2 is partially converted into signal radiation 10 having a signal frequency and idler radiation 1 in a manner known per se 1 is convertible with a Idlerfrequenz, which are shown symbolically in Fig. 1 by arrows.
  • the signal frequency and the idler frequency are different and correspond in total to the pumping frequency.
  • the circulating in the resonator 3 signal radiation 1 0 and Idlerstrahlung 1 1 pass through the frequency converter 9, which is set up, for example as a frequency doubler for doubling the signal frequency or the idler frequency.
  • the or each output radiation 1 2 generated by the frequency converter 9 with an output frequency emerges from the resonator 3 via the outcoupling mirror 8, which is partially transmissive at least for the output frequency.
  • the frequency converter 9 is configured so that in one embodiment of the pump frequency and the signal frequency or the Idlerfrequenz a sum frequency ("sum frequency generation") or in another embodiment of the signal frequency and the idler frequency or the pump frequency and the signal frequency or the Idlerfrequenz a difference frequency (“difference frequency generation”) can be formed.
  • FIG. 2 shows a schematic view of the optical parametric crystal 5 according to the invention of the exemplary embodiment according to FIG. 1.
  • the optical parametric crystal 5 according to FIG. 2 is constructed from a multiplicity of layers 1 3, 1 4, which are patterned differently in pairs, as indicated by different hatchings, which are stacked over an interaction length L of the optical parametric crystal 5 extend.
  • L of the optical parametric crystal 5 extend.
  • the optical parametric crystal 5 can be produced relatively inexpensively.
  • a relatively high pumping threshold of a resonator 3 with an optical parametric according to the invention results Crystal 5 higher order, but still a relatively narrow gain bandwidth and a relatively high resonator field strength.
  • FIG. 3 shows a representation corresponding to FIG. 2 of a conventional optically parametric crystal 5 'with layers 1 3, 1 4, the individual thicknesses of which correspond in each case to the simplicity of the double coherence length Ac of the optical parametric process.
  • an optically parametric crystal 5 'of the first order conventionally used for frequency conversion exhibits a spectrally identical amplification bandwidth, like the optical parametric crystal 5 according to the invention, with the same interaction length L. with an odd multiple of twice the coherence length Ac of the optical parametric process higher order, however, then the pumping threshold of a resonator 3 with a conventional optical parametric crystal 5 'is relatively low, which at the same pump power to an efficiency loss in generating signal radiation 1 0th and Idler radiation 1 1 leads.
  • it is possible to reduce the interaction length L but disadvantageously results in a spectrally wider amplification bandwidth.
  • FIG. 4 shows in a graph, the gain of 1 6 of the optical parametric crystal 5 according to the third order of the invention according to FIG. 2 against the wavelength 1 7 in a gain profile 1 8, which covers only a few longitudinal resonator 19 and 1 to amplify substantially only one, namely a central longitudinal resonator mode 1 9 is set up.
  • FIG. 5 shows in a diagram corresponding to FIG. 4 the gain 1 6 of a conventional first-order optical parametric crystal 5 'according to FIG. 3 in a reinforcing profile 20.
  • FIG. 6 shows, in a graph in which the signal power 21 is plotted against the interaction length L, in a direct comparison the characteristic 22 for a conventional optically parametric crystal 5 'with a first-order quasi-phase matching and the characteristic curve 23 for an inventive optical-parametric crystal 5 with a third-order quasi-phase matching.
  • the signal power in a third-order optical parametric crystal 5 according to the invention with the interaction length L increases modulatingly in a modulating manner, while the signal power of a conventional first-order optical parametric crystal 5 'reaches a value already after four coherence lengths Ac has, the characteristic curve 23 of the optical parametric crystal 5 of the third order according to the invention occupies only mathematically twelve coherence lengths Ac.
  • FIG. 7 shows in a diagram the signal amplification 24 versus the signal wavelength 25 in a characteristic curve 26 for a conventional optical parametric crystal 5 'with a first-order quasi-phase matching and in a characteristic curve 27 for an optical parametric crystal according to the invention 5 with a third-order quasi-phase matching, wherein the coherence-length-related relative interaction length, ie Ap / L, is the same for both optical-parametric crystals 5, 5 '.
  • the signal amplification 24 in a optically parametric crystal 5 of the invention having a third order is substantially narrower in comparison with the signal amplification of a conventional first-order optical parametric crystal 5 'with the same relative interaction length Ap / L ,

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Abstract

The invention relates to a method and to a device for frequency conversion and to the use of an optical parametric crystal (5), wherein the optical parametric crystal (5) is designed for adaptation of a pumping threshold of a pumping beam (2) having a phase adaptation periodicity which is three times the double coherence length of the optical parametric process. As a result, with relatively favourable production costs, even in the event of a relatively large interaction length, a good adaptation to the pumping threshold and a narrow gain bandwidth is achieved at a high field strength within the resonator.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzkonversion  Method and apparatus for frequency conversion
und  and
Verwendung eines optisch-parametrischen Kristalls  Use of an optical parametric crystal
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 . The invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung gemäß dem Ober- begriff des Patentanspruches 2. The invention further relates to a device according to the preamble of claim 2.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines optisch-parametrischen Kristalls gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 4. The invention further relates to a use of an optical parametric crystal according to the preamble of claim 4.
