WO2022189223A1 - Frequenzumwandelndes lasergerät - Google Patents

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Wolfgang SCHÜSSLBAUER
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Photon Energy Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a frequency-converting laser device, i.e. an optical device for generating and optionally for guiding, shaping, converting and/or amplifying a laser beam.
  • Solid-state lasers are often used for industrial applications such as engraving or inscribing using laser radiation, i.e. laser devices whose active optical medium is formed by a crystalline or glass-like (i.e. amorphous) solid.
  • the light generated by such solids is usually in the infrared range, especially at wavelengths above 800 nm.
  • no suitable (particularly commercially replaceable) solid materials have been available to date for the generation of shorter-wave light, as is required for many applications .
  • a conventional method to generate laser light in the green, blue, violet or ultraviolet spectral range using a solid-state laser is what is known as frequency conversion.
  • part of the light initially generated in a fundamental frequency (also: base frequency) is converted into light of a different frequency by an (optically) non-linear medium.
  • the frequency of the converted light is often a multiple of the fundamental frequency, in particular two or three times the fundamental frequency.
  • the frequency converted light is coherent with the fundamental frequency light from which it originates and is emitted in the same direction.
  • the non-linear medium is often arranged in the resonator cavity of the laser device, so that the frequency-converted light is produced in the resonator.
  • this method of frequency conversion is therefore also referred to as "Intra Cavity Nonlinear Frequency Conversion".
  • the light of the fundamental frequency passes through the non-linear medium on its way between the resonator mirrors in both directions, with frequency conversion taking place in each case.
  • the frequency-converted light is emitted by the nonlinear medium not only in the forward direction (ie towards the output coupling mirror of the resonator), but also in the reverse direction (ie towards the opposite end mirror of the resonator).
  • the portion of the frequency-converted light emitted in the forward direction can be used easily by coupling out of the resonator
  • the portion of the frequency-converted light emitted in the reverse direction usually represents an unwanted interference signal, since this light is caused by negative interference with the frequency-converted light emitted in the forward direction
  • Light affects the efficiency and stability of laser activity.
  • the portion of the frequency-converted light emitted in the reverse direction leads to increased stress (and thus increased wear) on the components of the resonator, in particular the active medium.
  • frequency-converting laser devices are sometimes equipped with a kinked resonator.
  • a deflection mirror is arranged between the two resonator mirrors, which deflects the light of the fundamental frequency and thus divides the resonator into two arms.
  • the active medium is arranged in one arm of the kinked resonator, while the non-linear medium is arranged in the second arm.
  • the deflection mirror is permeable for the frequency of the converted light. What is achieved here is that the converted light only circulates in the second arm of the resonator.
  • the deflection mirror can also be used to decouple the converted light from the resonator.
  • the deflection mirror can alternatively - in an extension of the second resonator arm - be arranged downstream of a third resonator mirror, which throws back the frequency-converted light transmitted through the deflection mirror in the second resonator arm.
  • the second resonator arm thus forms, together with the third resonator mirror, its own resonator cavity for the frequency-converted light, which forces a resonant frequency conversion.
  • Such kinked resonators require high production costs due to the significantly higher complexity of the structure, which limits the commercial usability of corresponding laser devices.
  • active stabilization measures are often necessary in order to match the length of the two resonator arms or resonator cavities to one another.
  • kinked resonators take up a comparatively large amount of space, which also limits the usability of corresponding laser devices.
  • the invention is based on the object of specifying an effective, but at the same time simple to implement, frequency-converting laser device.
  • the laser device comprises, in a conventional manner, an optical resonator which has two resonator mirrors, namely an output mirror and an end mirror.
  • the outcoupling mirror represents the front side of the resonator. Accordingly, the propagation direction of the light thrown onto the outcoupling mirror is referred to as the "forward direction”.
  • Light hitting the end mirror propagates in the “reverse direction”.
  • the resonator also includes an optically active medium (laser medium) that generates light at a first frequency during operation of the laser device.
  • the first frequency is also referred to as the "fundamental frequency”.
  • the light of the first frequency is correspondingly referred to as "fundamental wave”.
  • the laser device includes an (optically) non-linear medium which, during operation of the laser device, converts light of the first frequency, in other words a part of the fundamental wave, into light of a different frequency.
  • the other frequency is preferably, but not necessarily, an integer multiple of the fundamental frequency, in particular twice, three times or four times.
  • the frequency-converted light of the other frequency is generally referred to below as “converted wave” to distinguish it from the fundamental wave. If the other frequency is an integer multiple of the fundamental frequency, the frequency-converted light is also referred to as a "harmonic wave” or "harmonic” for short.
  • the frequency-converted light is also referred to as the "second harmonic", in the case of a frequency trebling as the "third harmonic", etc.
  • the output mirror is designed in such a way that it is transparent to the converted wave (entirely or at least partially).
  • both resonator mirrors are preferably impermeable to the fundamental wave.
