WO2021105094A1 - Frequenzkonversionsanordnung zur optimierung von eigenschaften einer harmonischen eines lasers - Google Patents

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frequency conversion
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crystal
arrangement
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Axel Reiser
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    • G02F1/354—Third or higher harmonic generation

Definitions

  • the invention relates to a frequency conversion arrangement for optimizing properties of a harmonic of a laser, such as, for example, the beam profile or the long-term stability.
  • non-linear crystals are preferably used.
  • different crystals with different properties or in different configurations can be used.
  • different crystals are differently suitable for frequency conversion with regard to various properties. Most of the crystals that can be used for such conversion processes are now commercially available.
  • NIR near infrared range
  • the third harmonic can be generated by partially doubling the frequency of a central laser wavelength in a first nonlinear crystal to the second harmonic and then this second harmonic in a second nonlinear crystal with the central wavelength in a sum frequency mixture is converted to the third harmonic.
  • the third harmonic is around 355 nm (three times the frequency), i.e. in the ultraviolet range (UV).
  • the invention is therefore based on the object of realizing a frequency conversion arrangement which achieves a robust and long-term stable generation of a harmonic and thereby generates a controllable, in particular rotationally symmetrical, beam profile of the harmonic.
  • the object is achieved by a frequency conversion arrangement for optimizing properties of a harmonic of a laser, in particular a beam profile and / or long-term stability, the arrangement comprising:
  • a first non-linear crystal which is designed to partially convert a first wavelength into a second wavelength
  • an optical unit which in particular comprises at least one prism which is designed to influence beam profiles of the first wavelength and / or the second wavelength differently in their respective main axes;
  • the second nonlinear crystal which is designed to generate a third wavelength from the unconverted part of the first wavelength and / or the second wavelength, the second nonlinear crystal having an entry face and an exit face and the exit face inclined to the entry face runs.
  • the frequency conversion arrangement can be used to efficiently convert a laser beam to a harmonic with a desired symmetry of the beam profile, in particular to a rotationally symmetrical beam profile.
  • reflection losses can be minimized by the inclined exit surface of the second non-linear crystal. This results in the use of the invention
  • Frequency conversion arrangement a high flexibility with regard to the resulting beam profile of the harmonics, as well as a high long-term stability with regard to the converted harmonics and a long service life of the crystals used.
  • the optical unit comprises at least one prism which can be rotated about at least one axis in order to influence the respective main axes of the beam profiles differently.
  • the material or the refractive index and the apex angle of the prism can be optimized in relation to the crystal properties.
  • the rotatable mounting of the prism offers one or more degrees of freedom for adjusting and optimizing the frequency conversion arrangement.
  • the prism of the optical unit can be displaced transversely in order to continuously adjust and / or compensate for a transit time difference between the first wavelength and the second wavelength.
  • the Conversion efficiency can be optimized, since the point of generation of the harmonics in the second non-linear crystal can be effectively adjusted.
  • the second wavelength is the second harmonic of the first wavelength.
  • This can be realized by a single non-linear crystal.
  • a number of non-linear crystals can be used, such as LBO, BBO, KTP, BiBO, etc.
  • the third wavelength is a wavelength which corresponds to the second harmonic of the first wavelength or the second harmonic of the second wavelength or the sum or difference frequency of the first wavelength and / or the second wavelength.
  • the arrangement can be used to generate the third harmonic, but also, for example, the fourth harmonic or the "nth" harmonic.
  • a number of non-linear crystals can be used for this, such as LBO, BBO, CLBO, BiBO, KTP, etc.
  • the exit surface of the second non-linear crystal is arranged essentially in a Brewster arrangement, preferably with respect to the third wavelength.
  • the Brewster arrangement or the Brewster angle can be configured for one of the wavelengths.
  • the polarization states of the wavelengths involved behave in such a way that in the second nonlinear crystal, based on the exit surface of the second nonlinear crystal, the first wavelength in p-pol (parallel polarization), the second wavelength in s-pol (perpendicular polarization) and the third wavelength oscillates in p-pol (parallel polarization).
  • This arrangement therefore leads to reduced reflection losses of the first wavelength and the third wavelength when exiting the second non-linear crystal.
  • the arrangement at the Brewster angle thus makes it possible to dispense with a coating on the exit surface of the second nonlinear crystal and at the same time to minimize reflection losses.
  • a coating can possibly degrade as a result of continuous irradiation.
  • the first non-linear crystal is designed as a plane-parallel crystal.
  • Plane-parallel means here that the entry and exit surfaces of the first non-linear crystal run essentially parallel to one another.
  • this has the advantage that plane-parallel crystals are easier to manufacture and therefore more cost-effective.
  • essentially perpendicular angles of incidence on the entry surfaces of the first and second nonlinear crystals are always made possible in this way.
  • the optical unit in particular by means of an apex angle and a material of the prism, is matched to the inclined exit surface of the second nonlinear crystal in order to produce a rotationally symmetrical beam profile for the third wavelength, in particular independent of the symmetry of the beam profile of the first wavelength and / or the second wavelength.
  • the material of the prism can consist, for example, of fused silica or other laser-resistant glasses and / or crystals.
  • the exit surface of the second non-linear crystal is uncoated.
  • the frequency conversion arrangement according to the invention makes it possible to dispense with the coating, in particular the exit surface of the second nonlinear crystal, and at the same time to obtain excellent reflection-suppressing properties.
  • an uncoated crystal or a partially coated crystal (for example, only the entrance surface is coated) is more cost-effective than a coated crystal, since the coating processes for a coating for, in particular simultaneous, reflection suppression for several wavelengths are complex and therefore expensive.
  • the exit surface of the second non-linear crystal is coated, preferably with an anti-reflective coating for the first wavelength and / or the second wavelength and / or the third wavelength and / or a p-coating.
  • the coating can be selected such that, for example, the Brewster arrangement is selected for a wavelength at which a coating is very complex, expensive or, as described above, problematic with regard to the performance of the arrangement. The reflection of this wavelength is suppressed by the Brewster arrangement.
  • the other wavelengths can generate (sometimes strong) reflections on the inclined exit surface of the second non-linear crystal, it is possible to apply a coating for these wavelengths on the inclined exit surface of the second non-linear crystal.
  • a p-coating can protect a crystal from external influences such as humidity, ozone, or the like.
  • all or more crystal surfaces possibly including a jacket surface (ie outer surface) of a crystal, have an anti-reflective coating and / or a p-coating.
  • the exit surface of the second non-linear crystal can also be coated for all wavelengths involved.
  • all wavelengths lie in a range that is sufficiently uncritical for the problems described above with regard to coating degradation.
  • the exit surface of the second non-linear crystal is nanostructured. This makes it possible to provide a very broadband reflection suppression for all participating or selected wavelengths, which is also very stable with respect to interaction with light.
  • the object according to the invention is also achieved by a system for frequency conversion of a laser, the system comprising: a frequency conversion arrangement according to at least one of the preceding claims; a laser system that generates a beam at the first wavelength; and a beam profile size adjustment unit configured to adjust the size of the beam profile of the beam; wherein the beam profile is fed to the frequency conversion arrangement after the size has been adjusted by the steel profile size adjustment unit.
  • the beam profile size adjustment unit enables the size of the beam profile of the laser system to be adjusted. This enables flexibility with regard to the beam profile size and, directly as a result, flexibility in the intensity of the light of the laser system used.
  • the beam profile size adjustment unit can be, for example, a telescope and / or a single lens and / or a lens array and / or a mirror telescope and / or one or more parabolic or curved mirrors.
  • the system comprises a beam profile analysis unit for measuring the dimensions of the respective main axes of the respective beam profile of the first wavelength and / or the second wavelength and / or the third wavelength, the beam profile analysis unit in particular comprising at least one camera and / or an M 2 analysis unit .
  • the beam profile analysis unit in particular comprising at least one camera and / or an M 2 analysis unit .
  • the beam profile analysis unit it is also possible to measure and analyze the beam profiles of the other (first and second) wavelengths in a controlled manner.
  • automated elements for example one or more crystal holders or optics holders with piezomotors for tilting and / or rotating the crystals or optics, the frequency conversion arrangement or the beam profile size adjustment unit are connected to the beam profile analysis unit, for example via a computer.
  • the size of the beam profile of the beam in front of the frequency conversion arrangement has a diameter of at least 250 ⁇ m, preferably at least 500 ⁇ m, more preferably at least 1,000 ⁇ m. Choosing a small diameter for the beam of the laser system makes it possible to convert even relatively low light outputs efficiently.
  • a size of the beam profile in front of the frequency conversion arrangement of less than 250 ⁇ m can be used.
  • the size of the beam profile can be 100 ⁇ m or smaller, for example.
  • the laser system is a pulsed laser system, preferably with pulse durations in the microsecond range, more preferably in the nanosecond range, even more preferably in the picosecond range.
  • a pulsed laser system enables high (peak) intensities to be achieved and thus the efficiency of the frequency conversion to be optimized.
  • the laser system can also have pulse durations in the femtosecond range.
  • the laser system is a continuous wave laser system. This makes it possible to use the system for applications in which no pulsed light source is desired or available.
  • the system comprises a third non-linear crystal for frequency conversion of the third wavelength to a fourth wavelength.
  • the third wavelength can be converted to a fourth wavelength alone or alternatively in interaction with the first wavelength or the second wavelength.
  • the system comprises a second frequency conversion arrangement for converting to a fourth and a fifth wavelength from one or more of the wavelengths involved.
  • the object according to the invention is also achieved by a frequency conversion method for optimizing properties of a harmonic of a laser, in particular a beam profile and / or long-term stability, the method comprising the following steps: a first conversion step in which a first wavelength (l ⁇ ) is partially converted into a second wavelength (l2) is converted in a first non-linear crystal (XI); a beam profile adaptation step in which the beam profiles of the first wavelength (l ⁇ ) and / or the second wavelength (l2) are influenced differently in their respective main axes (xl, yl, x2, y2); a second conversion step in which a third wavelength (l3) is generated from the unconverted part of the first wavelength (l ⁇ ) and / or the second wavelength (l2) in a second non-linear crystal (X2), the second non-linear crystal (X2 ) has an
  • the beam profile adaptation step of the frequency conversion method takes place by rotating at least one prism about at least one axis.
  • a continuously adjustable, for example rotationally symmetrical or compressed, beam profile of the third wavelength can be generated.
  • the material or the refractive index and the apex angle of the prism can be optimized in relation to the crystal properties of the second non-linear crystal become.
  • the rotatable mounting of the prism offers one or more degrees of freedom for adjusting and optimizing the frequency conversion arrangement.
  • the aspect ratio of the beam of the third wavelength is continuously adjustable by the beam profile adjustment step. On the one hand, this makes it possible to compensate for a distortion of the beam profile (for example due to walk-off). On the other hand, there is also the possibility of choosing the beam profile of the third wavelength as desired (or adapted to an experiment) - for example with a main axis ratio (aspect ratio) of 1: 3 or 1: 2.
  • the frequency conversion method comprises a step of setting an intensity of a portion of the first wavelength involved in the first and / or the second conversion step.
  • the conversion efficiency when generating the third wavelength in the second nonlinear crystal is dependent on the intensity and / or the mixing ratio of the first wavelength involved and the second wavelength.
  • the mixing ratio (of the intensities) is around 1/3: 2/3 (first wavelength to second wavelength), which can correspond to a theoretical (conversion) efficiency of up to 100%.
  • the conversion leads to a deformation of the Gaussian intensity profile of the first wavelength after the frequency doubling in the first nonlinear crystal.
  • This deformation brings a disadvantage for the conversion efficiency in the subsequent second conversion step in the second non-linear crystal.
  • this deformation can have a negative effect on the beam quality of the third wavelength - for example, the beam of the third wavelength can acquire poor M 2 values as a result.
  • a conversion efficiency “not optimal” ie a deliberately not maximum conversion efficiency in the first nonlinear crystal can be selected in order to improve the beam quality of the wavelengths involved optimize. In one possible embodiment, this can be done by adapting the polarization (s) by means of at least one L / 2 wave plate.
  • the method according to the invention can furthermore comprise additional method steps, as already explained in connection with the frequency conversion arrangement according to the invention and / or in connection with the system according to the invention for frequency conversion of a laser.
  • 1a shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of the frequency conversion arrangement, in which the optical unit is arranged between a first non-linear and a second non-linear crystal;
  • FIG. 1b shows a schematic illustration of the first exemplary embodiment of the frequency conversion arrangement from FIG. 1a, in which the optical unit is arranged in a modified manner between a first non-linear and a second non-linear crystal;
  • 2 shows a schematic representation of a beam profile of a beam of a wavelength participating in a frequency conversion by means of the frequency conversion arrangement
  • 3 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment of the frequency conversion arrangement, in which the optical unit is arranged in front of a first and a second non-linear crystal
  • Fig. 4 is a schematic representation of an embodiment of the
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of the system for frequency conversion.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary embodiment from FIG.