Ein derartiges Verfahren, eine derartige Vorrichtung und eine derartige Verwendung sind aus US 5,355,247 A bekannt. Dieses Dokument offenbart ein monolithisches kristallines Material für ein sogenanntes "quasi-phase-matching", welches über eine Anzahl von Schichten mit einer Dicke gleich einem ungeraden Vielfachen der doppelten Kohärenzlänge des optisch-parametrischen Prozesses verfügt. Die Lehre dieses Dokuments setzt sich zum Ziel, die Dicke der Schichten innerhalb des Kristalls zu Lasten des maximalen Konversionswirkungsgrades zum Erhöhen der Bandbreite zu variieren. Hierzu wird, obwohl auch wertfrei Eigenschaften von Kristallen mit einem ungeraden Vielfachen an der doppelten Kohärenzlänge des optisch-parametrischen Prozesses größer 1 diskutiert sind, im speziellen der Fall der ersten Ordnung untersucht. Ein weiteres Verfahren, eine weitere Vorrichtung und eine weitere Verwendung sind aus dem wissenschaftlichen Artikel "Influence of the pump threshhold on the single-frequency Output power of singly resonant optical parametric oscillators" von R. Sowade, I . Breunig, J. Kiessling und K. Buse in Appl Phys B (2009) 96: 25-28 bekannt. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung zur Frequenzkonversion sowie diese Verwendung eines optisch-parametrischen Kristalls nutzen zum Erzeugen frequenzkonvertierter Strahlung in Gestalt von Signalstrahlung und Idlerstrahlung auf der Grundlage von monochromatischer Pumpstrahlung einen optisch-parametrischen Kristall mit einer Phasenanpassungsperiodizität. Zum Anpassen der Pumpschwelle wird in diesem Artikel vorgeschlagen, die Verluste durch entsprechendes Beeinflussen von Spiegelreflektivitäten, Kristallbe- Schichtungen, des nichtlinearen Koeffizienten oder der Kristalllänge zu erhöhen. Such a method, apparatus and use are known from US 5,355,247 A. This document discloses a monolithic crystalline material for so-called "quasi-phase matching" which has a number of layers with a thickness equal to an odd multiple of twice the coherence length of the optical parametric process. The objective of this document is to vary the thickness of the layers within the crystal at the expense of the maximum conversion efficiency to increase the bandwidth. For this purpose, although values of crystals having an odd multiple of twice the coherence length of the optical parametric process greater than 1 are also discussed value-free, in particular the case of the first order is investigated. Another method, apparatus, and use are described in the scientific article "Influence of the Pump Threshold on the Single-Frequency Output Power of Singly Resonant Optical Parametric Oscillators" by R. Sowade, I. Breunig, J. Kiessling and K. Buse in Appl Phys B (2009) 96: 25-28. This method and apparatus for frequency conversion as well as this use of an optical parametric crystal use an optical parametric crystal having a phase matching periodicity for generating frequency-converted radiation in the form of signal radiation and idler radiation based on monochromatic pump radiation. In order to adjust the pumping threshold, this article proposes to increase the losses by appropriately influencing mirror reflectivities, crystal stratifications, the nonlinear coefficient or the crystal length.
Aus dem wissenschaftlichen Artikel "Quasi-Phase-Matched Second Harmonie Generation: Tuning and Tolerances" von M.M. Fejer, G.A. Magel, D.H. Jundt und R.L. Byer in IEEE JOU RNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 28, NO. 1 1 , November 1 992, Seiten 2631 bis 2654 ist bekannt, dass bei einem optisch-parametrischen Kristall mit einer Phasenanpassungsperiodizität bei Einrichten der Phasenanpassungsperiodizität in einer dritten Ordnung in Bezug auf eine Kohärenzlänge von Pumpstrahlung die Verstärkung gegenüber einer Phasenanpassungsperiodizität erster Ordnung, das hei ßt in Übereinstimmung mit der Kohärenzlänge von Pumpstrahlung, deutlich geringer ist. Aus US-A-5,768,302 ist ein optisch-parametrischer Kristall mit in einem Kristall unterschiedlichen Phasenanpassungsperiodizitäten bekannt. From the scientific article "Quasi-Phase-Matched Second Harmony Generation: Tuning and Tolerances" by M.M. Fejer, G.A. Magel, D.H. Jundt and R.L. Byer in IEEE JOU RNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 28, NO. 1 1, November 1 992, pages 2631 to 2654, it is known that in an optical parametric crystal having a phase matching periodicity when establishing the phase matching periodicity in a third order with respect to a coherence length of pump radiation, the gain is compared with a first order phase matching periodicity, that is in accordance with the coherence length of pump radiation is significantly lower. US-A-5,768,302 discloses an optical parametric crystal having different phase matching periodicities in a crystal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Frequenzkonversion sowie eine Verwendung eines optisch-parametrischen Kristalls der eingangs genannten Arten anzugeben, bei denen sich zugleich sowohl eine für einen hohen Wirkungsgrad gute Anpassung einer Pumpschwelle eines optisch- parametrischen Kristalls an eine Pumpleistung von Pumpstrahlung als auch eine schmale Verstärkungsbandbreite und zudem eine hohe resonatorinterne Feldstärke ergibt. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. The invention has for its object to provide a method and a device for frequency conversion and a use of an optical parametric crystal of the aforementioned types, in which both a good for a high efficiency adaptation of a pumping threshold of an optical parametric crystal to a pump power of pump radiation as well as a narrow gain bandwidth and also gives a high resonator internal field strength. This object is achieved in a method of the type mentioned according to the invention with the characterizing features of claim 1.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 2 gelöst. This object is achieved in a device of the type mentioned according to the invention with the characterizing features of claim 2.