  • the optically non-linear medium is placed inside the resonator. Both the optically active medium and the optically non-linear medium are therefore arranged in a beam path between the resonator mirrors.
  • the laser device now includes, in addition to the parts described above, a (first) polarization-influencing laser optics, which polarizes the light of the first frequency (i.e. the fundamental wave) reflected by the output mirror in the direction of the end mirror in such a way that a frequency conversion of this polarized light takes place during Passage through the non-linear re medium is suppressed.
  • This first polarization-influencing laser optics (hereinafter referred to as “(first) polarizer” without loss of generality) is in particular between the non-linear medium and the decoupling mirror in the beam path of the resonator.
  • the first polarizer causes the fundamental wave propagating backwards through the nonlinear medium to cause no frequency conversion, or at least a weaker frequency conversion than in the absence of the first polarizer.
  • the frequency conversion caused by the fundamental wave passing through the non-linear medium in the reverse direction is minimized in particular by suitable polarization of the fundamental wave.
  • polarization or “polarize” is generally understood to mean a change in the polarization properties.
  • the light polarized by the first polarizer therefore has different polarization properties than before.
  • a polarization direction of the fundamental wave is rotated, linear polarization is converted into circular polarization, or circular polarization is converted into linear polarization by the first polarizer.
  • Type I frequency conversion
  • Type II frequency conversion
  • Optically nonlinear media that, by their nature and/or configuration, cause a "Type I” or “Type II” frequency conversion are also referred to hereinafter as “Type I” or “Type II media” for short (in the case of nonlinear optical crystals as “Type I” or “Type II crystals”).
  • the invention is based on the finding that, in particular, type I frequency conversion in optically nonlinear media regularly has a pronounced dependence on the polarization of the incident light. Light of a specific polarization direction is converted with maximum effectiveness. converted while light of a polarization direction perpendicular thereto with minimal effectiveness or even not converted at all. This effect is exploited according to the invention in order to increase the efficiency of the resonator.
  • the laser device comprises, in addition to the first polarizer described above, a second polarization-influencing laser optics, which is referred to below (again without loss of generality) as the “second polarizer” for short.
  • This second polarizer has an opposite effect compared to the first polarizer in that it polarizes the light of the first frequency propagating in the direction of the output mirror (i.e. the fundamental wave propagating in the forward direction) in such a way that a frequency conversion of this polarized light occurs when it passes through the nonlinear medium promoted, in particular maximized.
  • the second polarizer which is arranged in particular between the laser medium and the non-linear medium in the beam path of the resonator, thus causes the fundamental wave propagating in the forward direction through the non-linear medium to produce a greater frequency conversion than in the absence of the first polarizer.
  • the first polarizer and - if present - also the second polarizer are preferably a wave plate (also: retardation plate), in particular a 1/4 plate, or a polarization rotator, eg a Faraday rotator, a quartz crystal rotator or a liquid crystal rotator.
  • the two polarizers can be of the same type or of different types within the scope of the invention.
  • a 1/4 plate is used as the first polarizer. Chen and used as a second polarizer polarization rotator.
  • the polarization rotator is designed in particular in such a way that it rotates the direction of polarization of the incident fundamental wave by 45°.
  • both the first polarizer and the second polarizer are each formed by a polarization rotator.
  • These polarization rotators are also designed in particular in such a way that they each rotate the polarization direction of the incident fundamental wave by 45°.
  • the concentration of the frequency conversion achieved by the at least one polarizer on the fundamental wave traveling in the forward direction enables a simple design of the resonator without having to accept poor resonator efficiency.
  • a kinked design of the resonator is neither necessary nor preferred.
  • the resonator has a linear beam path; i.e. the resonator mirrors, the laser medium, the optically non-linear medium and the or each polarizer are lined up along a straight optical axis. Due to this simple structure, a high level of stability of the laser beam generated during operation of the laser device is achieved with comparatively little effort. Active stabilizers are not necessary and therefore not provided in a preferred embodiment of the invention.
  • the laser device in a preferred embodiment includes, in addition to the first polarizer and - if present - the second polarizer, a third polarization-influencing laser optics (also referred to as "third polarizer"), which are connected downstream of the output mirror and thus outside of the resonator is arranged.
  • a third polarization-influencing laser optics also referred to as "third polarizer”
  • This third polarizer is designed to compensate for the influence of the first polarizer on the converted wave (and thus on the laser beam coupled out of the resonator). In other words the effect of the first polarizer on the converted wave is reversed by the third polarizer.
  • the first polarizer and the third polarizer are formed by 1/4 plates which are identical in construction but are rotated relative to one another by 90° around the optical axis.
  • the term "l/4" refers to the wavelength of the fundamental wave for both polarizers.
  • the laser device within the scope of the invention can be operated as a continuously emitting laser (CW laser) or as a pulsed laser.
  • CW laser continuously emitting laser
  • pulsed laser pulsed laser
  • the laser device is preferably a q-switched laser.