  • Frequency conversion arrangement for a type II frequency conversion with an optimized portion of the first wavelength.
  • FIG. 7 is a schematic representation of an exemplary embodiment from FIG.
  • Frequency conversion arrangement for a type I frequency conversion with an optimized portion of the first wavelength
  • a frequency conversion arrangement 100 according to the invention is shown schematically in FIG.
  • a first beam of a first wavelength l ⁇ made available for frequency conversion propagates in the horizontal direction from left to right. As long as this is not explicitly pointed out, it is always assumed below that all rays that are shown in the corresponding subsequent figures propagate coming from the left to the right.
  • the first wavelength l ⁇ is frequency-converted in a first non-linear crystal XI.
  • the first wavelength l ⁇ in the first non-linear crystal XI is doubled in frequency.
  • a type of crystal for this exemplary embodiment with such a frequency conversion can be, for example, an LBO crystal or a BBO crystal. Further crystals which are designed for frequency conversion are familiar to the person skilled in the art.
  • the first non-linear crystal XI can be designed for a critical or non-critical phase adjustment for frequency conversion.
  • the first nonlinear crystal XI is stored in a holder (not shown) designed for this purpose, which preferably allows the first nonlinear crystal XI to be tilted in different directions.
  • the tilting can be done manually, for example by fine-thread screws, or automatically or controlled, for example by piezo (step) motors. It is also possible for the holder of the first non-linear crystal XI to be heatable or temperature-controllable.
  • the beam of the first wavelength l ⁇ and the second beam of a second wavelength l2 generated by the frequency conversion propagate essentially collinearly.
  • the second wavelength l2 corresponds essentially to half the wavelength of the first wavelength l ⁇ .
  • the first nonlinear crystal has a coating on its entrance surface and its exit surface in order to suppress reflections of the first wavelength l ⁇ (on the entrance surface and the exit surface) and the second wavelength l2 (on the exit surface).
  • a prism P forms the optical unit according to the invention.
  • the optical unit can comprise further optics.
  • the optical unit is formed by an (anamorphic) pair of prisms.
  • the prism P in the exemplary embodiment in FIG. 1 a is mounted in such a way that it can be continuously displaced along an axis parallel to an entry surface of the prism P. Furthermore, the prism P is mounted in such a way that it can also be rotated continuously in a plane parallel to the rays of the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2.
  • the prism or the optical unit can be displaced and / or rotated manually, for example by means of fine-thread screws, or automatically or in a controlled manner, for example by piezo (step) motors.
  • the beam profile cross-sections of the beams of the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2 can be influenced in a plane parallel to the direction of propagation of the rays along a respective main axis of the respective beam profile, while the beam profile cross-sections in a plane perpendicular to the direction of propagation remain essentially unchanged.
  • Rotating the prism P allows the aspect ratio to be adjusted between the two main axes. The adaptation of the aspect ratio is described below in FIG. 2.
  • the prism P it is also possible for the prism P to be mounted in such a way that one or more directions of rotation or tilting are also provided.
  • a further optimization parameter can thus be formed, for example, by rotating the prism P about an axis parallel to a direction of propagation of an input beam of the first wavelength l ⁇ and / or the second wavelength l2.
  • the prism P can also be tilted about an axis parallel to the entry surface of the prism P and / or the exit surface of the prism P.
  • the rays of the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2 propagate to the prism P at an angle to the (original) direction of incidence of the two rays.
  • the angle depends on the material of the prism P, the apex angle of the prism P, the rotation of the prism P and the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2.
  • the rays progress through the second non-linear crystal X2.
  • the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2 are frequency-converted together in order to generate the third wavelength l3.
  • a sum frequency of the two input wavelengths l ⁇ and l2 is formed in the second nonlinear crystal.
  • a type of crystal for this exemplary embodiment with such a frequency conversion can be, for example, an LBO or a BBO. Further crystals which are designed for frequency conversion are familiar to the person skilled in the art.
  • the second non-linear crystal X2 can be designed for a critical or non-critical phase adjustment for frequency conversion.
  • the second nonlinear crystal X2 is stored in a holder (not shown) designed for this purpose, which allows, for example, the second nonlinear crystal X2 to be tilted in several directions.
  • the tilting can be done manually, for example by means of fine-thread screws, and / or automatically or controlled, for example by piezo (step) motors. It is also possible for the holder of the first non-linear crystal X2 to be heatable or temperature-controllable.
  • a difference frequency can also be formed from the first wavelength lfrequenz and the second wavelength l2 in the second nonlinear crystal X2.
  • the second wavelength l2 can be doubled in frequency in the second nonlinear crystal X2.
  • the first non-linear crystal XI is designed as a plane-parallel crystal.
  • Plane-parallel here means that the entry and exit surfaces of the first non-linear crystal XI run essentially parallel to one another.
  • the prism P and the second nonlinear crystal X2 are arranged and designed in such a way that an essentially perpendicular angle of incidence always results on the entry surface A1 of the second nonlinear crystal X2.
  • the entry surface A1 of the second nonlinear crystal X2 is essentially perpendicular to the direction of propagation of the first beam of the first wavelength l ⁇ and / or of the second beam of the second wavelength l2.
  • the exit surface A2 of the second nonlinear crystal X2 is formed at an angle to the entrance surface 1 of the second nonlinear crystal X2.
  • the exit surface A2 of the second nonlinear crystal X2 is designed in such a way that it coincides with the direction of propagation of the beam of the third wavelength l3 generated in the second nonlinear crystal X2 forms a Brewster arrangement.
  • a Brewster arrangement is to be understood here as meaning that the beam of the third wavelength l3 strikes the exit surface A2 (or the corresponding perpendicular of the exit surface A2) of the second nonlinear crystal X2 essentially at the Brewster angle. This configuration enables reflection of the third wavelength l3 at the exit surface A2 of the second nonlinear crystal X2 to be suppressed.
  • the entrance surface Al of the second nonlinear crystal X2 can be coated, namely, for example, with an anti-reflective coating for the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2 in order to avoid reflections on the entrance surface Al of the second nonlinear crystal X2.
  • the exit surface A2 of the second non-linear crystal X2 can have a coating.
  • the crystal can have a coating for the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2 on the exit surface A2.
  • any symmetry of the beam profile can also be generated.
  • any symmetry is to be understood as an adjustable ratio of a horizontal and vertical axis of the beam profile of the third wavelength l3.
  • FIG. 1b shows an exemplary embodiment analogous to FIG. La, with the difference that the position of the prism P has been modified as described above.
  • Such a translation of the prism P can set or compensate for a transit time difference between the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2.
  • a transit time difference is to be understood here as meaning that a point in time of impingement of the first wavelength l assemble and the second wavelength l2 on the prism P differ, since different wavelengths are different propagate quickly through material. In this case, therefore, at different speeds through the first nonlinear crystal XI and the medium (for example air) between the first nonlinear crystal XI and the prism P. Due to the dispersive property of the prism P, this transit time difference can be set or compensated for by a translation of the prism P. or overcompensated, since the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2 pass through a different optical path through the prism P.
  • the point of origin of the third wavelength l3 in the second non-linear crystal X2 can thus be effectively varied.
  • the efficiency of the frequency conversion can thus be adjusted by utilizing the maximum possible crystal length for the frequency conversion.
  • FIG. 2 the effect of the optical unit is shown schematically on a beam profile.
  • the solid circular line in FIG. 2 describes a beam profile before it was influenced by the optical unit.
  • a main axis x1, x2, x3, preferably a horizontal main axis, corresponds to the first or the second or the third wavelength.
  • a main axis perpendicular to xl, x2, x3 is denoted by yl, y2, y3 and preferably a vertical main axis of the corresponding beam profile of the first or the second or the third wavelength.
  • the optical unit according to the invention can now influence a beam in such a way that - depending on the orientation of the optical unit - a main axis xl, x2, x3 of a beam profile is influenced, while the main axis yl, y2, y3 formed perpendicular thereto remains unchanged.
  • This case of an influenced beam profile is illustrated by the dashed line in FIG. 2.
  • the affected axis is designated here with xl ', x2', x3 '.
  • the three reference symbols per main axis are intended to clarify that the optical unit influences the first wavelength and / or the second wavelength and / or the third wavelength essentially equally as soon as one (or more) of these wavelengths propagates / propagates through the optical unit .
  • Rotating the optical unit about an axis parallel to a direction of the first wavelength influences the aspect ratio of the wavelength (s) involved.
  • FIG. 3 An alternative exemplary embodiment of a frequency conversion arrangement 100 according to the invention is shown schematically in FIG. 3.
  • Fig. 3 the same reference numerals are used for the same beams or elements as in the figures described above.
  • the optical unit is formed by a prism P which is located in front of a first non-linear crystal XI.
  • a prism P which is located in front of a first non-linear crystal XI.
  • the prism P is rotated about an axis which is parallel to an axis which is predetermined in FIG. 3 by the direction of propagation of the first wavelength l ⁇ .
  • one or more effects that occur in the first nonlinear crystal XI and / or in the second nonlinear crystal X2 and which influence the beam profile of the third wavelength can be compensated for, preferably to create a rotationally symmetrical beam profile at the third wavelength l3.
  • effects such as walk-off of the second wavelength l2 and / or the third wavelength l3 and / or exceeding the acceptance angle in the first nonlinear crystal XI and / or in the second nonlinear crystal X2 can be compensated.
  • the first non-linear crystal XI is designed as a plane-parallel crystal.
  • Plane-parallel here means that the entry and exit surfaces of the first non-linear crystal XI run essentially parallel to one another.
  • the prism P and the second nonlinear crystal X2 are arranged and designed in such a way that an essentially perpendicular angle of incidence always results on the entry surface A1 of the second nonlinear crystal X2.
  • the plane-parallel formation of the (first) crystal offers the advantage that unpolarized light can also be used - for example in fiber lasers without polarization guidance .
  • Such inclined entry surfaces would require an expensive and complex AR coating in the case of unpolarized light in order to be able to transmit with as little loss as possible, which is thus omitted.
  • the exit surface of the second nonlinear crystal X2 is in FIG. 3, analogously to the exemplary embodiment from FIG. 1 a and FIG. 1 b, essentially in a Brewster arrangement, preferably in relation to the third wavelength 13, in order for the third wavelength To minimize reflection losses.
  • the arrangement of the exit surface A2 of the second nonlinear crystal X2 can also deviate from the Brewster arrangement described.
  • FIG. 4 An exemplary embodiment of a system for frequency conversion 200 is shown schematically in FIG.
  • the system for frequency conversion 200 comprises a frequency conversion arrangement 100 according to the invention, as described above.
  • FIG. 4 the same reference numerals as in the figures described above are used for the elements of the frequency conversion arrangement 100.
  • the system of the exemplary embodiment in FIG. 4 furthermore comprises a laser system L which provides a beam B at the first wavelength l ⁇ for supply to the frequency conversion arrangement 100. Before the beam B is fed to the frequency conversion arrangement 100, a size of the beam profile of the beam B can be influenced by a beam profile size adaptation unit T.
  • the beam profile size adjustment unit may include a telescope which sets the size of the beam profile to a size of 250 ⁇ m.
  • the beam profile size adjustment unit is provided by a single lens that adjusts the size of the beam profile of beam B at a location, for example between the first nonlinear crystal XI and the second nonlinear crystal X2.
  • FIG. 5 A further exemplary embodiment of a system for frequency conversion 200 is shown schematically in FIG. 5.
  • the system for frequency conversion 200 comprises a Frequency conversion arrangement 100 according to the invention, as described above in connection with FIG. 3. It is thus possible in the system 200 to set an aspect ratio of the beam profile of the first wavelength, as described above.
  • the system of the exemplary embodiment in FIG. 5 further comprises a laser system L, which provides a beam B at the first wavelength l ⁇ for a feed to the frequency conversion arrangement 100.
  • a size of the beam profile of the beam B can be influenced by a beam profile size adaptation unit T.
  • the beam profile size adjustment unit it is possible, for example, for the beam profile size adjustment unit to include a telescope which sets the size of the beam profile to a size of 250 ⁇ m.
  • the beam profile size adjustment unit is provided by a single lens that adjusts the size of the beam profile of beam B at a location, for example between the first nonlinear crystal XI and the second nonlinear crystal X2.