Diese Aufgabe wird bei einer Verwendung eines optisch-parametrischen Kristalls der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst. This object is achieved in a use of an optical parametric crystal of the type mentioned according to the invention with the characterizing features of claim 4.
Dadurch, dass erfindungsgemäß der optisch-parametrische Kristall eine Phasenanpassungsperiodizität aufweist, die ein ungerades Vielfaches, beispielsweise das Dreifache, der doppelten Kohärenzlänge des optisch-parametrischen Prozesses ist, lässt sich ein derartiger Kristall aufgrund der größeren Strukturen verhältnismäßig kostengünstig herstellen und weist bei einer verhältnismäßig großen Wechselwirkungslänge eine hohe resonatorinterne Feldstärke, aber auch trotz einer im Vergleich zu einem optisch-parametrischen Kris- tall mit einer nur einem Einfachen der doppelten Kohärenzlänge des optisch-parametrischen Prozesses entsprechender Phasenanpassungsperiodizität erster Ordnung relativ hohen, mit zunehmender ungerader Ordnungszahl ansteigenden Pumpschwelle eine schmale Verstärkungsbandbreite auf. Because the optical parametric crystal according to the invention has a phase matching periodicity which is an odd multiple, for example three times twice the coherence length of the optical parametric process, such a crystal can be produced relatively inexpensively due to the larger structures and has a relatively large phase Interaction length of a high intracavity field strength, but also despite a relatively high compared to an optical parametric crystal with a corresponding only to twice the coherence length of the optical parametric process phase matching periodicity first order, increasing with increasing odd atomic number pumping threshold on a narrow gain bandwidth ,
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung. Es zeigen: Further expedient embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. Further expedient refinements and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the figures of the drawing. Show it:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Frequenzkonversion bei einem beispielhaften Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 in a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention for frequency conversion in an exemplary performing the method according to the invention,
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung einen gemäß der Erfindung eingesetzten optisch-parametrischen Kristall mit einer dem Dreifachen einer doppelten Kohärenzlänge eines optisch-parametrischen Prozesses entsprechenden Phasen- anpassungsperiodizität, 2 is a schematic representation of an optical parametric crystal used according to the invention with a phase matching periodicity corresponding to three times twice the coherence length of an optical parametric process,
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung einen herkömmlichen optisch-parametrischen Kristall mit der gleichen Wechselwirkungslänge wie der Kristall gemäß Fig. 2, aber mit einer dem Einfachen der doppelten Kohärenzlänge des optisch-parametrischen Prozesses entsprechender Phasen- anpassungsperiodizität, FIG. 3 is a schematic representation of a conventional optical parametric crystal having the same interaction length as the crystal of FIG. 2 but having a phase matching periodicity corresponding to twice the coherence length of the optical parametric process. FIG.
Fig. 4 in einem Schaubild die Verstärkungskennlinie des optisch- parametrischen Kristalls gemäß Fig. 2, 4 is a graph showing the gain characteristic of the optical parametric crystal of FIG. 2;
Fig. 5 in einem Schaubild die Verstärkungskennlinie des optisch- parametrischen Kristalls gemäß Fig. 3, 5 is a graph showing the gain characteristic of the optical parametric crystal of FIG. 3, FIG.