  • the laser device also includes a q-switch arranged in the beam path of the resonator, in particular between the laser medium and the non-linear medium or - if present - the second polarizer, through which the quality of the Resonators can be changed.
  • the Q-switch is preferably an active Q-switch based, for example, on an electro-optical functional principle (e.g. Pockels cell, Kerr cell or electro-optical modulator) or an acousto-optical functional principle (e.g. Bragg cell).
  • the laser device can also contain a passive Q-switch, in particular in the form of a semiconductor absorber mirror (SESAM) or a non-linear crystal (e.g. a Cr:YAG crystal).
  • the laser device is a mode-locked laser.
  • the laser device is preferably a solid-state laser.
  • the active optical medium preferably contains a solid body, in particular a neodymium-doped yttrium orthovanadate crystal (Nd:YVO 4 crystal).
  • the non-linear medium preferably includes a medium adapted for Type I frequency conversion (ie frequency conversion in Type I phase-match configuration) in terms of its type and/or configuration, eg orientation to the direction of propagation of the incident wave.
  • the medium is preferably a solid, namely an optically nonlinear (type I) crystal, in particular a crystal of lithium triborate (LBO).
  • the non-linear medium has at least two optically non-linear crystals, in particular LBO crystals, connected downstream of one another, in particular for the generation of higher harmonics of the first fundamental wave.
  • a first of the two crystals is a crystal in a Type I phase-match configuration.
  • This first crystal serves to generate a first converted wave of medium frequency (e.g. twice the frequency of the fundamental frequency) from the fundamental wave.
  • the second crystal which is used in particular to generate a second converted wave of higher frequency (e.g. a wave with three times the fundamental frequency) with the interaction of the fundamental wave and the first converted wave, can in principle also be replaced by a crystal in a type I Be formed phase match configuration.
  • a crystal in a Type II phase-match configuration is used for the second crystal.
  • Fig. 1 in a schematically simplified representation of the basic principle of a laser device according to the invention
  • FIG. 2 in representation according to FIG. 1, a first specific embodiment of the laser device and
  • FIG. 3 shows a second specific embodiment of the laser device in a representation according to FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a roughly schematic view of a laser device 2 with an optical resonator 4.
  • the resonator 4 is formed by two resonator mirrors 6, 8, namely a decoupling mirror 6 and an end mirror 8. It also includes a (laser) medium 10, which is energetically excited (“pumped”) during operation of the laser device 2 by means of a pump device 12, only indicated in FIG. 1, by supplying light or electrical energy.
  • a (laser) medium 10 which is energetically excited (“pumped”) during operation of the laser device 2 by means of a pump device 12, only indicated in FIG. 1, by supplying light or electrical energy.
  • the laser medium 10 excited by the pumping device 12 emits light of a fundamental frequency f i which travels between the resonator mirrors 6, 8 in a forward direction 14 (aligned from the end mirror 8 to the output mirror 6) and in a forward direction 14 (from the output mirror 6 to the end mirror 8 aligned) reverse direction 16 circulates.
  • a fundamental frequency f i which travels between the resonator mirrors 6, 8 in a forward direction 14 (aligned from the end mirror 8 to the output mirror 6) and in a forward direction 14 (from the output mirror 6 to the end mirror 8 aligned) reverse direction 16 circulates.
  • the fundamental wave F the output mirror 6 and the end mirror 8 are impermeable (within the quality of the resonator mirror 6.8 realized in terms of production technology).
  • an optically nonlinear medium 18 is arranged in the resonator 4, which converts part of the fundamental wave F into light of a second frequency f2 during operation of the laser device 2.
  • the frequency-converted light of the second frequency f2 is therefore referred to as harmonic wave H below.
  • the outcoupling mirror 6 is designed in such a way that it is transparent to the harmonic wave H (completely or at least as far as possible within the framework of the achievable quality of the outcoupling mirror 6).
  • the non-linear medium 18 is arranged within the resonator 4, ie between the resonator mirrors 6.8.
  • a first polarizer 20 is connected between the non-linear medium 18 and the output mirror 6 .
  • This first polarizer 20 influenced in the Operation of the laser device 2 changes the polarization of the fundamental wave F reflected by the output mirror 6 and thus propagating in the reverse direction 16 in such a way that the fundamental wave F polarized in this way passes through the non-linear medium 18 in the reverse direction 16 without triggering a frequency conversion.
  • the polarization of the fundamental wave F by means of the first polarizer 20 thus suppresses emission of frequency-converted light in the reverse direction 16 .
  • a second polarizer 22 is connected between the laser medium 10 and the non-linear medium 18 .
  • this second polarizer 22 influences the polarization of the fundamental wave F emitted by the laser medium 10 in the forward direction 14 in such a way that the fundamental wave F polarized in this way triggers maximum frequency conversion when it passes through the nonlinear medium 18.
  • the polarization of the fundamental wave F by means of the second polarizer 22 thus maximizes the emission of frequency-converted light in the forward direction 14 .