  • the beam profile analysis unit K is used to analyze the dimensions of the main axes xl, x2, x3, xl ', x2', y3 'and / or yl, y2, y3 of the first and / or second and / or third wavelength and / or the quality of the beam profiles in the exemplary embodiments from FIGS. 4 and 5.
  • This is formed by a camera and / or an M 2 analysis unit.
  • a single wavelength can be analyzed using optical filters.
  • the beam profile analysis unit may include further components such as a spectrometer and / or a power meter in order to record the spectral properties and the power of the (individual) wavelengths.
  • the parameters recorded by the beam profile analysis unit are evaluated by a computer and, for example, the long-term stability of one or more parameters is recorded.
  • the parameters recorded in the process can also be used to determine individual components such as Crystal holder and / or the optical unit and / or the
  • Integrate steel profile size adjustment unit electronically in a control loop in order to regulate on one or more parameters, such as preferably a power stability of the third wavelength.
  • the exemplary embodiments from FIGS. 4 and 5 can also include further components (not shown in FIGS. 4 and 5).
  • further components for long beam paths, for example between laser system L and steel profile size adjustment unit T and / or between steel profile size adjustment unit T and frequency conversion arrangement 100 and / or between first non-linear crystal XI and second non-linear crystal X2, several deflecting mirrors can be present that deflect one or more beams.
  • the entire system for frequency conversion 200 or parts thereof, for example the frequency conversion arrangement 100 can be accommodated in a housing - for example to be transportable and / or evacuated and / or to be flushed or flooded with a gas.
  • FIG. 6 Another exemplary embodiment of the present invention is described below with reference to FIG. 6.
  • the conversion efficiency when generating the third harmonic in the second non-linear crystal (THG crystal) depends on the intensity and / or the mixing ratio of the first wavelength l ⁇ and the second wavelength l2 involved.
  • the mixing ratio (of the intensities) is typically around 1/3: 2/3 (first wavelength to second wavelength), which can correspond to a theoretical (conversion) efficiency of up to 100%.
  • an (ideal) mixing ratio depends on many parameters, such as the power and / or the intensity of the wavelengths or crystal parameters involved or the wavelengths (ranges) used, so that no exact value can be given for an (ideal) mixing ratio.
  • the rays involved (the first wavelength and the second wavelength) predominantly have a Gaussian intensity profile, it comes to reason the conversion to a deformation of the Gaussian intensity profile of the first wavelength l ⁇ after the frequency doubling in the first non-linear crystal.
  • This deformation brings a disadvantage for the conversion efficiency in the subsequent sum frequency in the second non-linear crystal.
  • this deformation can have a negative effect on the beam quality of the third wavelength l3 - for example, the beam of the third wavelength can acquire poor M 2 values as a result.
  • a conversion efficiency in the first nonlinear crystal "not optimal" ie a deliberately not maximum conversion efficiency
  • a conversion efficiency in the first nonlinear crystal "not optimal" can be selected in order to optimize the beam quality of the wavelengths involved, in particular a beam profile of the third wavelength, and / or the efficiency of the To improve the conversion to the third wavelength.
  • the frequency conversion arrangement in FIG. 6 comprises a first 1 ⁇ 2 wave plate HWP1, which is arranged in front of the first nonlinear crystal X1 (I).
  • the first wave plate HWP1 is designed to generate a superimposed polarization state from vertical and horizontal polarization for the first wavelength l ⁇ .
  • the first wavelength l ⁇ is initially polarized vertically.
  • This polarization state and the further polarization states in the course through the frequency conversion arrangement are illustrated at the bottom of FIG. 6 by corresponding arrows.
  • the first wavelength l ⁇ or the vertically polarized component (of the superimposed polarization state) of the first wavelength l ⁇ is doubled in frequency in the first nonlinear crystal X1 (I) to the second wavelength l2.
  • the first nonlinear crystal X1 (I) is a type I crystal here.
  • the first nonlinear crystal X1 (I) is a plane-parallel crystal. Plane-parallel means here that the entry and exit surfaces of the crystal run essentially parallel to one another.
  • the converted part (the part involved in the conversion) of the first wavelength l ⁇ experiences a deformation in the corresponding intensity profile.
  • the converted portion is for one subsequent mixing process (in this case the generation of the third harmonic) is only suitable to a limited extent.
  • the converted component should therefore not be used for generating the third harmonic in the second non-linear crystal X2 (II).
  • the unconverted portion of the first wavelength l ⁇ - the portion of the first wavelength that is not involved in the conversion to the second wavelength l2 - should be used to generate the third wavelength l3.
  • the second nonlinear crystal X2 (II) is here a type II crystal with an exit surface A2, which runs obliquely with respect to an exit surface A1 of the second nonlinear crystal X2 (II).
  • the obliquely running exit surface A2 results - in connection with the optical unit or the prism P - the same advantages that have already been described in connection with the previous exemplary embodiments.
  • the converted portion l ⁇ * of the first wavelength l ⁇ is polarized vertically, while the second wavelength l2 is polarized horizontally.
  • the frequency conversion arrangement can comprise a (polarizing) beam splitter S which is designed to reflect the (vertically polarized) converted portion l ⁇ * of the first wavelength l ⁇ out of the beam path.
  • this has the advantage that the second non-linear crystal is not permanently exposed to unnecessary stress, which would accelerate degradation of the crystal.
  • the beam splitter S is also designed to transmit the unconverted (horizontally polarized) portion of the first wavelength l Wellen.
  • the beam splitter S can be designed as a beam splitter cube, for example.
  • the first and the second wavelength each have a horizontal polarization.
  • the frequency conversion arrangement further comprises a second 1 ⁇ 2 wave plate HWP2, which is arranged between the first nonlinear crystal X1 (I) and the second nonlinear crystal X2 (II) (after the beam splitter S).
  • the second wave plate HWP2 is designed to influence the polarization of the first wavelength l ⁇ (to rotate according to its rotation) and to leave the polarization of the second wavelength l2 unaffected.
  • the polarization of the first wavelength l ⁇ (or the portion of the first wavelength remaining in the beam path) can be set for a type II mixing process to generate the third harmonic in the second non-linear crystal X2 (II).
  • the first wavelength l Wellen and the second wavelength l2 are superimposed in the second nonlinear crystal X2 (II) to generate the third wavelength l3.
  • the use of the beam splitter S can be dispensed with.
  • the converted (vertically polarized) portion l ersten * of the first wavelength l ⁇ remains in the beam path, but its polarization is rotated by the second waveplate HWP2 in such a way that this portion does not participate in the generation of the third wavelength.
  • the polarization of the unconverted portion of the first wavelength l ⁇ is rotated in such a way that the unconverted portion of the first wavelength l ⁇ is used to generate the third wavelength l3.
  • the exemplary embodiment of the frequency conversion arrangement shown in FIG. 7 essentially corresponds to that of the embodiment described above in connection with FIG. 6.
  • the second waveplate HWP2 is omitted here.
  • the converted portion of the first wavelength can be reflected out with the aid of the beam splitter S.
  • the first and the second wavelength after the beam splitter S each have a horizontal polarization.
  • This has the advantage of not having to use a further (second) wave plate, since the polarizations of the wavelengths involved are already adapted to the polarizations required for a type I phase matching in the second non-linear crystal X2 (I).
  • the use of the beam splitter S, as described in connection with FIG. 6, can be dispensed with in an alternative.
  • K beam profile analysis unit xl, x2, x3 first main axis of a beam profile xT, x2 ', x3' influenced first main axis of a beam profile yl, y2, y3 second main axis of a beam profile
  • HWP1, HWP2 wave plates (L / 2 plates)

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Frequenzkonversionsanordnung (100) zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, insbesondere eines Strahlprofils und/oder einer Langzeitstabilität, wobei die Anordnung umfasst: - einen ersten nichtlinearen Kristall (X1), der derart ausgebildet ist, eine erste Wellenlänge (λ1) teilweise in eine zweite Wellenlänge (λ2) zu konvertieren; und - eine optische Einheit, die insbesondere mindestens ein Prisma (P) umfasst, die derart ausgebildet ist, Strahlprofile der ersten Wellenlänge (λ1) und/oder der zweiten Wellenlänge (λ2) in ihren jeweiligen Hauptachsen (x1, y1, x2, y2) unterschiedlich zu beeinflussen; und - einen zweiten nichtlinearen Kristall (X2), der derart ausgebildet ist, eine dritte Wellenlänge (λ3) aus dem nicht konvertiertem Teil der ersten Wellenlänge (λ1) und/oder der zweiten Wellenlänge (λ2) zu erzeugen, wobei der zweite nichtlineare Kristall (X2) eine Eintrittsfläche (A1) und eine Austrittsfläche (A2) aufweist und die Austrittsfläche (A2) schräg zu der Eintrittsfläche (A1) verläuft.

Description

Frequenzkonversionsanordnung zur Optimierung von Eigenschaften einer
Harmonischen eines Lasers
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Frequenzkonversionsanordnung zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, wie beispielsweise des Strahlprofils oder der Langzeitstabilität.
Um eine Harmonische einer Wellenlänge eines Lasersystems zu erzeugen, werden vorzugsweise nichtlineare Kristalle verwendet. Je nach Wellenlänge des Lasersystems können unterschiedliche Kristalle mit unterschiedlichen Eigenschaften oder in unterschiedlichen Konfigurationen zum Einsatz kommen. Je nach Wellenlängenbereich sind verschiedene Kristalle hinsichtlich diverser Eigenschaften unterschiedlich gut für eine Frequenzkonversion geeignet. Die meisten Kristalle, die für derartige Konversionsprozesse in Frage kommen, sind heutzutage kommerziell erhältlich.
Kommerzielle Laserlichtquellen im Nahinfrarotbereich (NIR), beispielsweise bei ca. 800 nm oder 1030 nm bzw. 1064 nm, sind heutzutage weit verbreitet. Für viele Anwendungen sind allerdings Wellenlängen wünschenswert, die abseits der genannten Wellenlängen liegen. Ein einfacher Weg um zu einer Harmonischen dieser Laserwellenlängen zu gelangen, ist eine Frequenzkonversion in nichtlinearen Kristallen.
Im Stand der Technik ist es bekannt, dass beispielsweise die dritte Harmonische erzeugt werden kann, in dem eine zentrale Laserwellenlänge in einem ersten nichtlinearen Kristall teilweise zur zweiten Harmonischen frequenzverdoppelt wird und diese zweite Harmonische anschließend in einem zweiten nichtlinearen Kristall mit der zentralen Wellenlänge in einer Summenfrequenzmischung zur dritten Harmonischen konvertiert wird. Im Falle einer zentralen Laserwellenlänge von 1064 nm liegt die dritte Harmonische bei ca. 355 nm (dreifache Frequenz), also im Ultraviolett-Bereich (UV).
Um die jeweiligen Konversionsprozesse möglichst effizient zu gestalten ist es bekannt, die (optischen) Eintritts- sowie Austrittsflächen der zu verwendenden Kristalle mit einer Beschichtung zu versehen, um Reflexionsverluste zu minimieren. Insbesondere im UV-Bereich ist es allerdings auch bekannt, dass die Beschichtungen der Kristalle zu Problemen, insbesondere im Hinblick auf eine Langzeitstabilität, führen können. Verschiedene Alterungseffekte, verursacht durch eine Wechselwirkung mit Licht, lassen die Qualität der Beschichtung mit der Betriebsdauer degradieren, was sich bei steigender Verwendungsdauer der Kristalle bzw. des Lasersystems in einer Abnahme der Strahlqualität und Laserleistung niederschlägt.
Ferner ist es bekannt, mit fokussierten bzw. relativ kleinen Strahlenbündeln zu arbeiten, um eine hohe Intensität des Lichts zu erhalten, um die Effizienz des Konversionsprozesses zu optimieren. Kleinere Strahlenbündel weisen einen höheren Divergenzwinkel der Laserstrahlung auf. Überschreitet der Divergenzwinkel eines Strahls einen bestimmten Wert (Akzeptanzwinkel des nichtlinearen Kristalls) bei einer Frequenzkonversion, so kann dies zu Verzerrungen im Strahlprofil, insbesondere zu elliptischen Strahlprofilen, einer erzeugten Harmonischen führen.
Ferner ist es ebenfalls bekannt, dass bei Verwendung von bestimmten nichtlinearen Kristallen, eine Verzerrung des Strahlprofils durch den sogenannten „Walk-off" erzeugt wird. Dieser Effekt basiert im Wesentlichen auf der Doppelbrechung der beteiligten Kristalle und führt unter Umständen ebenfalls zu einer Verschlechterung der Symmetrie einer erzeugten Harmonischen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Frequenzkonversionsanordnung zu realisieren, die eine robuste und langzeitstabile Erzeugung einer Harmonischen erreicht und dabei ein kontrollierbares, insbesondere rotationssymmetrisches, Strahlprofil der Harmonischen generiert.