Fig. 6 in einem Schaubild im Vergleich die Ausgangsleistungen des optisch-parametrischen Kristalls gemäß Fig. 2 und des optisch-parametrischen Kristalls gemäß Fig. 3 gegen eine Wechselwirkungslänge und Fig. 6 is a graph in comparison, the output powers of the optical parametric crystal of FIG. 2 and the optical parametric crystal of FIG. 3 against a Interaction length and
Fig. 7 in einem Schaubild im Vergleich die Verstärkung eines optisch-parametrischen Kristalls mit einer einfachen Phasen- anpassungsperiodizität (erste Ordnung) sowie zum Erhöhen der Pumpschwelle kurzen Wechselwirkungslänge zu der Verstärkung eines optisch-parametrischen Kristalls mit einer dreifachen Phasenanpassungsperiodizität (dritte Ordnung) sowie einer gegenüber dem optisch-parametrischen Kristall mit Phasenanpassungsperiodizität erster Ordnung dreifachen Wechselwirkungslänge. FIG. 7 is a graph comparing the gain of an optical parametric crystal having a simple phase matching periodicity (first order) and increasing the pumping threshold of short interaction length to the gain of an optical parametric crystal having a threefold phase matching periodicity (third order) and FIG opposite the optical parametric crystal with first-order phase-matching periodicity, three times the interaction length.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beim beispielhaften Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 verfügt über eine Pumpeinheit 1 in Gestalt eines Lasers, mit der schmalbandige Pumpstrahlung 2 mit einer Pumpfrequenz erzeugbar ist und die eine Pumpleistung aufweist. Zweckmäßigerweise ist die Pumpleistung der Pumpstrahlung 2 einstellbar. Die Pumpstrahlung 2 ist einem optischen Resonator 3 über einen für die Pumpfrequenz teildurchlässigen Einkoppelspiegel 4 einspeisbar und beaufschlagt einen erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Kristall 5, der zwischen dem Einkoppelspiegel 4 und einem breitbandig hochreflek- tiven ersten Resonatorspiegel 6 angeordnet ist. Der Resonator 3 ist weiterhin mit einem breitbandig hochreflektiven zweiten Resonatorspiegel 7 sowie mit einem Auskoppelspiegel 8 ausgestattet, wobei zwischen dem in Strahlrichtung der Pumpstrahlung 2 dem ersten Resonatorspiegel 6 nachgeordneten zweiten Resonatorspiegel 7 und dem Auskoppelspiegel 8 bei diesem Ausfüh- rungsbeispiel ein optisch nichtlinearer Frequenzwandler 9 angeordnet ist. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, ist der optisch-parametrische Kristall 5 mit einer Vielzahl von periodisch strukturierten optisch nichtlinearen Schichten derart ausgebildet, dass in an sich bekannter Art und Weise die Pumpstrahlung 2 teilweise in Signalstrahlung 1 0 mit einer Signalfrequenz und in Idlerstrahlung 1 1 mit einer Idlerfrequenz umwandelbar ist, die in Fig. 1 symbolisch durch Pfeile dargestellt sind. Die Signalfrequenz und die Idlerfrequenz sind unterschiedlich und entsprechen in Summe der Pumpfrequenz. Die in dem Resonator 3 umlaufende Signalstrahlung 1 0 und Idlerstrahlung 1 1 durchlaufen den Frequenzwandler 9, der beispielsweise als Frequenzverdoppler zum Verdoppeln der Signalfrequenz oder der Idlerfrequenz eingerichtet ist. Die oder jede von dem Frequenzwandler 9 erzeugte Ausgangsstrahlung 1 2 mit einer Aus- gangsfrequenz tritt über den Auskoppelspiegel 8, der wenigstens für die Ausgangsfrequenz teildurchlässig ist, aus dem Resonator 3 aus. 1 shows a schematic view of an exemplary embodiment of a device according to the invention in the exemplary execution of a method according to the invention. The device according to FIG. 1 has a pump unit 1 in the form of a laser, with which narrow-band pump radiation 2 can be generated with a pump frequency and which has a pumping power. Conveniently, the pump power of the pump radiation 2 is adjustable. The pumping radiation 2 can be fed to an optical resonator 3 via a coupling-in mirror 4 which is partially transparent to the pumping frequency and acts on an optical parametric crystal 5 according to the invention, which is arranged between the coupling-in mirror 4 and a first resonator mirror 6 which is highly reflective. The resonator 3 is further equipped with a broadband highly reflective second resonator 7 and a Auskoppelspiegel 8, wherein between the beam direction of the pumping radiation 2 the first resonator 6 downstream second resonator 7 and the Auskoppelspiegel 8 in this embodiment, an optically non-linear frequency converter 9 is arranged is. As shown schematically in FIG. 1, the optical parametric crystal 5 is formed with a large number of periodically structured optically nonlinear layers in such a way that the pump radiation 2 is partially converted into signal radiation 10 having a signal frequency and idler radiation 1 in a manner known per se 1 is convertible with a Idlerfrequenz, which are shown symbolically in Fig. 1 by arrows. The signal frequency and the idler frequency are different and correspond in total to the pumping frequency. The circulating in the resonator 3 signal radiation 1 0 and Idlerstrahlung 1 1 pass through the frequency converter 9, which is set up, for example as a frequency doubler for doubling the signal frequency or the idler frequency. The or each output radiation 1 2 generated by the frequency converter 9 with an output frequency emerges from the resonator 3 via the outcoupling mirror 8, which is partially transmissive at least for the output frequency.