  • the interaction of the two polarizers 20 and 22 ensures that the harmonic wave H is emitted by the non-linear medium 18 with maximum intensity exclusively in the forward direction 14 .
  • the harmonic wave H is coupled out of the resonator 4 when it strikes the coupling-out mirror 6, as a result of which a laser beam L with the second frequency f2 is generated.
  • the end mirror 8, the laser medium 10, the second polarizer 22, the non-linear re medium 18, the first polarizer 20 and the output mirror 6 are arranged downstream of one another along a straight optical axis 23 and thus along a linear beam path.
  • FIG. 2 shows a first specification of the laser device 2, which is shown only generally in FIG.
  • the laser device 2 shown in FIG. 2 is a solid-state laser that uses a neodymium-doped laser medium 10 yttrium orthovanadate crystal (Nd:YV04 crystal 24).
  • Nd:YV04 crystal 24 a neodymium-doped laser medium 10 yttrium orthovanadate crystal
  • the fundamental wave F emitted by the laser medium 10 in the forward direction 14 is linearly polarized with a polarization direction to which the angle 0° is assigned here and below.
  • the pump device 12 is formed by a diode laser 26, which optically excites the Nd:YV04 crystal 24 with a pump laser beam P.
  • the second polarizer 22 downstream of the Nd:YV04 crystal 24 in the forward direction 14 is designed as a Faraday rotator 28, which rotates the direction of polarization of the fundamental wave F by an angle of 45°.
  • the optically non-linear medium 18 is formed here by a crystal, namely a lithium triborate crystal (LBO crystal 30) in a type I phase-match configuration, which causes a frequency doubling of the fundamental frequency fi.
  • the harmonic wave H generated by the LBO crystal 30 is the second harmonic H2 of the fundamental wave F, which has a wavelength l2 of 532 nm and is therefore in the spectral range of green visible light.
  • the LBO crystal 30 is also aligned in the beam path of the resonator 4a in such a way that it converts the light of the fundamental frequency fi into the light of the second frequency f2 with maximum efficiency if the light of the fundamental frequency fi is linearly polarized with a polarization direction of 45°.
  • the Faraday rotator 28 and the LBO crystal 30 are thus matched to one another in such a way that the efficiency of the frequency doubling for the passage of the fundamental wave F through the LBO crystal 30 in the forward direction 14 is maximized.
  • the second polarizer 22 downstream of the LBO crystal 30 in the forward direction 14 is formed in the example from FIG.
  • the 1/4 plate 32 is arranged in the beam path of the resonator 4 in such a way that it (re)polarizes the fundamental wave F incident in the forward direction 14 as a linearly polarized wave with a polarization direction of 45° into a circularly polarized light wave.
  • the fundamental wave F is reflected at the downstream output mirror 6 and is thus thrown back onto the 1/4 plate 32 in the reverse direction 16 .
  • the fundamental wave F incident in the reverse direction 16 as a circularly polarized light wave is now polarized by the 1/4 plate 32 into a linearly polarized light wave with a polarization direction of 135° (um).
  • the fundamental wave F polarized in this way now passes through the LBO crystal 30 in the reverse direction 16 . Due to the anisotropy of the LBO crystal 30 and the polarization of the fundamental wave F, the frequency doubling efficiency for the fundamental wave F propagating in the reverse direction 16 is minimized.
  • the direction of polarization of the fundamental wave F is again rotated by 45°.
  • the fundamental wave F thus leaves the Faraday rotator 28 in the reverse direction 16 as a linearly polarized wave with a polarization direction of 180°, which corresponds to the original polarization direction of 0°.
  • the fundamental wave F is thrown back onto the laser medium 10 (ie the Nd:YVO 4 crystal 24) and the cycle described above begins again.
  • the second harmonic H2 is emitted by the LBO crystal 30 (at least approximately) exclusively in the forward direction 14.
  • the second harmonic H2 is initially present as a linearly polarized light wave with a direction of polarization direction of 135°. Since the 1/4 plate 32 is tuned to the fundamental wave F (and the associated wavelength li), it has no defined polarization-influencing effect on the second Flarmonic H2. The second Flarmonic H2 is therefore present after passing through the 1/4 plate 32 with indeterminate polarization properties.
  • the second Flarmonic FH2 is coupled out of the resonator 4 via the coupling-out mirror 6 in order to form the laser beam L.
  • a third polarizer 34 in the form of a further 1/4 plate 36 is connected downstream of the output mirror 6 outside of the resonator 4 .
  • This additional 1/4 plate 36 is constructed in the same way as the 1/4 plate 32 and is therefore also tuned to the wavelength 11 of the fundamental wave F. However, it is rotated by 90° about the optical axis 23 in relation to the 1/4 plate 32 .
  • the additional 1/4 plate 36 thereby compensates for the effect of the 1/4 plate 32 on the second Flarmonic FH2.