Diese Aufgabe wir erfindungsgemäß durch eine Frequenzkonversionsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Frequenzkonversionsanordnung zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, insbesondere eines Strahlprofils und/oder einer Langzeitstabilität, wobei die Anordnung umfasst:
- einen ersten nichtlinearen Kristall, der derart ausgebildet ist, eine erste Wellenlänge teilweise in eine zweite Wellenlänge zu konvertieren; - und eine optische Einheit, die insbesondere mindestens ein Prisma umfasst, die derart ausgebildet ist, Strahlprofile der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge in ihren jeweiligen Hauptachsen unterschiedlich zu beeinflussen;
- und einen zweiten nichtlinearen Kristall, der derart ausgebildet ist, eine dritte Wellenlänge aus dem nicht konvertiertem Teil der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge zu erzeugen, wobei der zweite nichtlineare Kristall eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche aufweist und die Austrittsfläche schräg zu der Eintrittsfläche verläuft.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass mit der Frequenzkonversionsanordnung ein Laserstrahl effizient zu einer Harmonischen mit einer gewünschten Symmetrie des Strahl profils, insbesondere zu einem rotationssymmetrischen Strahlprofil, konvertiert werden kann.
Alternativ oder zusätzlich können durch die schräg verlaufende Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls Reflexionsverluste minimiert werden. Dadurch ergibt sich bei der Verwendung der erfindungsgemäßen
Frequenzkonversionsanordnung eine hohe Flexibilität bezüglich des resultierenden Strahlprofils der Harmonischen, sowie eine hohe Langzeitstabilität bezüglich der konvertierten Harmonischen und eine lange Lebensdauer der verwendeten Kristalle.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die optische Einheit mindestens ein Prisma, das um mindestens eine Achse drehbar ist, um die jeweiligen Hauptachsen der Strahlprofile unterschiedlich zu beeinflussen. Dadurch wird auf eine konstruktiv einfache Art ermöglicht, dass in Kombination mit der schräg verlaufenden Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls ein einstellbares, insbesondere rotationssymmetrisches, Strahlprofil der Harmonischen erzeugt werden kann. Hierbei kann das Material bzw. der Brechungsindex, sowie der Apexwinkel des Prismas in Bezug auf die Kristalleigenschaften optimiert werden. Zudem bietet die drehbare Lagerung des Prismas einen oder mehrere Freiheitsgrade zur Justage und Optimierung der Frequenzkonversionsanordnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Prisma der optischen Einheit transversal verschiebbar, um einen Laufzeitunterschied zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge kontinuierlich einzustellen und/oder zu kompensieren. Durch die Einstellung des Laufzeitunterschiedes kann die Konversionseffizienz optimiert werden, da sich effektiv der Erzeugungsort der Harmonischen im zweiten nichtlinearen Kristall einstellen lässt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Wellenlänge die zweite Harmonische der ersten Wellenlänge. Dies kann durch einen einzelnen nichtlinearen Kristall realisiert werden. Je nach Wellenlängenbereich kommt hierfür eine Reihe nichtlinearer Kristalle in Frage, wie z.B. LBO, BBO, KTP, BiBO, etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die dritte Wellenlänge eine Wellenlänge, die der zweiten Harmonischen der ersten Wellenlänge oder der zweiten Harmonischen der zweiten Wellenlänge oder der Summen- bzw. Differenzfrequenz aus der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge entspricht. Auf diese Art und Weise lässt sich mit der Anordnung die dritte Harmonische aber beispielsweise auch die vierte Harmonische bzw. die „n-te" Harmonische erzeugen. Je nach Wellenlängenbereich kommen hierfür eine Reihe nichtlinearer Kristalle in Frage, wie z.B. LBO, BBO, CLBO, BiBO, KTP, etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls im Wesentlichen in einer Brewster-Anordnung, vorzugsweise bezüglich der dritten Wellenlänge, angeordnet. Dabei können die Brewster-Anordnung bzw. der Brewster-Winkel für eine der Wellenlängen konfiguriert sein.
In einer möglichen Ausführungsform wird es, insbesondere durch Anwendung von Typ II Phasenanpassung, ermöglicht, Reflexionsverluste zu vermeiden. Konkret verhalten sich die Polarisationszustände der beteiligten Wellenlängen dahingehend, dass im zweiten nichtlinearen Kristall, bezogen auf die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls, die erste Wellenlänge in p-pol (parallele Polarisation), die zweite Wellenlänge in s-pol (senkrechte Polarisation) sowie die dritte Wellenlänge in p-pol (parallele Polarisation) schwingt. Diese Anordnung führt daher zu verminderten Reflexionsverlusten der ersten Wellenlänge und der dritten Wellenlänge beim Austritt aus dem zweiten nichtlinearen Kristall.
Die Anordnung unter dem Brewster-Winkel ermöglicht es somit, auf eine Beschichtung an der Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls zu verzichten und gleichzeitig Reflexionsverluste zu minimieren. Einerseits um einen möglichst geringen Leistungsverlust und andererseits keine Rückreflexe an der Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls zu erhalten, da diese unter Umständen aufwendig unterdrückt werden müssten. Speziell im UV-Bereich ist dies sinnvoll, da hier eine Beschichtung ggf. durch Dauerbestrahlung degradieren kann. Hierbei ist es nicht unbedingt nötig, dass der Brewster-Winkel der Anordnung exakt eingehalten wird. Abweichungen von gewissen Toleranzen sind hinnehmbar, was die Justage und Fertigungstoleranz der Frequenzkonversionsanordnung erhöht. Darunter ist zu verstehen, dass ein Toleranzbereich der Abweichung vom Brewster-Winkel von beispielsweise ±1° bis ±5° durchaus ausgebildet, und in manchen Fällen auch gewünscht, sein kann.
In einer möglichen Ausführungsform ist der erste nichtlineare Kristall als ein planparalleler Kristall ausgebildet. Planparallel heißt hier, dass die Eintritts- und Austrittsfläche des ersten nichtlinearen Kristalls im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dies hat einerseits zum Vorteil, dass planparallele Kristalle einfacher in der Herstellung und damit kostengünstiger sind. Andererseits werden derart stets im Wesentlichen senkrechte Einfallswinkel auf die Eintrittsflächen des ersten und des zweiten nichtlinearen Kristalls ermöglicht.
Gegenüber Ansätzen bei denen ein Kristall an der Eintrittsfläche unter einem Winkel - beispielsweise unter dem Brewsterwinkel - geschnitten und/oder angeordnet ist, bietet die planparallele Ausbildung des (ersten) Kristalls und/oder der Eintrittswinkel auf den zweiten Kristall den Vorteil, dass auch unpolarisiertes Licht - beispielsweise bei Faserlasern ohne Polarisationsführung - anwendbar ist. Derart schräg verlaufende Eintrittsflächen würden für den Fall von unpolarisiertem Licht eine aufwendige und komplexe AR-Beschichtung benötigen, um möglichst verlustfrei transmittieren zu können, die so entfällt. Insgesamt wird so eine effiziente Anordnung ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Einheit, insbesondere durch einen Apexwinkel und ein Material des Prismas, derart auf die schräg verlaufende Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls abgestimmt, um für die dritte Wellenlänge ein rotationssymmetrisches Strahlprofil, insbesondere unabhängig von der Symmetrie des Strahlprofils der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge, zu erzeugen.
Dadurch wird auf eine konstruktiv einfache Art ermöglicht, dass in Kombination mit der schräg verlaufenden Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls ein einstellbares, insbesondere rotationssymmetrisches, Strahlprofil der Harmonischen durch gezielte Stauchung des Strahlprofils erzeugt werden kann. Das Material des Prismas kann hierbei beispielsweise aus Fused Silica oder anderen laserbeständigen Gläsern und/oder Kristallen bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls unbeschichtet. Dies hat den Vorteil, dass auf eine Beschichtung verzichtet werden kann, da Qualität und Eigenschaften einer Beschichtung durch Wechselwirkung mit einer der Wellenlängen degradieren kann - speziell für erzeugte Wellenlängen im UV Bereich ist dies problematisch. Im UV Bereich ist das Problem bekannt, dass das erzeugte UV Licht speziell bei hohen Leistungen die Eigenschaften der Beschichtung durch Wechselwirkung mit dem Licht verändert. Da eine Degradation der Beschichtung einen Einfluss auf die Langzeitstabilität, das Strahlprofil und Streulicht hat. Daher ist es von Vorteil, auf eine Beschichtung der nichtlinearen Kristalle zu verzichten.
Die erfindungsgemäße Frequenzkonversionsanordnung ermöglicht es, auf die Beschichtung, insbesondere der Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls, zu verzichten und gleichwohl hervorragende reflexionsunterdrückende Eigenschaften zu erhalten. Zudem ist ein unbeschichteter Kristall oder ein teilweise beschichteter Kristall (beispielsweise ist lediglich die Eintrittsfläche beschichtet) kostengünstiger als ein beschichteter Kristall, da die Beschichtungsverfahren für eine Beschichtung zur, insbesondere gleichzeitigen, Reflexionsunterdrückung für mehrere Wellenlängen aufwendig und daher teuer sind.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls beschichtet, vorzugsweise mit einem Antireflexcoating für die erste Wellenlänge und/oder die zweite Wellenlänge und/oder die dritte Wellenlänge und/oder einem p-coating. Die Beschichtung kann derart gewählt werden, dass beispielsweise die Brewster-Anordnung für eine Wellenlänge gewählt wird, bei der eine Beschichtung sehr aufwendig, teuer oder wie oben beschrieben problematisch bezüglich der Performance der Anordnung ist. Die Reflexion dieser Wellenlänge wird durch die Brewster-Anordnung unterdrückt. Da die weiteren Wellenlängen aber (teilweise starke) Reflexe an der schräg verlaufenden Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls erzeugen können, ist es möglich, eine Beschichtung für diese Wellenlängen auf der schräg verlaufenden Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls anzubringen. Dabei wird die Langzeitstabilität und die Strahl profi lg üte der Frequenzkonversionsanordnung nicht durch eine Degradierung der Beschichtung gestört, aber gleichzeitig werden sämtliche Reflexionen der beteiligten Wellenlängen unterdrückt. Dies hat eine optimale Effizienz der Frequenzkonversion zur Folge. Es ist zudem nicht nötig, Rückreflexionen in dem Aufbau aufwendig unterdrücken zu müssen. Ein p-coating kann einen Kristall vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit, Ozon, oder ähnlichem schützen. In einer möglichen Ausführungsform weisen alle oder mehrere Kristalloberflächen, ggf. inklusive einer Mantelfläche (also äußeren Fläche) eines Kristalls, ein Antireflexcoating und/oder ein p-coating auf.
In einer Ausführungsform kann die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls auch für alle beteiligten Wellenlängen beschichtet sein. Beispielsweise in einem Fall in dem alle Wellenlängen in einem Bereich liegen, der für oben beschriebene Probleme hinreichend unkritisch bezüglich einer Beschichtungsdegradierung ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls nanostrukturiert. Dadurch wird ermöglicht, eine sehr breitbandige Reflexionsunterdrückung für alle beteiligten bzw. ausgewählte Wellenlängen bereitzustellen die zudem sehr stabil gegenüber Wechselwirkung mit Licht ist.
Insbesondere wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch ein System zur Frequenzkonversion eines Lasers gelöst, wobei das System Folgendes umfasst: eine Frequenzkonversionsanordnung gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche; ein Lasersystem, das einen Strahl mit der ersten Wellenlänge erzeugt; und eine Strahlprofilgrößenanpassungseinheit, die derart ausgebildet ist, die Größe des Strahlprofils des Strahls anzupassen; wobei das Strahlprofil nach der Anpassung der Größe durch die Stahl profilgrößenanpassungseinheit, der Frequenzkonversionsanordnung zugeführt wird. Hieraus ergeben sich die selben Vorteile wie sie bereits in Zusammenhang mit der Frequenzkonversionsanordnung beschreiben wurden. Zusätzlich ermöglich die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit die Größe des Strahlprofils des Lasersystems anzupassen. Dies ermöglicht eine Flexibilität hinsichtlich der Strahlprofilgröße und unmittelbar dadurch eine Flexibilität der verwendeten Intensität des Lichts des Lasersystems. Daraus ergibt sich eine mögliche Optimierung der Effizienz der Frequenzkonversion. Bei der Strahlprofilgrößenanpassungseinheit kann es sich beispielsweise um ein Teleskop und/oder eine einzelne Linse und/oder ein Linsenarray und/oder ein Spiegelteleskop und/oder einen oder mehrere parabolisch oder gekrümmte Spiegel handeln.