In abgewandelten Ausführungsbeispielen ist der Frequenzwandler 9 so ausgestaltet, dass mit ihm in einer Ausführung aus der Pumpfre- quenz und der Signalfrequenz oder der Idlerfrequenz eine Summenfrequenz ("sum frequency generation") oder in einer anderen Ausführung aus der Signalfrequenz und der Idlerfrequenz oder der Pumpfrequenz und der Signalfrequenz oder der Idlerfrequenz eine Differenzfrequenz ("difference frequency generation") bildbar ist. In modified embodiments, the frequency converter 9 is configured so that in one embodiment of the pump frequency and the signal frequency or the Idlerfrequenz a sum frequency ("sum frequency generation") or in another embodiment of the signal frequency and the idler frequency or the pump frequency and the signal frequency or the Idlerfrequenz a difference frequency ("difference frequency generation") can be formed.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht den erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Kristall 5 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 . Der optisch-parametrische Kristall 5 gemäß Fig. 2 ist aus einer Vielzahl von, wie durch unterschiedliche Schraffuren angedeutet, paarweise unterschiedlich strukturierten, jeweils gleich dicken Schichten 1 3, 1 4 aufgebaut, die sich als Stapel über eine Wechselwirkungslänge L des optisch-parametrischen Kristalls 5 erstrecken. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die durch die Dicke der Schichten 1 3, 1 4, die hier jeweils ein Dreifaches der doppelten Kohärenzlänge Ac des optisch-parametrischen Prozesses ist, bestimmte Phasenanpassungsperiodizität Ap des optisch-parametrischen Kristalls 5 hier als Beispiel eines ungeraden Vielfachen das Dreifache der doppelten Kohärenzlänge Ac des optisch-parametrischen Prozesses, so dass eine Quasi-Phasenanpassung dritter Ordnung vorliegt. FIG. 2 shows a schematic view of the optical parametric crystal 5 according to the invention of the exemplary embodiment according to FIG. 1. The optical parametric crystal 5 according to FIG. 2 is constructed from a multiplicity of layers 1 3, 1 4, which are patterned differently in pairs, as indicated by different hatchings, which are stacked over an interaction length L of the optical parametric crystal 5 extend. In the embodiment of FIG. 2 is the through the thickness of layers 1 3, 1 4, each here being three times the double coherence length Ac of the optical parametric process, certain phase matching periodicity Ap of the optically parametric crystal 5 here as an example of an odd multiple times three times the double coherence length Ac of the optical parametric process , so that there is a third-order quasi-phase matching.
Aufgrund der in Bezug auf die einfache Kohärenzlänge Ac um das Dreifache ausgedehnten einzelnen Dicken der Schichten 1 3, 1 4 ist der optisch-parametrische Kristall 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel verhältnismäßig kostengünstig herstellbar. Because of the single thicknesses of the layers 1 3, 1 4 extended three times with respect to the simple coherence length Ac, the optical parametric crystal 5 according to the exemplary embodiment can be produced relatively inexpensively.
Durch eine verhältnismäßig große Wechselwirkungslänge L des er- findungsgemäßen optisch-parametrischen Kristalls 5 mit einer Phasenanpassungsperiodizität Ap, die ein ungerades Vielfaches der doppelten Kohärenzlänge Ac des optisch-parametrischen Prozesses ist, ergibt sich eine verhältnismäßig hohe Pumpschwelle eines Resonators 3 mit einem erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Kristalls 5 höherer Ordnung, aber weiterhin eine verhältnismäßig schmale Verstärkungsbandbreite sowie eine verhältnismäßig hohe resonatorinterne Feldstärke. Für eine gute Balance zwischen Pumpschwellenerhöhung und Verstärkung ist als ungerades Vielfaches das Dreifache vorteilhaft. By a relatively large interaction length L of the optical parametric crystal 5 according to the invention with a phase matching periodicity Ap which is an odd multiple of twice the coherence length Ac of the optical parametric process, a relatively high pumping threshold of a resonator 3 with an optical parametric according to the invention results Crystal 5 higher order, but still a relatively narrow gain bandwidth and a relatively high resonator field strength. For a good balance between pump-surge elevation and gain as an odd multiple is threefold advantageous.
Fig. 3 zeigt in einer Darstellung entsprechend Fig. 2 einen herkömmlichen optisch-parametrischen Kristall 5' mit Schichten 1 3, 1 4, deren einzelne Dicken jeweils dem Einfachen der doppelten Kohärenzlänge Ac des optisch-parametrischen Prozesses entsprechen. Ein der- artiger üblicherweise zur Frequenzkonversion verwendeter optisch- parametrischer Kristall 5' erster Ordnung zeigt zwar bei gleicher Wechselwirkungslänge L eine spektral gleiche Verstärkungsbandbreite wie ein erfindungsgemäßer optisch-parametrischer Kristall 5 mit einem ungeraden Vielfachen der doppelten Kohärenzlänge Ac des optisch-parametrischen Prozesses höherer Ordnung, allerdings liegt dann die Pumpschwelle eines Resonators 3 mit einem herkömmlichen optisch-parametrischen Kristalls 5' verhältnismäßig niedrig, was bei gleicher Pumpleistung zu einem Wirkungsgrad Verlust beim Erzeugen von Signalstrahlung 1 0 und von Idlerstrahlung 1 1 führt. Um die Pumpschwelle eines Resonators 3 mit einem herkömmlichen optisch-parametrischen Kristalls 5' erster Ordnung anzuheben, ist es möglich, die Wechselwirkungslänge L zu verringern, allerdings ergibt sich dann nachteiligerweise eine spektral breitere Verstärkungsbandbreite. FIG. 3 shows a representation corresponding to FIG. 2 of a conventional optically parametric crystal 5 'with layers 1 3, 1 4, the individual thicknesses of which correspond in each case to the simplicity of the double coherence length Ac of the optical parametric process. Although such an optically parametric crystal 5 'of the first order conventionally used for frequency conversion exhibits a spectrally identical amplification bandwidth, like the optical parametric crystal 5 according to the invention, with the same interaction length L. with an odd multiple of twice the coherence length Ac of the optical parametric process higher order, however, then the pumping threshold of a resonator 3 with a conventional optical parametric crystal 5 'is relatively low, which at the same pump power to an efficiency loss in generating signal radiation 1 0th and Idler radiation 1 1 leads. In order to increase the pumping threshold of a resonator 3 with a conventional first-order optical parametric crystal 5 ', it is possible to reduce the interaction length L, but disadvantageously results in a spectrally wider amplification bandwidth.