  • the laser device 2 from FIG. 2 is designed as a Q-switched, pulsed-operated laser.
  • the laser device 2 has a Q-switch 38 as a further component, which, in the representation according to FIG. is interposed.
  • the Q-switch 38 is designed as an example of an acousto-optical modulator 40 (Bragg cell).
  • the quality of the resonator 4 is reduced at intervals by the Q-switch 38 between two laser pulses, so that the laser activity of the resonator 4 is prevented and thus a particularly strong excitation of the laser medium 10 (i.e. the Nd:YV04 crystal 24) is enforced.
  • the quality of the resonator 4 is temporarily increased by the quality switch, so that the laser activity begins.
  • the laser device 2 is operated as a mode-locked laser.
  • This quality modulator modulates the quality of the resonator 4 with a frequency that corresponds to the round trip time of a pulse in the resonator 4 .
  • the course of the fundamental wave F and the harmonic wave H is indicated schematically in FIG. 2 below the resonator 4 for the purpose of clarification.
  • the embodiment of the laser device 2 shown in FIG. 3 differs from the embodiments described with reference to FIG. 2 in that the optically non-linear medium 18 has a second crystal made of lithium triborate (LBO crystal 42) in addition to the frequency-doubling LBO crystal 30. has, which is connected between the LBO crystal 30 and the first polarizer 20 (here again in the form of the 1/4 plate 32) in the beam path of the resonator 4.
  • LBO crystal 42 lithium triborate
  • This frequency tripled light is emitted from the LBO crystal 42 as the third harmonic H3. It has a wavelength l3 of 354 nm and is in the ultraviolet region of the electromagnetic spectrum.
  • both the second harmonic H2 and the third harmonic H3 are coupled out of the resonator 4 via the coupling mirror 6 .
  • the second LBO crystal 42 is preferably a type II phase match crystal.
  • the second LBO crystal 40 is also aligned in the beam path of the resonator 4 in such a way that the frequency conversion (in this case frequency tripling) is maximized for the fundamental wave F propagating in the forward direction 14 .
  • the fundamental wave F propagating in the reverse direction 16 does not trigger frequency tripling due to the lack of a second Flarmonic H2 in the LBO crystal 40 .
  • the third Flarmonic H3 (at least approximately) is emitted exclusively in the forward direction 14.
  • a frequency doubling in the LBO crystal 30 due to the fundamental wave F propagating in the reverse direction 16 is in turn suppressed by the polarization of the fundamental wave F by means of the 1/4 plate 32 .
  • the third polarizer 34 (also formed here by the 1/4 plate 36) downstream of the output mirror 6 restores the original linear polarization destroyed by the 1/4 plate for both the second harmonic H2 and the third harmonic H3 .
  • the laser device 2 according to FIG. 1 is permeable to the light of the third frequency f3, so that the third harmonic H3 coupled out of the resonator 4 passes through the mirror 42 to form the laser beam L.
  • the second harmonic H2 coupled out of the resonator 4 is deflected by the mirror 42 . In this case, for example, it is thrown onto a light sensor 46 used to detect the laser activity.
  • the object of the invention is particularly clear from the exemplary embodiments described above, but is in no way limited thereto. Much more further embodiments of the invention can be derived from the claims and the above description.
  • the The third polarizer 34 described with reference to FIGS. 2 and 3 and the Q-switch 38 can also be used in other embodiments of the laser device 2 according to the invention.
  • the first polarizer 20 and/or the second polarizer 22 can also be designed in a different way than shown in FIGS. 2 and 3.
  • a Faraday rotator can be used for the first polarizer 20 instead of the 1/4 plate 32 , which rotates the direction of polarization of the fundamental wave by 45°.
  • suitable materials other than those described by way of example may be used for the laser medium 10 and the optically nonlinear medium 18 .

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Abstract

Ein effizientes, gleichzeitig aber einfach aufgebautes frequenzumwandelndes Lasergerät (2) umfasst einen optischen Resonator (4), der zwei Resonatorspiegel (6,8), nämlich einen Auskoppelspiegel (6) und einen Endspiegel (8), aufweist. Das Lasergerät (2) umfasst weiterhin ein optisch aktives Medium (10) zur Erzeugung von Licht einer ersten Frequenz (f1) sowie ein optisch nichtlineares Medium (18) zur Umwandlung von Licht der ersten Frequenz (f1) in Licht einer anderen Frequenz (f2,f3). Das optisch aktive Medium (10) und das optisch nichtlineare Medium (18) sind dabei in einem Strahlengang zwischen den Resonatorspiegeln (6,8) angeordnet. Das Lasergerät (2) umfasst weiterhin eine erste polarisationsbeeinflussende Laseroptik (20), die das von dem Auskoppelspiegel (6) in Richtung auf den Endspiegel (8) reflektierte Licht der ersten Frequenz (f1) derart polarisiert, dass eine Frequenzumwandlung des so polarisierten Lichts der ersten Frequenz (f1) beim Durchtritt durch das nichtlineare Medium (18) unterdrückt, insbesondere minimiert, ist.