In einer Ausführungsform umfasst das System eine Strahlprofilanalyseeinheit zur Vermessung der Dimensionierungen der jeweiligen Hauptachsen des jeweiligen Strahlprofils der ersten Wellenlänge und/oder der zweiten Wellenlänge und/oder der dritten Wellenlänge, wobei die Strahlprofilanalyseeinheit insbesondere mindestens eine Kamera und/oder eine M2-Analyseeinheit umfasst. Dadurch wird ermöglicht, die Strahlprofile einer oder mehrerer Wellenlängen auf ihre jeweilige Geometrie zu optimieren. Beispielsweise kann durch die Strahl profilanalyseeinheit kontrolliert ein rotationssymmetrisches Strahlprofil der dritten Wellenlänge erzeugt werden.
Ferner ist es auch möglich, für spezielle Anwendungen bewusst ein Strahlprofil mit einem definierten Verhältnis zweier Hauptachsen zu erzeugen, beispielsweise ein elongiertes Strahlprofil der dritten Wellenlänge mit einem Hauptachsenverhältnis von 1:2.
Mit der Strahlprofilanalyseeinheit ist es ferner möglich, auch die Strahlprofile der weiteren (ersten und zweiten) Wellenlängen kontrolliert zu vermessen und zu analysieren. In einer Ausführungsform sind automatisierte Elemente, beispielsweise ein oder mehrere Kristallhalter oder Optikhalter mit Piezomotoren zum Verkippen und/oder Drehen der Kristalle oder Optiken, der Frequenzkonversionsanordnung oder der Strahlprofilgrößenanpassungseinheit mit der Strahlprofilanalyseeinheit in Verbindung gesetzt, beispielsweise über einen Rechner. Dadurch wird ermöglicht, dass vorab bestimmte Werte, wie beispielsweise die Dimensionierungen der Hauptachsen des Strahls der dritten Wellenlänge, aktiv geregelt werden können. In einer Ausführungsform weist die Größe des Strahlprofils des Strahls vor der Frequenzkonversionsanordnung einen Durchmesser von mindestens 250 pm, vorzugsweise mindestens 500 pm, weiter vorzugsweise mindestens 1.000 pm auf. Durch die Wahl eines kleinen Durchmessers des Strahls des Lasersystems wird es ermöglicht, auch verhältnismäßig geringe Lichtleistungen effizient zu konvertieren.
In einer alternativen Ausführungsform kann eine Größe des Strahlprofils vor der Frequenzkonversionsanordnung kleiner als 250 pm verwendet werden. Je nach Wellenlängenbereich und/oder Kristall bzw. Kristalltyp kann beispielsweise eine Größe des Strahlprofils 100 pm, oder kleiner, betragen.
In einer Ausführungsform ist das Lasersystem ein gepulstes Lasersystem, vorzugsweise mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich, weiter vorzugsweise im Nanosekundenbereich, noch weiter vorzugsweise im Pikosekundenbereich. Durch ein gepulstes Lasersystem lassen sich hohe (Spitzen)Intensitäten erreichen und somit die Effizienz der Frequenzkonversion optimieren. In einer alternativen Ausführungsform kann das Lasersystem auch Pulsdauern im Femtosekundenbereich aufweisen.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Lasersystem ein Dauerstrichlasersystem. Dadurch wird es ermöglicht das System für Anwendungen einzusetzen, bei denen keine gepulste Lichtquelle gewünscht oder vorhanden sind.
In einer alternativen Ausführungsform umfasst das System einen dritten nichtlinearen Kristall zur Frequenzkonversion der dritten Wellenlänge zu einer vierten Wellenlänge. Hierbei kann die dritte Wellenlänge alleine oder alternativ in Wechselwirkung mit der ersten Wellenlänge oder der zweiten Wellenlänge zu einer vierten Wellenlänge konvertiert werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfasst das System eine zweite Frequenzkonversionsanordnung zur Konversion zu einer vierten und einer fünften Wellenlänge aus einer oder mehreren der beteiligten Wellenlängen. Insbesondere wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch ein Frequenzkonversionsverfahren zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, insbesondere eines Strahlprofils und/oder einer Langzeitstabilität, gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: einen ersten Konversionsschritt, in dem eine erste Wellenlänge (lΐ) teilweise in eine zweite Wellenlänge (l2) in einem ersten nichtlinearen Kristall (XI) konvertiert wird; einen Strahlprofilanpassungsschritt, indem die Strahlprofile der ersten Wellenlänge (lΐ) und/oder der zweiten Wellenlänge (l2) in ihren jeweiligen Hauptachsen (xl, yl, x2, y2) unterschiedlich beeinflusst werden; einen zweiten Konversionsschritt, in dem eine dritte Wellenlänge (l3) aus dem nicht konvertiertem Teil der ersten Wellenlänge (lΐ) und/oder der zweiten Wellenlänge (l2) in einem zweiten nichtlinearen Kristall (X2) erzeugt wird, wobei der zweite nichtlineare Kristall (X2) eine Eintrittsfläche (Al) und eine Austrittsfläche (A2) aufweist und die Austrittsfläche (A2) schräg zu der Eintrittsfläche (Al) verläuft.
Hieraus ergeben sich die selben oder ähnliche Vorteile wie sie bereits in Zusammenhang mit der Frequenzkonversionsanordnung und/oder dem System zur Frequenzkonversion eines Lasers beschrieben wurden.
In einer Ausführungsform erfolgt der Strahlprofilanpassungsschritt des Frequenzkonversionsverfahrens durch Drehen mindestens eines Prismas um mindestens eine Achse.
Dadurch wird auf eine konstruktiv einfache Art ermöglicht, dass in Kombination mit der schräg verlaufenden Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls ein kontinuierlich einstellbares, beispielsweise rotationssymmetrisches oder gestauchtes, Strahlprofil der dritten Wellenlänge erzeugt werden kann. Hierbei kann das Material bzw. der Brechungsindex, sowie der Apexwinkel des Prismas in Bezug auf die Kristalleigenschaften des zweiten nichtlinearen Kristalls optimiert werden. Zudem bietet die drehbare Lagerung des Prismas einen oder mehrere Freiheitsgrade zur Justage und Optimierung der Frequenzkonversionsanordnung.
In einer Ausführungsform ist das Aspekt -Verhältnis des Strahls der dritten Wellenlänge durch den Strahlprofilanpassungsschritt kontinuierlich einstellbar. Derart wird einerseits ermöglicht, eine Verzerrung des Strahlprofils (beispielsweise durch Walk-Off) zu kompensieren. Andererseits besteht dadurch auch die Möglichkeit, das Strahlprofil der dritten Wellenlänge beliebig (bzw. an ein Experiment angepasst) zu wählen - beispielsweise in einem Flauptachsenverhältnis (Aspekt-Verhältnis) von 1:3 oder 1:2.
In einer Ausführungsform umfasst das Frequenzkonversionsverfahren einen Schritt zum Einstellen einer Intensität eines an dem ersten und/oder dem zweiten Konversionsschritt beteiligten Anteils der ersten Wellenlänge.
Grundsätzlich ist die Konversionseffizienz bei der Erzeugung der dritten Wellenlänge in dem zweiten nichtlinearen Kristall abhängig von der Intensität und/oder dem Mischungsverhältnis der beteiligten ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge. Idealerweise liegt das Mischungsverhältnis (der Intensitäten) in etwa bei 1/3 : 2/3 (erste Wellenlänge zu zweite Wellenlänge), was einer theoretischen (Konversions-)Effizienz von bis zu 100% entsprechen kann.
Da die beteiligten Strahlen (der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge) überwiegend ein gaußförmiges Intensitätsprofil aufweisen, kommt es auf Grund der Konversion zu einer Deformation des gaußförmigen Intensitätsprofils der ersten Wellenlänge nach der Frequenzverdopplung in dem ersten nichtlinearen Kristall. Diese Deformation bringt einen Nachteil für die Konversionseffizienz in dem anschließenden zweiten Konversionschritt in dem zweiten nichtlinearen Kristall. Ferner kann sich diese Deformation negativ auf die Strahlqualität der dritten Wellenlänge auswirken - beispielsweise kann der Strahl der dritten Wellenlänge dadurch schlechte M2-Werte erlangen.
Um dies zu vermeiden, kann eine Konversionseffizienz in dem ersten nichtlinearen Kristall „nicht optimal" (d.h. eine bewusst nicht maximale Konversionseffizienz) gewählt werden, um die Strahlqualität der beteiligten Wellenlängen zu optimieren. Dies kann in einer möglichen Ausführungsform durch Anpassung der Polarisation(en) mittels mindestens einer L/2 Wellenplatte erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann des Weiteren zusätzliche Verfahrensschritte umfassen, wie diese bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Frequenzkonversionsanordnung und/oder im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System zur Frequenzkonversion eines Lasers erläutert wurden.
Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. la eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Frequenzkonversionsanordnung, bei dem die optische Einheit zwischen einem ersten nichtlinearen und einem zweiten nichtlinearen Kristall angeordnet ist;
Fig. lb eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der Frequenzkonversionsanordnung aus Fig. la, bei dem die optische Einheit zwischen einem ersten nichtlinearen und einem zweiten nichtlinearen Kristall modifiziert angeordnet ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Strahlprofils eines Strahls einer an einer Frequenzkonversion, mittels der Frequenzkonversionsanordnung, beteiligten Wellenlänge; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Frequenzkonversionsanordnung, bei dem die optische Einheit vor einem ersten und einem zweiten nichtlinearen Kristall angeordnet ist; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des
Systems zur Frequenzkonversion.
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Systems zur Frequenzkonversion.
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der
Frequenzkonversionsanordnung für eine Typ II Frequenzkonversion mit optimiertem Anteil der ersten Wellenlänge.
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der
Frequenzkonversionsanordnung für eine Typ I Frequenzkonversion mit optimiertem Anteil der ersten Wellenlänge.
In Fig. la ist eine erfindungsgemäße Frequenzkonversionsanordnung 100 schematisch dargestellt. Ein zur Frequenzkonversion bereitgestellter erster Strahl einer ersten Wellenlänge lΐ propagiert in horizontaler Richtung von links nach rechts. Solange nicht explizit darauf hingewiesen wird, wird nachfolgend stets davon ausgegangen, dass alle Strahlen, die in den entsprechenden nachfolgenden Figuren dargestellt sind, von links kommend nach rechts propagieren.
Die erste Wellenlänge lΐ wird in einem ersten nichtlinearen Kristall XI frequenzkonvertiert. In einem Ausführungsbeispiel wird die erste Wellenlänge lΐ in dem ersten nichtlinearen Kristall XI frequenzverdoppelt. Ein Kristalltyp für dieses Ausführungsbeispiel mit einer derartigen Frequenzkonversion kann beispielweise ein LBO-Kristall oder ein BBO-Kristall sein. Weitere Kristalle die zur Frequenzkonversion ausgebildet sind, sind dem Fachmann geläufig.
Der erste nichtlineare Kristall XI kann für eine kritische oder nichtkritische Phasenanpassung zur Frequenzkonversion ausgebildet sein. Der erste nichtlineare Kristall XI wird in einem dafür ausgebildeten (nicht gezeigten) Halter gelagert, der es vorzugsweise erlaubt, den ersten nichtlinearen Kristall XI zu in unterschiedlichen Richtungen zu verkippen. Das Verkippen kann manuell, beispielsweise durch Feingewindeschrauben oder automatisch bzw. gesteuert beispielsweise durch Piezo(schritt)motoren. Ferner ist es möglich, dass der Halter des ersten nichtlinearen Kristalls XI heizbar bzw. temperierbar ist.
Nach der Frequenzkonversion im ersten nichtlinearen Kristall propagieren der Strahl der ersten Wellenlänge lΐ und der durch die Frequenzkonversion erzeugte zweite Strahl einer zweiten Wellenlänge l2 im Wesentlichen kollinear. In dem Ausführungsbeispiel, in dem durch den ersten nichtlinearen Kristall XI eine Frequenzverdopplung erfolgt, entspricht die zweite Wellenlänge l2 im Wesentlichen der halben Wellenlänge von der ersten Wellenlänge lΐ.
In einem Ausführungsbeispiel weist der erste nichtlineare Kristall eine Beschichtung auf seiner Eintrittsfläche und seiner Austrittsfläche auf, um Reflexionen der ersten Wellenlänge lΐ (an der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche) und der zweiten Wellenlänge l2 (an der Austrittsfläche) zu unterdrücken.