Fig. 4 zeigt in einem Schaubild die Verstärkung 1 6 des erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Kristalls 5 dritter Ordnung gemäß Fig. 2 gegen die Wellenlänge 1 7 in einem Verstärkungsprofil 1 8, das nur wenige longitudinale Resonatormoden 1 9 einhüllt und zur Verstärkung von im wesentlichen nur einer, nämlich einer mittigen lon- gitudinalen Resonatormode 1 9 eingerichtet ist. Fig. 5 zeigt in einem Schaubild entsprechend Fig. 4 die Verstärkung 1 6 eines herkömmlichen optisch-parametrischen Kristalls 5' erster Ordnung gemäß Fig. 3 in einem Verstärkungsprofil 20. Fig. 4 shows in a graph, the gain of 1 6 of the optical parametric crystal 5 according to the third order of the invention according to FIG. 2 against the wavelength 1 7 in a gain profile 1 8, which covers only a few longitudinal resonator 19 and 1 to amplify substantially only one, namely a central longitudinal resonator mode 1 9 is set up. FIG. 5 shows in a diagram corresponding to FIG. 4 the gain 1 6 of a conventional first-order optical parametric crystal 5 'according to FIG. 3 in a reinforcing profile 20.
Aus einem Vergleich des Verstärkungsprofils 1 8 des erfindungsge- mäßen optisch-parametrischen Kristalls 5 höherer Ordnung und des Verstärkungsprofils 20 eines herkömmlichen optisch-parametrischen Kristalls 5' erster Ordnung ergibt sich, dass bei gleicher schmaler Bandbreite die Verstärkung 1 6 aufgrund einer höheren Pumpschwelle des jeweiligen Resonators niedriger ist, so dass für eine effiziente Energieumwandlung von Pumpstrahlung 2 in Signalstrahlung 1 0 und in Idlerstrahlung 1 1 auch bei hohen Pumpleistungen ein hoher Wirkungsgrad erzielt ist. Fig. 6 zeigt in einem Schaubild, in dem die Signalleistung 21 gegen die Wechselwirkungslänge L abgetragen ist, in einem direkten Vergleich die Kennlinie 22 für einen herkömmlichen optisch-parametrischen Kristall 5' mit einer Quasi-Phasenanpassung erster Ordnung und die Kennlinie 23 für einen erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Kristall 5 mit einer Quasi-Phasenanpassung dritter Ordnung. Aus Fig. 6 ergibt sich, dass die Signalleistung bei einem erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Kristall 5 dritter Ordnung mit der Wechselwirkungslänge L insgesamt modulierend schwach ansteigt, während die Signalleistung eines herkömmlichen optisch-parametrischen Kristalls 5' erster Ordnung bereits nach vier Kohärenzlängen Ac einen Wert erreicht hat, den die Kennlinie 23 des optisch-parametrischen Kristalls 5 dritter Ordnung gemäß der Erfindung erst nach rechnerisch zwölf Kohärenzlängen Ac einnimmt. From a comparison of the gain profile 18 of the optical parametric crystal 5 of higher order according to the invention and the gain profile 20 of a conventional first-order opto-parametric crystal 5 ', it follows that, given the same narrow bandwidth, the gain is 1 6 due to a higher pumping threshold of the respective one Resonator is lower, so that a high efficiency is achieved for efficient energy conversion of pump radiation 2 in signal radiation 1 0 and in Idler radiation 1 1 even at high pump powers. FIG. 6 shows, in a graph in which the signal power 21 is plotted against the interaction length L, in a direct comparison the characteristic 22 for a conventional optically parametric crystal 5 'with a first-order quasi-phase matching and the characteristic curve 23 for an inventive optical-parametric crystal 5 with a third-order quasi-phase matching. From FIG. 6, the signal power in a third-order optical parametric crystal 5 according to the invention with the interaction length L increases modulatingly in a modulating manner, while the signal power of a conventional first-order optical parametric crystal 5 'reaches a value already after four coherence lengths Ac has, the characteristic curve 23 of the optical parametric crystal 5 of the third order according to the invention occupies only mathematically twelve coherence lengths Ac.