Description

Beschreibung
Frequenzumwandelndes Lasergerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein frequenzumwandelndes Lasergerät, d.h. auf eine optische Einrichtung zur Erzeugung sowie optional zur Führung, Formung, Umwandlung und/oder Verstärkung eines Laserstrahls.
Für industrielle Anwendungen wie zum Gravieren oder Beschriften mittels Laser strahlung werden vielfach Festkörperlaser verwendet, also Lasergeräte, deren aktives optisches Medium durch einen kristallinen oder glasartigen (d.h. amor phen) Festkörper gebildet sind. Das von solchen Festkörpern erzeugte Licht liegt in der Regel im Infrarotbereich, insbesondere bei Wellenlängen oberhalb von 800 nm. Zur Erzeugung von kürzerwelligem Licht, wie es für viele Anwendungen benö tigt wird, stehen dagegen bisher keine geeigneten (insbesondere kommerziell er setzbaren) Festkörpermaterialien zur Verfügung.
Eine an sich übliche Methode, um mittels eines Festkörperlasers dennoch Laser licht im grünen, blauen, violetten oder ultravioletten Spektralbereich zu erzeugen, ist die sogenannte Frequenzumwandlung. Hierbei wird ein Teil des zunächst in einer Fundamentalfrequenz (auch: Grundfrequenz) erzeugten Lichts durch ein (optisch) nichtlineares Medium in Licht einer anderen Frequenz umgewandelt. Die Frequenz des umgewandelten Licht beträgt hierbei häufig ein Vielfaches der Fun damentalfrequenz, insbesondere das Zwei- oder Dreifache der Fundamental frequenz. Das frequenzumgewandelte Licht ist kohärent mit dem Licht der Fun damentalfrequenz, aus dem es entsteht und wird in der gleichen Richtung emit tiert. Das nichtlineare Medium ist häufig in der Resonatorkavität des Lasergeräts ange ordnet, so dass das frequenzumgewandelte Licht in dem Resonator entsteht. Im Fachsprachgebrauch ist diese Methode der Frequenzumwandlung daher auch als „Intra Cavity Nonlinear Frequency Conversion“ bezeichnet. Bei solchen Resonato ren durchläuft das Licht der Fundamentalfrequenz das nichtlineare Medium auf seinem Weg zwischen den Resonatorspiegeln in beiden Richtungen, wobei je weils eine Frequenzumwandlung stattfindet. Entsprechend wird auch das fre quenzumgewandelte Licht durch das nichtlineare Medium nicht nur in Vorwärts richtung (d.h. in Richtung auf den Auskoppelspiegel des Resonators) emittiert, sondern auch in Rückwärtsrichtung (d.h. in Richtung auf den gegenüberliegenden Endspiegel des Resonators). Während der in Vorwärtsrichtung emittierte Anteil des frequenzumgewandelten Lichts durch Auskopplung aus dem Resonator ein fach genutzt werden kann, stellt der in Rückwärtsrichtung emittierte Anteil des fre quenzumgewandelten Lichts in der Regel ein unerwünschtes Störsignal dar, da dieses Licht durch negative Interferenz mit dem in Vorwärtsrichtung emittierten frequenzumgewandelten Licht die Effizienz und Stabilität der Lasertätigkeit beein trächtigt. Ferner führt der in Rückwärtsrichtung emittierte Anteil des frequenzum gewandelten Lichts zu einer erhöhten Belastung (und damit zu einem erhöhten Verschleiß) der Komponenten des Resonators, insbesondere des aktiven Medi ums.
Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, werden frequenzumwandelnde Laserge räte bisweilen mit einem geknickten Resonator ausgestattet. Hierzu wird den bei den Resonatorspiegeln ein Umlenkspiegel zwischengeordnet, der das Licht der Fundamentalfrequenz um lenkt und den Resonator somit in zwei Arme unterglie dert. Das aktive Medium ist dabei in einem Arm des geknickten Resonators ange ordnet, während das nichtlineare Medium in dem zweiten Arm angeordnet ist. Der Umlenkspiegel ist für die Frequenz des umgewandelten Lichts durchlässig. Hier durch wird erreicht, dass das umgewandelte Licht nur in dem zweiten Arm des Resonators zirkuliert.
Der Umlenkspiegel kann hierbei auch zur Auskopplung des umgewandelten Lichts aus dem Resonator genutzt werden. Um die Effizienz des Resonators noch weiter zu erhöhen, kann dem Um lenkspiegel alternativ - in Verlängerung des zweiten Resonatorarms - ein dritter Resonatorspiegel nachgeordnet werden, der das durch den Um lenkspiegel transmittierte frequenzumgewandelte Licht in den zwei ten Resonatorarm zurückwirft. Der zweite Resonatorarm bildet somit mit dem drit ten Resonatorspiegel eine eigene Resonatorkavität für das frequenzumgewandel te Licht, die eine resonante Frequenzumwandlung erzwingt.