In einem Ausführungsbeispiel der Frequenzkonversionsanordnung 100 in Fig. la bildet ein Prisma P die erfindungsgemäße optische Einheit. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die optische Einheit weitere Optiken umfassen. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel wird die optische Einheit durch ein (anamorphes) Prismenpaar gebildet.
Das Prisma P in dem Ausführungsbeispiel in Fig. la ist derart gelagert, dass es entlang einer Achse parallel zu einer Eintrittsfläche des Prismas P kontinuierlich verschiebbar ist. Weiterhin ist das Prisma P derart gelagert, dass es ferner in einer Ebene parallel zu den Strahlen der ersten Wellenlänge lΐ und der zweiten Wellenlänge l2 kontinuierlich verdreht werden kann.
Das Verschieben und/oder das Drehen des Prismas bzw. der optischen Einheit kann manuell, beispielsweise durch Feingewindeschrauben, oder automatisch bzw. gesteuert, beispielsweise durch Piezo(schritt)motoren, erfolgen.
Mit Hilfe des Prismas lassen sich die Strahlprofilquerschnitte der Strahlen der ersten Wellenlänge lΐ und der zweiten Wellenlänge l2 in einer Ebene parallel zur Propagationsrichtung der Strahlen entlang einer jeweiligen Hauptachse des jeweiligen Strahlprofils beeinflussen, während die Strahlprofilquerschnitte in einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung im Wesentlichen unverändert bleiben. Ein Drehen des Prismas P erlaubt eine Anpassung des Aspekt -Verhältnis zwischen den beiden Hauptachsen. Die Anpassung des Aspekt -Verhältnisses wird nachfolgend in Fig. 2 beschrieben.
Zusätzlich ist es auch möglich, dass das Prisma P derart gelagert ist, dass auch eine oder mehrere Dreh- bzw. Verkipprichtungen vorgesehen sind. So kann ein weiterer Optimierungsparameter beispielsweise dadurch gebildet werden, das Prisma P um eine Achse parallel zu einer Propagationsrichtung eines Eingangsstrahls der ersten Wellenlänge lΐ und/oder der zweiten Wellenlänge l2 zu drehen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Prisma P auch um eine Achse parallel zu der Eintrittsfläche des Prismas P und/oder der Austrittsfläche des Prismas P verkippt werden.
Die Strahlen der ersten Wellenlänge lΐ und der zweiten Wellenlänge l2 propagieren nach dem Prisma P unter einem Winkel zu der (ursprünglichen) Einfallsrichtung der beiden Strahlen. Der Winkel ist abhängig von dem Material des Prismas P, dem Apexwinkel des Prismas P, der Verdrehung des Prismas P und der ersten Wellenlänge lΐ und der zweiten Wellenlänge l2.
Nach der Anpassung des Aspekt -Verhältnisses der Strahlprofile der Strahlen der ersten Wellenlänge lΐ und der zweiten Wellenlänge l2 entlang ihrer entsprechenden Hauptachsen, progieren die Strahlen durch den zweiten nichtlinearen Kristall X2. In dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 werden die erste Wellenlänge lΐ und die zweite Wellenlänge l2 gemeinsam frequenzkonvertiert, um die dritte Wellenlänge l3 zu erzeugen.
In dem Ausführungsbeispiel wird in dem zweiten nichtlinearen Kristall eine Summenfrequenz der beiden Eingangswellenlängen lΐ und l2 gebildet. Ein Kristalltyp für dieses Ausführungsbeispiel mit einer derartigen Frequenzkonversion kann beispielweise ein LBO oder ein BBO sein. Weitere Kristalle die zur Frequenzkonversion ausgebildet sind, sind dem Fachmann geläufig. Der zweite nichtlineare Kristall X2 kann für eine kritische oder nichtkritische Phasenanpassung zur Frequenzkonversion ausgebildet sein. Der zweite nichtlineare Kristall X2 wird in einem dafür ausgebildeten (nicht gezeigten) Halter gelagert, der es beispielsweise erlaubt den zweiten nichtlinearen Kristall X2 in mehreren Richtungen zu verkippen. Das Verkippen kann manuell, beispielsweise durch Feingewindeschrauben, und/oder automatisch bzw. gesteuert, beispielsweise durch Piezo(schritt)motoren, erfolgen. Ferner ist es möglich, dass der Halter des ersten nichtlinearen Kristalls X2 heizbar bzw. temperierbar ist. In alternativen Ausführungsbeispielen kann in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 auch eine Differenzfrequenz aus der ersten Wellenlänge lΐ und der zweiten Wellenlänge l2 gebildet werden. In weiteren alternativen Ausführungsbeispielen kann in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 die zweite Wellenlänge l2 frequenzverdoppelt werden.
Der erste nichtlineare Kristall XI ist als ein planparalleler Kristall ausgebildet.
Planparallel heißt hier, dass die Eintritts- und Austrittsfläche des ersten nichtlinearen Kristalls XI im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Das Prisma P sowie der zweite nichtlineare Kristall X2 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass sich auf die Eintrittsfläche Al des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 stets ein im Wesentlicher senkrechter Einfallswinkel ergibt.
Insgesamt ergeben sich in dieser Anordnung jeweils im Wesentlichen senkrechte Einfallswinkel auf die Eintrittsflächen des ersten und des zweiten nichtlinearen Kristalls XI, X2. Wobei unter im Wesentlichen senkrecht ein Bereich von ca. 0° bis 10° verstanden wird.
Gegenüber Ansätzen bei denen ein Kristall an der Eintrittsfläche unter einem Winkel - beispielsweise unter dem Brewsterwinkel - geschnitten und/oder angeordnet ist, bietet die planparallele Ausbildung des (ersten) Kristalls und/oder der Eintrittswinkel auf den zweiten Kristall den Vorteil, dass auch unpolarisiertes Licht - beispielsweise bei Faserlasern ohne Polarisationsführung - anwendbar ist. Derart schräg verlaufende Eintrittsflächen würden für den Fall von unpolarisiertem Licht eine aufwendige und komplexe AR-Beschichtung benötigen, um möglichst verlustfrei transmittieren zu können, die so entfällt.
In Fig. la ist die Eintrittsfläche Al des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 im Wesentlichen senkrecht zu der Propagationsrichtung des ersten Strahls der ersten Wellenlänge lΐ und/oder des zweiten Strahls der zweiten Wellenlänge l2. Die Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 ist unter einem Winkel zu der Eintrittsfläche 1 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 ausgebildet.
In dem Ausführungsbeispiel ist die Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 derart ausgebildet, dass sie mit der Propagationsrichtung des Strahls der in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 erzeugten dritten Wellenlänge l3 eine Brewster-Anordnung bildet. Unter einer Brewster-Anordnung ist hier zu verstehen, dass der Strahl der dritten Wellenlänge l3 im Wesentlichen unter dem Brewster-Winkel auf die Austrittsfläche A2 (bzw. auf das entsprechende Lot der Austrittsfläche A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 auftrifft. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass eine Reflexion der dritten Wellenlänge l3 an der Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 unterdrückt wird.
Dies bietet die Möglichkeit auf eine Beschichtung auf der Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 zu verzichten.
Gleichwohl kann die Eintrittsfläche Al des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 beschichtet sein, nämlich beispielsweise mit einem Antireflexcoating für die erste Wellenlänge lΐ und die zweite Wellenlänge l2, um Reflexionen an der Eintrittsfläche Al des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 zu vermeiden.
In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 eine Beschichtung aufweist. Beispielsweise kann der Kristall eine Beschichtung für die erste Wellenlänge lΐ und die zweite Wellenlänge l2 auf der Austrittfläche A2 aufweisen.
Durch konstruktive Anpassung des Materials des Prismas P und des Apexwinkels des Prismas P auf die Brewster-Anordnung der Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 wird auf einfache Art ermöglicht, dass ein einstellbares, insbesondere rotationssymmetrisches, Strahlprofil der dritten Wellenlänge l3 erzeugt werden kann. Durch ein Verkippen des Prismas P kann auch eine „beliebige" Symmetrie des Strahlprofils erzeugt werden. Unter einer „beliebigen Symmetrie" ist hier ein einstellbares Verhältnis einer horizontalen und vertikalen Achse des Strahlprofils der dritten Wellenlänge l3 zu verstehen.
In Fig. lb ist ein Ausführungsbeispiel analog zu Fig. la gezeigt, mit dem Unterschied, dass die Position des Prismas P wie zuvor beschrieben modifiziert wurde. Durch eine derartige Translation des Prismas P kann ein Laufzeitunterschied der ersten Wellenlänge lΐ und der zweiten Wellenlänge l2 eingestellt bzw. kompensiert werden.
Unter einem Laufzeitunterschied ist hier zu verstehen, dass sich ein Auftreffzeitpunkt der ersten Wellenlänge lΐ und der zweiten Wellenlänge l2 auf das Prisma P unterscheiden, da unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich schnell durch Material propagieren. In diesem Fall also unterschiedlich schnell durch den ersten nichtlinearen Kristall XI und das Medium (beispielsweise Luft) zwischen dem ersten nichtlinearen Kristall XI und dem Prisma P. Durch die dispersive Eigenschaft des Prismas P kann dieser Laufzeitunterschied durch eine Translation des Prismas P eingestellt bzw. kompensiert bzw. überkompensiert werden, da die erste Wellenlänge lΐ und die zweite Wellenlänge l2 einen unterschiedlichen optischen Weg durch das Prisma P durchlaufen.
Durch Translation des Prismas P kann also effektiv der Entstehungsort der dritten Wellenlänge l3 im zweiten nichtlinearen Kristall X2 variiert werden. Somit lässt sich die Effizienz der Frequenzkonversion einstellen, indem die maximal mögliche Kristalllänge für die Frequenzkonversion ausgenutzt wird.
In Fig. 2 ist schematisch die Auswirkung der optischen Einheit auf ein Strahlprofil dargestellt. Die durchgezogene Kreislinie in Fig. 2 beschreibt ein Strahlprofil bevor es durch die optische Einheit beeinflusst wurde. Dabei entspricht eine Hauptachse xl, x2, x3, vorzugsweise einer horizontalen Hauptachse der ersten oder der zweiten oder der dritten Wellenlänge.
Eine zu xl, x2, x3 senkrecht stehende Hauptachse ist mit yl, y2, y3 bezeichnet und vorzugsweise eine vertikale Hauptachse des entsprechenden Strahlprofils der ersten oder der zweiten oder der dritten Wellenlänge. Die erfindungsgemäße optische Einheit kann nun einen Strahl dahingehend beeinflussen, dass - je nach Orientierung der optischen Einheit - eine Hauptachse xl, x2, x3 eines Strahlprofiles beeinflusst wird, während die dazu senkrecht ausgebildete Hauptachse yl, y2, y3 unverändert bleibt. Dieser Fall eines beeinflussten Strahlprofils ist durch die gestrichelte Linie in Fig. 2 verdeutlicht. Die beeinflusste Achse ist hierbei mit xl', x2', x3' bezeichnet. Mit den jeweils drei Bezugszeichen pro Hauptachse soll verdeutlicht werden, dass die optische Einheit die erste Wellenlänge und/oder die zweite Wellenlänge und/oder die dritte Wellenlänge im Wesentlichen gleichermaßen beeinflusst, sobald eine (oder mehrere) dieser Wellenlängen durch die optische Einheit propagiert/propagieren. Ein Drehen der optischen Einheit um eine Achse parallel zu einer Richtung der ersten Wellenlänge beeinflusst das Aspekt-Verhältnis der beteiligten Wellenlänge(n).
Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßem Frequenzkonversionsanordnung 100 ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 werden dieselben Bezugszeichen für dieselben Strahlen bzw. Elemente wie in den zuvor beschriebenen Figuren verwendet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die optische Einheit durch ein Prisma P ausgebildet, das sich vor einem ersten nichtlinearen Kristall XI befindet. Mit diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen Strahl der dritten Wellenlänge mit einer gewünschten Symmetrie - also einem gewünschten Aspekt -Verhältnis der Hauptachsen - zu erzeugen. Hierzu wird das Prisma P um eine Achse gedreht, die parallel zu einer Achse ist, die in Fig. 3 durch die Propagationsrichtung der ersten Wellenlänge lΐ vorgegeben ist.