Fig. 7 zeigt in einem Schaubild die Signalverstärkung 24 gegen die Signalwellenlänge 25 zum einen in einer Kennlinie 26 für einen herkömmlichen optisch-parametrischen Kristall 5' mit einer Quasi- Phasenanpassung erster Ordnung und in einer Kennlinie 27 für ei- nen erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Kristall 5 mit einer Quasi-Phasenanpassung dritter Ordnung, wobei die kohärenz- längenbezogene relative Wechselwirkungslänge, also Ap / L, bei beiden optisch-parametrischen Kristallen 5, 5' gleich ist. Aus dem Schaubild gemäß Fig. 7 lässt sich entnehmen, dass die Signalver- Stärkung 24 bei einem erfindungsgemäßen optisch-parametrischen Kristall 5 dritter Ordnung gegenüber der Signalverstärkung eines herkömmlichen optisch-parametrischen Kristalls 5' erster Ordnung bei gleicher relativer Wechselwirkungslänge Ap / L wesentlich schmalbandiger ist. FIG. 7 shows in a diagram the signal amplification 24 versus the signal wavelength 25 in a characteristic curve 26 for a conventional optical parametric crystal 5 'with a first-order quasi-phase matching and in a characteristic curve 27 for an optical parametric crystal according to the invention 5 with a third-order quasi-phase matching, wherein the coherence-length-related relative interaction length, ie Ap / L, is the same for both optical-parametric crystals 5, 5 '. It can be seen from the graph in FIG. 7 that the signal amplification 24 in a optically parametric crystal 5 of the invention having a third order is substantially narrower in comparison with the signal amplification of a conventional first-order optical parametric crystal 5 'with the same relative interaction length Ap / L ,

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Verfahren zur Frequenzkonversion, bei dem schmalbandige Pumpstrahlung (2) mit einer Pumpfrequenz einen Resonator (3) beaufschlagt und bei dem mit einem in dem Resonator (3) angeordneten, mit einer Pumpleistung der Pumpstrahlung (2) beaufschlagten optisch-parametrischen Kristall (5) mit einer Phasenanpassungsperiodizität (Λρ) für einen eine Kohärenzlänge (Ac) aufweisenden optisch-parametrischen Prozess Signalstrahlung (10) mit einer Signalfrequenz und Idlerstrah- lung (1 1 ) mit einer Idlerfrequenz erzeugt wird, wobei eine Pumpschwelle des Kristalls (5) und eine Pumpleistung der Pumpstrahlung (2) zum Maximieren einer Ausgangsleistung von durch die Signalstrahlung (10) und/oder durch die Idler- strahlung (1 1 ) gebildete Ausgangsstrahlung (12) aufeinander angepasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Pumpschwelle durch Verwendung eines Kristalls (5) mit einer Phasenanpassungsperiodizität (Ap) erfolgt, die ein Dreifaches der doppelten Kohärenzlänge (Ac) des optisch- parametrischen Prozesses ist, und dass die kohä- renzlängenbezogene relative Wechselwirkungslänge (Λρ/L) in Bezug auf einen Kristall (5') mit einer Phasenanpassungsperiodizität (Ap), die ein Einfaches der doppelten Kohärenzlänge (Ac) des optisch-parametrischen Prozesses ist, derart eingerichtet ist, dass die wellenlängenbezogene Signalverstärkungskennlinie (26) bei gleicher Verstärkung schmalbandiger ist als bei einem Kristall (5') mit einer Phasenanpassungsperiodizität (Ap), die ein Einfaches der doppelten Kohärenzlänge (Ac) des optisch-parametrischen Prozesses ist. Method for frequency conversion, wherein the narrow-band pump radiation (2) with a pumping frequency to a resonator (3) acted and in which with a in the resonator (3) arranged with a pump power of the pump radiation (2) acted upon optically parametric crystal (5) a phase matching periodicity (Λρ) for a coherence length (Ac) having optical parametric process signal radiation (10) with a signal frequency and Idlerstrah- ment (1 1) is generated with a Idlerfrequenz, wherein a pumping threshold of the crystal (5) and a pump power of Pump radiation (2) for maximizing an output power of the signal radiation (10) and / or by the Idler radiation (1 1) formed output radiation (12) are adapted to each other, characterized in that the adjustment of the pumping threshold by using a crystal (5 ) with a phase matching periodicity (Ap) which is three times the double coherence length (Ac) of the optis and the coherence length-related relative interaction length (Λρ / L) with respect to a crystal (5 ') with a phase matching periodicity (Ap) that is a single of twice the coherence length (Ac) of the optical parametric process is arranged such that the wavelength-related signal gain characteristic (26) is narrowband at the same gain than a crystal (5 ') having a phase matching periodicity (Ap) which is a single of twice the coherence length (Ac) of the optical parametric process.