Solche geknickte Resonatoren erfordern allerdings aufgrund der wesentlich höhe ren Komplexität des Aufbaus einen hohen Herstellungsaufwand, der die kommer zielle Nutzbarkeit entsprechender Lasergeräte einschränkt. Insbesondere sind häufig aktive Stabilisierungsmaßnahmen erforderlich, um die Länge der beiden Resonatorarme oder Resonatorkavitäten aufeinander abzustimmen.
Zudem nehmen geknickte Resonatoren einen vergleichsweise großen Bauraum ein, was ebenfalls die Nutzbarkeit entsprechender Lasergeräte einschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives, gleichzeitig aber einfach zu realisierendes frequenzumwandelndes Lasergerät anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Lasergerät mit den Merk malen des Anspruchs 1 . Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Aus gestaltungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Das erfindungsgemäße Lasergerät umfasst in an sich üblicher Weise einen opti schen Resonator, der zwei Resonatorspiegel, nämlich einen Auskoppelspiegel und einen Endspiegel, aufweist. Der Auskoppelspiegel stellt die Vorderseite des Resonators dar. Entsprechend wird die Ausbreitungsrichtung des auf den Aus koppelspiegel geworfenen Lichts als „Vorwärtsrichtung“ bezeichnet. Licht, das auf den Endspiegel trifft, propagiert dagegen in „Rückwärtsrichtung“. Der Resonator umfasst weiterhin ein optisch aktives Medium (Lasermedium), das im Betrieb des Lasergeräts Licht einer ersten Frequenz erzeugt. Die erste Frequenz ist nachfol- gend auch als „Fundamentalfrequenz“ bezeichnet. Das Licht der ersten Frequenz ist entsprechend als „Fundamentalwelle“ (engl.: fundamental wave) bezeichnet.
Zusätzlich zu dem Resonator umfasst das Lasergerät ein (optisch) nichtlineares Medium, das im Betrieb des Lasergeräts Licht der ersten Frequenz, in anderen Worten also einen Teil der Fundamentalwelle, in Licht einer anderen Frequenz umwandelt. Die andere Frequenz ist dabei vorzugsweise, aber nicht zwingend ein ganzzahliges Vielfaches der Fundamentalfrequenz, insbesondere das Doppelte, Dreifache oder Vierfache. Das frequenzumgewandelte Licht der anderen Fre quenz ist nachfolgend in Abgrenzung von der Fundamentalwelle allgemein als „umgewandelte Welle“ bezeichnet. Sofern die andere Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Fundamentalfrequenz ist, ist das frequenzumgewandelte Licht auch als „harmonische Welle“ oder kurz „Harmonische“ bezeichnet. Im Falle einer Fre quenzverdopplung ist das frequenzumgewandelte Licht dabei auch als „zweite Harmonische“ bezeichnet, im Falle einer Frequenzverdreifachung auch als „dritte Harmonische“, etc.
Der Auskoppelspiegel ist derart gestaltet, dass er für die umgewandelte Welle (ganz oder zumindest teilweise) durchlässig ist. Für die Fundamentalwelle sind dagegen beide Resonatorspiegel vorzugsweise undurchlässig.
Das optisch nichtlineare Medium ist innerhalb des Resonators angeordnet. Sowohl das optisch aktive Medium als auch das optisch nichtlineare Medium sind also in einem Strahlengang zwischen den Resonatorspiegeln angeordnet.
Erfindungsgemäß umfasst das Lasergerät nun zusätzlich zu den vorstehend be schriebenen Teilen eine (erste) polarisationsbeeinflussende Laseroptik, die das von dem Auskoppelspiegel in Richtung auf den Endspiegel reflektierte Licht der ersten Frequenz (also die Fundamentalwelle) derart polarisiert, dass eine Fre quenzumwandlung dieses polarisierten Lichts beim Durchtritt durch das nichtlinea re Medium unterdrückt ist. Diese erste polarisationsbeeinflussende Laseroptik (nachfolgend ohne Beschränkung der Allgemeinheit abkürzend als „(erster) Pola risator“ bezeichnet) ist insbesondere zwischen dem nichtlinearen Medium und dem Auskoppelspiegel im Strahlengang des Resonators angeordnet. Durch den ersten Polarisator wird mit anderen Worten bewirkt, dass die in Rückwärtsrichtung durch das nichtlineare Medium hindurchtretende Fundamentalwelle keine Fre quenzumwandlung oder zumindest eine schwächere Frequenzumwandlung als in Abwesenheit des ersten Polarisators hervorruft. Die durch die in Rückwärtsrich tung durch das nichtlineare Medium hindurchtretende Fundamentalwelle hervorge rufene Frequenzumwandlung wird insbesondere durch geeignete Polarisierung der Fundamentalwelle minimiert.