Durch eine Rotation des Prismas P kann/können dabei ein oder mehrere Effekte, die in dem ersten nichtlinearen Kristall XI und/oder in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2 auftreten, und die das Strahlprofil der dritten Wellenlänge beeinflussen, kompensiert werden, um vorzugsweise ein rotationssymmetrisches Strahlprofil bei der dritten Wellenlänge l3 zu erzeugen. Dabei können beispielsweise Effekte wie Walk-off der zweiten Wellenlänge l2 und/oder der dritten Wellenlänge l3 und/oder ein Überschreiten des Akzeptanzwinkels im ersten nichtlinearen Kristall XI und/oder im zweiten nichtlinearen Kristall X2, kompensiert werden.
Der erste nichtlineare Kristall XI ist als ein planparalleler Kristall ausgebildet.
Planparallel heißt hier, dass die Eintritts- und Austrittsfläche des ersten nichtlinearen Kristalls XI im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Das Prisma P sowie der zweite nichtlineare Kristall X2 sind derart angeordnet und ausgebildet, dass sich auf die Eintrittsfläche Al des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 stets ein im Wesentlicher senkrechter Einfallswinkel ergibt.
Insgesamt ergeben sich in dieser Anordnung jeweils im Wesentlichen senkrechte Einfallswinkel auf die Eintrittsflächen des ersten und des zweiten nichtlinearen Kristalls XI, X2. Wobei unter im Wesentlichen senkrecht ein Bereich von ca. 0° bis 10° verstanden wird.
Gegenüber Ansätzen bei denen ein Kristall an der Eintrittsfläche unter einem Winkel - beispielsweise unter dem Brewsterwinkel - geschnitten und/oder angeordnet ist, bietet die planparallele Ausbildung des (ersten) Kristalls den Vorteil, dass auch unpolarisiertes Licht - beispielsweise bei Faserlasern ohne Polarisationsführung - anwendbar ist. Derart schräg verlaufende Eintrittsflächen würden für den Fall von unpolarisiertem Licht eine aufwendige und komplexe AR- Beschichtung benötigen, um möglichst verlustfrei transmittieren zu können, die so entfällt.
Aus denselben Gründen eignet sich eine planparallele Eintrittsfläche auch besser für überlagerte Polarisationszustände - vgl. nachfolgende Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit Fig. 6 und Fig. 7.
Die Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 ist in Fig. 3, analog zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. la und Fig. lb, im Wesentlichen in einer Brewster-Anordnung, vorzugsweise in Bezug auf die dritte Wellenlänge l3, ausgebildet, um für die dritte Wellenlänge Reflexionsverluste zu minimieren. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Anordnung der Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2 auch von der beschriebenen Brewster- Anordnung abweichen.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Systems zur Frequenzkonversion 200 schematisch dargestellt. Das System zur Frequenzkonversion 200 umfasst in dem Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Frequenzkonversionsanordnung 100, wie zuvor beschrieben. In Fig. 4 werden für die Elemente der Frequenzkonversionsanordnung 100 die identischen Bezugszeichen wie in den zuvor beschriebenen Figuren verwendet. Das System des Ausführungsbeispiels in Fig. 4 umfasst ferner eine Lasersystem L, das einen Strahl B bei der ersten Wellenlänge lΐ für eine Zuführung zu der Frequenzkonversionsanordnung 100 bereitstellt. Bevor der Strahl B der Frequenzkonversionsanordnung 100 zugeführt wird, kann eine Größe des Strahlprofils des Strahls B durch eine Strahlprofilgrößenanpassungseinheit T beeinflusst werden. In einem Ausführungsbeispiel ist es beispielsweise möglich, dass die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit ein Teleskop umfasst, das die Größe des Strahlprofils auf eine Größe von 250 pm einstellt. Ferner ist in einem alternativen Ausführungsbeispiel möglich, dass die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit durch eine einzelne Linse bereitgestellt wird, die die Größe des Strahlprofils des Strahls B an einem Ort, beispielsweise zwischen erstem nichtlinearen Kristall XI und zweiten nichtlinearen Kristall X2, einstellt.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems zur Frequenzkonversion 200 schematisch dargestellt. Das System zur Frequenzkonversion 200 umfasst in dem Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Frequenzkonversionsanordnung 100, wie zuvor in Zusammenhang mit Fig. 3 beschreiben. So ist es möglich in dem System 200 ein Aspekt-Verhältnis des Strahlprofils der ersten Wellenlänge, wie zuvor beschrieben, einzustellen.
In Fig. 5 werden für die Elemente der Frequenzkonversionsanordnung 100 die identischen Bezugszeichen wie in den zuvor beschriebenen Figuren verwendet.
Das System des Ausführungsbeispiels in Fig. 5 umfasst ferner ein Lasersystem L, das einen Strahl B bei der ersten Wellenlänge lΐ für eine Zuführung zu der Frequenzkonversionsanordnung 100 bereitstellt. Bevor der Strahl B der Frequenzkonversionsanordnung 100 zugeführt wird, kann eine Größe des Strahlprofils des Strahls B durch eine Strahlprofilgrößenanpassungseinheit T beeinflusst werden. In einem Ausführungsbeispiel ist es beispielsweise möglich, dass die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit ein Teleskop umfasst, das die Größe des Strahlprofils auf eine Größe von 250 pm einstellt.
Ferner ist es in einem alternativen Ausführungsbeispiel möglich, dass die Strahlprofilgrößenanpassungseinheit durch eine einzelne Linse bereitgestellt wird, die die Größe des Strahlprofils des Strahls B an einem Ort, beispielsweise zwischen erstem nichtlinearen Kristall XI und zweiten nichtlinearen Kristall X2, einstellt.
Zur Analyse der Dimensionierungen der Hauptachsen xl, x2, x3, xl', x2', y3' und/oder yl, y2, y3 der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Wellenlänge und/oder der Qualität der Strahlprofile dient die Strahlprofilanalyseeinheit K in den Ausführungsbeispielen aus Fig. 4 und Fig. 5. Diese wird durch eine Kamera und/oder eine M2 Analyseeinheit gebildet. Eine einzelne Wellenlänge lässt sich beispielsweise durch die Verwendung optischer Filter analysieren.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die Strahlprofilanalyseeinheit weitere Komponenten wie beispielsweise ein Spektrometer und/oder ein Powermeter umfasst, um die spektralen Eigenschaften und die Leistung der (einzelnen) Wellenlängen zu erfassen.
In einem Ausführungsbeispiel werden die von der Strahlprofilanalyseeinheit erfassten Parameter von einem Rechner ausgewertet und dabei beispielsweise eine Langzeitstabilität von einem oder mehrerer Parameter erfasst. Die dabei erfassten Parameter können auch genutzt werden, um einzelne Komponenten wie Kristallhalter und/oder die optische Einheit und/oder die
Stahlprofilgrößenanpassungseinheit elektronisch in einen Regelkreis einzubinden, um auf einen oder auf mehrere Parameter, wie vorzugsweise eine Leistungsstabilität der dritten Wellenlänge, zu regeln.
Die Ausführungsbeispiele aus Fig. 4 und Fig. 5 können auch weitere (in Fig. 4 und Fig. 5 nicht gezeigte) Komponenten umfassen. Für lange Strahlwege, beispielsweise zwischen Lasersystem L und Stahlprofilgrößenanpassungseinheit T und/oder zwischen Stahlprofilgrößenanpassungseinheit T und Frequenzkonversionsanordnung 100 und/oder zwischen erstem nichtlinearen Kristall XI und zweiten nichtlinearen Kristall X2 können mehrere Umlenkspiegel vorhanden sein, die einen oder mehrere Strahlen umlenken.
Ferner kann das gesamte System zur Frequenzkonversion 200 oder Teile davon, beispielsweise die Frequenzkonversionsanordnung 100, in einer Einhausung untergebracht sein - beispielsweise um transportabel zu sein und/oder evakuiert zu werden und/oder mit einem Gas gespült bzw. geflutet zu werden.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Frequenzkonversionsanordnung gemäß Fig. 6 wird eine Frequenzverdreifachung (third-harmonic genaration, THG) zur Erzeugung der dritten Harmonischen (dritten Wellenlänge, l3) beschrieben.
Grundsätzlich ist die Konversionseffizienz bei der Erzeugung der dritten Harmonischen in dem zweiten nichtlinearen Kristall (THG Kristall) abhängig von der Intensität und/oder dem Mischungsverhältnis der beteiligten ersten Wellenlänge lΐ und der zweiten Wellenlänge l2. Typischerweise liegt das Mischungsverhältnis (der Intensitäten) in etwa bei 1/3 : 2/3 (erste Wellenlänge zu zweite Wellenlänge), was einer theoretischen (Konversions-)Effizienz von bis zu 100% entsprechen kann. Ein (ideales) Mischungsverhältnis hängt aber von vielen Parametern, wie der Leistung und/oder der Intensität der beteiligten Wellenlängen oder Kristallparametern bzw. verwendeten Wellenlängen(bereichen) ab, so dass kein exakter Wert für ein (ideales) Mischungsverhältnis angegeben werden kann.
Da die beteiligten Strahlen (der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge) überwiegend ein gaußförmiges Intensitätsprofil aufweisen, kommt es auf Grund der Konversion zu einer Deformation des gaußförmigen Intensitätsprofils der ersten Wellenlänge lΐ nach der Frequenzverdopplung in dem ersten nichtlinearen Kristall. Diese Deformation bringt einen Nachteil für die Konversionseffizienz in der anschließenden Summenfrequenz in dem zweiten nichtlinearen Kristall. Ferner kann sich diese Deformation negativ auf die Strahlqualität der dritten Wellenlänge l3 auswirken - beispielsweise kann der Strahl der dritten Wellenlänge dadurch schlechte M2-Werte erlangen.
Um dies zu vermeiden, kann eine Konversionseffizienz in dem ersten nichtlinearen Kristall „nicht optimal" (d.h. eine bewusst nicht maximale Konversionseffizienz) gewählt werden, um die Strahlqualität der beteiligten Wellenlängen, insbesondere ein Strahlprofil der dritten Wellenlänge, zu optimieren und/oder die Effizienz der Konversion zur dritten Wellenlänge dadurch zu verbessern.
Flierzu umfasst die Frequenzkonversionsanordnung in Fig. 6 eine erste l/2 Wellenplatte HWP1, die vor dem ersten nichtlinearen Kristall X1(I) angeordnet ist.
Die erste Wellenplatte HWP1 ist dazu ausgebildet, einen überlagerten Polarisationszustand aus vertikaler und horizontaler Polarisation für die erste Wellenlänge lΐ zu erzeugen.
In dem Ausführungsbeispiel ist die erste Wellenlänge lΐ eingangs vertikal polarisiert.
Dieser Polarisationszustand sowie die weiteren Polarisationszustände im Verlauf durch die Frequenzkonversionsanordnung sind in Fig. 6 unten durch entsprechende Pfeile verdeutlicht.
Die erste Wellenlänge lΐ bzw. der vertikal polarisierte Anteil (des überlagerten Polarisationszustands) der ersten Wellenlänge lΐ wird in dem ersten nichtlinearen Kristall X1(I) frequenzverdoppelt zu der zweiten Wellenlänge l2.
Der erste nichtlineare Kristall X1(I) ist hier ein Typ I Kristall. Der erste nichtlineare Kristall X1(I) ist ein planparalleler Kristall. Planparallel heißt hier, dass die Eintritts- und Austrittsfläche des Kristalls im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Wir zuvor beschrieben, erfährt der konvertierte Anteil (der an der Konversion beteiligte Anteil) der ersten Wellenlänge lΐ eine Deformation in dem entsprechenden Intensitätsprofil. Daher ist der konvertierte Anteil für einen anschließenden Mischprozess (in diesem Fall die Erzeugung der dritten Harmonischen) nur bedingt geeignet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel soll der konvertierte Anteil daher nicht für die Erzeugung der dritten Harmonischen in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2(II) verwendet werden.
Stattdessen soll der unkonvertierte Anteil der ersten Wellenlänge lΐ - der Anteil der ersten Wellenlänge der nicht an der Konversion zur zweiten Wellenlänge l2 beteiligt ist - zur Erzeugung der dritten Wellenlänge l3 verwendet werden.
Der zweite nichtlineare Kristall X2(II) ist hier ein Typ II Kristall mit einer Austrittsfläche A2, die schräg gegenüber einer Austrittsfläche Al des zweiten nichtlinearen Kristalls X2(II) verläuft. Aus der schräg verlaufenden Austrittsfläche A2 ergeben sich - in Verbindung mit der optischen Einheit bzw. dem Prisma P - die gleichen Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben wurden.
Der konvertierte Anteil lΐ* der ersten Wellenlänge lΐ ist vertikal polarisiert, während die zweite Wellenlänge l2 horizontal polarisiert ist.