2. Vorrichtung zur Frequenzkonversion, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 1 , mit einer Pumpeinheit (1 ) zum Erzeugen von schmalbandiger Pumpstrahlung (2) mit einer Pumpfrequenz, mit einem von der Pumpstrahlung (2) beaufschlagbaren Resonator (3), mit einem in dem Resonator (3) angeordneten optisch-parametrischen Kristall (5) mit einer Phasenanpassungsperiodi- zität (Λρ) für einen eine Kohärenzlänge (Ac) aufweisenden optisch-parametrischen Prozess, mit dem die Pumpstrahlung (2) in eine Signalstrahlung (10) mit einer Signalfrequenz und in eine Idlerstrahlung (1 1 ) mit einer Idlerfrequenz umwandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenanpassungs- periodizität (Ap) des Kristalls (5) ein Dreifaches der doppelten Kohärenzlänge (Ac) des optisch-parametrischen Prozesses ist und dass die kohärenzlängenbezogene relative Wechselwirkungslänge (Ap/L) in Bezug auf einen Kristall (5') mit einer Phasenanpassungsperiodizität (Ap), die ein Einfaches der doppelten Kohärenzlänge (Ac) des optisch-parametrischen Prozesses ist, derart eingerichtet ist, dass die wellenlängenbezogene Signalverstärkungskennlinie (26) bei gleicher Verstärkung schmalbandiger ist als bei einem Kristall (5') mit einer Phasenanpassungsperiodizität (Ap), die ein Einfaches der doppelten Kohärenzlänge (Ac) des optisch-parametrischen Prozesses ist. 2. Device for frequency conversion, in particular for carrying out a method according to claim 1, with a Pump unit (1) for generating narrow-band pump radiation (2) with a pumping frequency, with a resonator (3) which can be acted upon by the pump radiation (2), with an optical parametric crystal (5) arranged in the resonator (3) with a phase matching period (Λρ) for a coherence length (Ac) having optical parametric process, with which the pump radiation (2) in a signal radiation (10) with a signal frequency and in a Idlerstrahlung (1 1) with a Idlerfrequenz is converted, characterized in that the phase matching periodicity (Ap) of the crystal (5) is three times the double coherence length (Ac) of the optical parametric process and that the coherence length-related relative interaction length (Ap / L) with respect to a crystal (5 ') with a phase matching periodicity (Ap), which is a single of twice the coherence length (Ac) of the optical parametric process, is set up such that the waven ngenbezogene signal gain characteristic (26) with the same gain is narrower bandwidth than in a crystal (5 ') with a Phasenanpassungsperiodizität (Ap) containing a simple double the coherence length (Ac) of the optical parametric process is.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Resonator (3) angeordneter Frequenzwandler (9) vorhanden ist, mit dem aus der Signalstrahlung (10) und/oder aus der Idlerstrahlung (1 1 ) Ausgangsstrahlung (12) mit einer Ausgangsfrequenz erzeugbar ist, die von der Signalfrequenz beziehungsweise von der Idlerfrequenz verschieden ist. Apparatus according to claim 2, characterized in that in the resonator (3) arranged frequency converter (9) is provided, with the output from the signal radiation (10) and / or the Idlerstrahlung (1 1) output radiation (12) with an output frequency generated is different from the signal frequency or the idler frequency.
Verwendung eines optisch-parametrischen Kristalls (5) mit einer Phasenanpassungsperiodizität (Ap) für einen eine Kohärenzlänge (Ac) aufweisenden optisch-parametrischen Prozess zur Frequenzkonversion von schmalbandiger Pumpstrahlung (2) mit einer Pumpfrequenz in eine Signalstrahlung (1 0) mit einer Signalfrequenz und in eine Idlerstrahlung (1 1 ) mit einer Idlerfrequenz unter Anpassen einer Pumpschwelle des Kristalls (5) an eine Pumpleistung der Pumpstrahlung (2) durch wenigstens eine optische Eigenschaft des Kristalls (5), dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Eigenschaft die Phasenanpassungsperiodizität (Λρ) ist, die ein Dreifaches der doppelten Kohärenzlänge (Ac) des optisch-parametrischen Prozesses ist, und dass eine weitere optische Eigenschaft durch die kohärenzlängenbezogene relative Wechselwirkungslänge (Λρ/L) in Bezug auf einen Kristall (5') mit einer Phasenanpassungsperiodizität (Ap), die ein Einfaches der doppelten Kohärenzlänge (Ac) des optisch-parametrischen Prozesses ist, gebildet ist, die derart eingerichtet ist, dass die wellenlängenbezogene Signalverstärkungskennlinie (26) bei gleicher Verstärkung schmalbandiger ist als bei einem Kristall (5') mit einer Phasenanpassungsperiodizität (Ap), die ein Einfaches der doppelten Kohärenzlänge (Ac) des optisch- parametrischen Prozesses ist. Use of an optical parametric crystal (5) having a phase matching periodicity (Ap) for a coherence length (Ac) optical parametric process for frequency conversion of narrow-band pump radiation (2) with a pumping frequency into a signal radiation (1 0) with a signal frequency and into an idler radiation (11) with an idler frequency while matching a pumping threshold of the crystal (5) to a pumping power of the pump radiation (2) at least one optical property of the crystal (5), characterized in that one optical property is the phase matching periodicity (Λρ), which is three times twice the coherence length (Ac) of the optical parametric process, and another optical property is characterized by the coherence length related relative Interaction length (Λρ / L) with respect to a crystal (5 ') having a phase matching periodicity (Ap), which is a single of twice the coherence length (Ac) of the optical parametric process, arranged such that the wavelength-related signal gain characteristic (26) is narrowband at the same gain as b a crystal (5 ') having a phase matching periodicity (Ap) that is a single of twice the coherence length (Ac) of the optical parametric process.
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