Die Frequenzkonversionsanordnung kann einen (polarisierenden) Strahlteiler S umfassen, der dazu ausgebildet ist, den (vertikal polarisierten) konvertierten Anteil lΐ* der ersten Wellenlänge lΐ aus dem Strahlengang herauszuspiegeln.
Dies hat speziell bei hohen Leistungen den Vorteil, dass der zweite nichtlineare Kristall nicht permanent unnötiger Belastung ausgesetzt ist, was eine Degradierung des Kristalls beschleunigen würde.
Der Strahlteiler S ist ferner zur Transmission des unkonvertierten (horizontal polarisierten) Anteils der ersten Wellenlänge lΐ ausgebildet.
Der Strahlteiler S kann beispielsweise als Strahlteilerwürfel ausgebildet sein.
Nach dem Strahlteiler S weist die erste und die zweite Wellenlänge jeweils eine horizontale Polarisation auf.
Die Frequenzkonversionsanordnung umfasst ferner eine zweite l/2 Wellenplatte HWP2, die zwischen dem ersten nichtlinearen Kristall X1(I) und dem zweiten nichtlinearen Kristall X2(II) (nach dem Strahlteiler S) angeordnet ist. Die zweite Wellenplatte HWP2 ist derart ausgebildet, die Polarisation der ersten Wellenlänge lΐ zu beeinflussen (entsprechend ihrer Rotation zu drehen) und die Polarisation der zweiten Wellenlänge l2 unbeeinflusst zu lassen.
Mit Hilfe der zweiten Wellenplatte HWP2 kann die Polarisation der ersten Wellenlänge lΐ (bzw. des im Strahlengang verbleibenden Anteils der ersten Wellenlänge) für einen Typ II Mischprozess zur Erzeugung der dritten Harmonischen im zweiten nichtlinearen Kristall X2(II) eingestellt werden.
Anschließend werden erste Wellenlänge lΐ und zweite Wellenlänge l2 im zweiten nichtlinearen Kristall X2(II) zur Erzeugung der dritten Wellenlänge l3 überlagert.
In einer Alternative dieses Ausführungsbeispiels kann auf die Verwendung des Strahlteilers S verzichtet werden.
Hierbei verbleibt konvertierte (vertikal polarisierte) Anteil lΐ* der ersten Wellenlänge lΐ in dem Strahlengang, allerdings wird seine Polarisation durch die zweite Wellenplatte HWP2 derart gedreht, dass dieser Anteil nicht an der Erzeugung der dritten Wellenlänge teilnimmt.
Dabei wird gleichzeitig die Polarisation des unkonvertierten Anteils der ersten Wellenlänge lΐ, derart gedreht, dass der unkonvertierte Anteil der ersten Wellenlänge lΐ für die Erzeugung der dritten Wellenlänge l3 verwendet wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Frequenzkonversionsanordnung bei der der zweite nichtlineare Kristall als ein Typ I Kristall ausgebildet ist, wird in Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben.
Das in Fig. 7 gezeigte Ausführungsbeispiel der Frequenzkonversionsanordnung stimmt im Wesentlichen mit den der zuvor im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebenen Ausführungsform überein.
Allerdings entfällt hier auf Grund der Typ I Phasenanpassung im zweiten nichtlinearen Kristall X2(I) die zweite Wellenplatte HWP2.
Wie zuvor in Zusammenhang mit Fig. 6 beschreiben, kann der konvertierte Anteil der ersten Wellenlänge mit Hilfe des Strahlteilers S ausgespiegelt werden.
Nach dem Strahlteiler S weist die erste und die zweite Wellenlänge nach dem Strahlteiler S jeweils eine horizontale Polarisation auf. Dies hat den Vorteil keine weitere (zweite) Wellenplatte verwenden zu müssen, da die Polarisationen der beteiligten Wellenlängen bereits den benötigten Polarisationen für eine Typ I Phasenanpassung in dem zweiten nichtlinearen Kristall X2(I) angepasst sind.
Die Verwendung eines Typ I Kristalls zur Erzeugung der dritten Wellenlänge l3 (der dritten Harmonischen) führt zu Vorteilen bezüglich der Konversionseffizienz, allerdings grundsätzlich zu einer verringerten Symmetrie des Strahlprofils der dritten Wellenlänge l3 - diese kann allerdings durch geeignete Wahl des Prismas P und/oder dem Winkel der Austrittsfläche A2 des zweiten nichtlinearen Kristalls X2(I) ausgeglichen werden.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann in einer Alternative auf die Verwendung des Strahlteilers S, wie dies in Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben wurde, verzichtet werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere der in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden.
Bezuaszeichenliste
100 Frequenzkonversionsanordnung
200 System zur Frequenzkonversion lΐ (Strahl der) erste(n) Wellenlänge l2 (Strahl der) zweite(n) Wellenlänge l3 (Strahl der) dritte(n) Wellenlänge
P optische Einheit
XI erster nichtlinearer Kristall
X2 zweiter nichtlinearer Kristall
Al Eintrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls A2 Austrittsfläche des zweiten nichtlinearen Kristalls
L Lasersystem
B Strahl des Lasersystems
T Stahl profilgrößenanpassungseinheit
K Strahlprofilanalyseeinheit xl, x2, x3 erste Hauptachse eines Strahlprofils xT, x2', x3' beeinflusste erste Hauptachse eines Strahlprofils yl, y2, y3 zweite Hauptachse eines Strahlprofils
S Strahlteiler
HWP1, HWP2 Wellenplatten (L/2-Platten)
X1(I) erster nichtlinearer Kristall, Typ I
X2(I) zweiter nichtlinearer Kristall, Typ I
X2(II) zweiter nichtlinearer Kristall, Typ II

Claims

ANSPRÜCHE
1. Frequenzkonversionsanordnung (100) zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, insbesondere eines Strahlprofils und/oder einer Langzeitstabilität, wobei die Anordnung umfasst: einen ersten nichtlinearen Kristall (XI), der derart ausgebildet ist, eine erste Wellenlänge (lΐ) teilweise in eine zweite Wellenlänge (l2) zu konvertieren; und eine optische Einheit, die insbesondere mindestens ein Prisma (P) umfasst, die derart ausgebildet ist, Strahlprofile der ersten Wellenlänge (lΐ) und/oder der zweiten Wellenlänge (l2) in ihren jeweiligen Hauptachsen (xl, yl, x2, y2) unterschiedlich zu beeinflussen; und einen zweiten nichtlinearen Kristall (X2), der derart ausgebildet ist, eine dritte Wellenlänge (l3) aus dem nicht konvertiertem Teil der ersten Wellenlänge (lΐ) und/oder der zweiten Wellenlänge (l2) zu erzeugen, wobei der zweite nichtlineare Kristall (X2) eine Eintrittsfläche (Al) und eine Austrittsfläche (A2) aufweist und die Austrittsfläche (A2) schräg zu der Eintrittsfläche (Al) verläuft.
2. Frequenzkonversionsanordnung (100) nach Anspruch 1, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die optische Einheit mindestens ein Prisma (P) umfasst, das um mindestens eine Achse drehbar ist, um die jeweiligen Hauptachsen (xl, yl, x2, y2) der Strahlprofile unterschiedlich zu beeinflussen.
3. Frequenzkonversionsanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass ein/das Prisma (P) der optischen Einheit transversal derart verschiebbar ist, um einen Laufzeitunterschied (At) zwischen der ersten Wellenlänge (lΐ) und der zweiten Wellenlänge (l2) kontinuierlich einzustellen und/oder zu kompensieren.
4. Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die zweite Wellenlänge (l2) die zweite Harmonische der ersten
Wellenlänge (lΐ) ist.
5. Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die dritte Wellenlänge (l3) eine Wellenlänge ist, die der zweiten
Harmonischen der ersten Wellenlänge (lΐ) oder der zweiten Harmonischen der zweiten Wellenlänge (l2) oder der Summen- bzw. Differenzfrequenz aus der ersten Wellenlänge (lΐ) und/oder der zweiten Wellenlänge (l2) entspricht.
6. Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls (X2) im Wesentlichen in einer Brewster-Anordnung, vorzugsweise bezüglich der dritten Wellenlänge (l3), angeordnet ist.
7. Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die optische Einheit, insbesondere durch einen Apexwinkel und ein Material des Prismas (P), derart auf die schräg verlaufende Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls (X2) abgestimmt ist, um für die dritte Wellenlänge (l3) ein rotationssymmetrisches Strahlprofil, insbesondere unabhängig von der Symmetrie des Strahlprofils der ersten Wellenlänge (lΐ) und/oder der zweiten Wellenlänge (l2), zu erzeugen.
8. Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls unbeschichtet ist.
9. Frequenzkonversionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls beschichtet ist, vorzugsweise mit einem Antireflexcoating für die erste Wellenlänge (lΐ) und/oder die zweite (l2) Wellenlänge und/oder die dritte Wellenlänge (l3) und/oder einem p-coating.
10. Frequenzkonversionsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die Austrittsfläche (A2) des zweiten nichtlinearen Kristalls nanostrukturiert ist.
11. System (200) zur Frequenzkonversion eines Lasers umfassend: eine Frequenzkonversionsanordnung (100) gemäß mindestens einem der vorherigen Ansprüche; ein Lasersystem (L), das einen Strahl (B) mit der ersten Wellenlänge (lΐ) erzeugt; und eine Strahlprofilgrößenanpassungseinheit (T), die derart ausgebildet ist, die Größe des Strahlprofils des Strahls (B) anzupassen; wobei das Strahlprofil nach der Anpassung der Größe durch die Stahlprofilgrößenanpassungseinheit (T), der Frequenzkonversionsanordnung (100) zugeführt wird.
12. System (200) nach Anspruch 11, g e ke n n ze i c h n et durch eine Strahlprofilanalyseeinheit (K) zur Vermessung der Dimensionierungen der jeweiligen Hauptachsen (xl, yl, x2, y2, x3, y3) des jeweiligen Strahlprofils der ersten Wellenlänge (lΐ) und/oder der zweiten (l2) Wellenlänge und/oder der dritten Wellenlänge (l3), wobei die Strahlprofilanalyseeinheit (K) insbesondere mindestens eine Kamera und/oder eine M2-Analyseeinheit umfasst.
13. System (200) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass die Größe des Strahlprofils des Strahls (B) vor der Frequenzkonversionsanordnung einen Durchmesser von mindestens 250 pm, vorzugsweise mindestens 500 pm, weiter vorzugsweise mindestens 1.000 pm, aufweist.
14. System (200) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u rc h g e ke n n ze i c h net, dass das Lasersystem (L) ein gepulstes Lasersystem ist, vorzugsweise mit Pulsdauern im Mikrosekundenbereich, weiter vorzugsweise im Nanosekundenbereich, noch weiter vorzugsweise im Pikosekundenbereich.
15. System (200) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass das Lasersystem (L) ein Dauerstrichlasersystem ist.
16. Frequenzkonversionsverfahren zur Optimierung von Eigenschaften einer Harmonischen eines Lasers, insbesondere eines Strahlprofils und/oder einer Langzeitstabilität, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: einen ersten Konversionsschritt, in dem eine erste Wellenlänge (lΐ) teilweise in eine zweite Wellenlänge (l2) in einem ersten nichtlinearen Kristall (XI) konvertiert wird; einen Strahlprofilanpassungsschritt, indem die Strahlprofile der ersten Wellenlänge (lΐ) und/oder der zweiten Wellenlänge (l2) in ihren jeweiligen Hauptachsen (xl, yl, x2, y2) unterschiedlich beeinflusst werden; einen zweiten Konversionsschritt, in dem eine dritte Wellenlänge (l3) aus dem nicht konvertiertem Teil der ersten Wellenlänge (lΐ) und/oder der zweiten Wellenlänge (l2) in einem zweiten nichtlinearen Kristall (X2) erzeugt wird, wobei der zweite nichtlineare Kristall (X2) eine Eintrittsfläche (Al) und eine Austrittsfläche (A2) aufweist und die Austrittsfläche (A2) schräg zu der Eintrittsfläche (Al) verläuft.
17. Frequenzkonversionsverfahren nach Anspruch 16, wobei der Strahlprofilanpassungsschritt durch Drehen mindestens eines Prismas (P) um mindestens eine Achse erfolgt.
18. Frequenzkonversionsverfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei ein Aspekt-Verhältnis des Strahls der dritten Wellenlänge (l3) durch den Strahlprofilanpassungsschritt kontinuierlich einstellbar ist.
19. Frequenzkonversionsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, umfassend einen Schritt zum Einstellen einer Intensität eines an dem ersten und/oder dem zweiten Konversionsschritt beteiligten Anteils der ersten Wellenlänge (lΐ).
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