Als „Polarisation“ oder „polarisieren“ wird hier und im Folgenden allgemein eine Änderung der Polarisationseigenschaften verstanden. Das durch den ersten Pola risator polarisierte Licht hat also andere Polarisationseigenschaften als zuvor. Bei spielsweise wird durch den ersten Polarisator eine Polarisationsrichtung der Fun damentalwelle gedreht, eine lineare Polarisation in eine zirkulare Polarisation um gewandelt oder eine zirkulare Polarisation in eine lineare Polarisation umge wandelt.
Es ist bekannt, und beispielsweise in DE 690 08 415 T2 beschrieben, dass es - in Abhängigkeit von der Art und/oder Konfiguration des optisch nichtlinearen Medi ums (z.B. von der Orientierung der Kristallachsen zu der Ausbreitungsrichtung der einfallenden Welle) - zwei Arten der Frequenzumwandlung gibt, die als „Typ I“ und „Typ II“ bezeichnet werden. Eine Frequenzumwandlung des Typs I wird durch Interaktion von einfallenden Wellen der gleichen Polarisation mit dem nicht linearen Medium verursacht. Eine Frequenzumwandlung des Typs II erfordert da gegen die Interaktion von einfallenden Wellen orthogonaler Polarisation mit dem nichtlinearen optischen Medium. Optisch nichtlineare Medien, die aufgrund ihrer Art und/oder Konfiguration eine Frequenzumwandlung des „Typ I“ oder „Typ II“ verursachen, werden nachfolgend auch kurz als „Typ I-“ bzw. „Typ Il-Medien“ (im Falle von nichtlinearen optischen Kristallen als „Typ I-“ bzw. „Typ Il-Kristalle“) be zeichnet. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere eine Frequenzumwandlung des Typs I in optisch nichtlinearen Medien regelmäßig eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Polarisation des einfallenden Lichts hat. Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung wird dabei mit maximaler Effektivität um- gewandelt, während Licht einer hierzu senkrechten Polarisationsrichtung mit mi nimaler Effektivität oder sogar gar nicht umgewandelt. Dieser Effekt wird erfin dungsgemäß ausgenutzt, um die Effizienz des Resonators zu erhöhen. Durch die Unterdrückung der Frequenzumwandlung in Rückwärtsrichtung wird der in Rück wärtsrichtung emittierte Anteil der umgewandelten Welle vollständig oder zumin dest teilweise reduziert, wodurch die eingangs erläuterten Nachteile vermieden werden. Somit wird auf einfach realisierbare Weise eine hohe Resonatoreffizienz erzielt.
In bevorzugter Ausführung umfasst das Lasergerät zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen ersten Polarisator eine zweite polarisationsbeeinflussende Laser optik, die nachfolgend (wiederum ohne Beschränkung der Allgemeinheit) abkür zend als „zweiter Polarisator“ bezeichnet ist. Dieser zweite Polarisator hat eine im Vergleich zu dem ersten Polarisator entgegengesetzte Wirkung, indem er das in Richtung auf den Auskoppelspiegel propagierende Licht der ersten Frequenz (also die in Vorwärtsrichtung propagierende Fundamentalwelle) derart polarisiert, dass eine Frequenzumwandlung dieses polarisierten Lichts beim Durchtritt durch das nichtlineare Medium gefördert, insbesondere maximiert ist.
Durch den zweiten Polarisator, der insbesondere zwischen dem Lasermedium und dem nichtlinearen Medium im Strahlengang des Resonators angeordnet ist, wird somit bewirkt, dass die in Vorwärtsrichtung durch das nichtlineare Medium hin durchtretende Fundamentalwelle eine stärkere Frequenzumwandlung hervorruft als in Abwesenheit des ersten Polarisators.
Der erste Polarisator und - sofern vorhanden - auch der zweite Polarisator sind bevorzugt durch eine Wellenplatte (auch: Verzögerungsplatte), insbesondere ein l/4-Plättchen, oder durch einen Polarisations-Rotator, z.B. einen Faraday-Rotator, einen Quarzkristall-Rotator oder einen Flüssigkristall-Rotator, gebildet. Bei Aus führungen des Lasergeräts, bei denen sowohl der erste Polarisator als auch der zweite Polarisator vorhanden sind, können die beiden Polarisatoren im Rahmen der Erfindung gleichartig oder verschiedenartig ausgebildet sein. So sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als erster Polarisator ein l/4-Plätt- chen und als zweiter Polarisator ein Polarisations-Rotator eingesetzt. Der Polari sations-Rotator ist hierbei insbesondere derart ausgestaltet, dass er die Polarisa tionsrichtung der einfallenden Fundamentalwelle um 45° dreht. In einer alterna tiven Ausführung des Lasergeräts sind sowohl der erste Polarisator als auch der zweite Polarisator jeweils durch einen Polarisations-Rotator gebildet. Auch diese Polarisations-Rotatoren sind dabei insbesondere derart ausgestaltet, dass sie die Polarisationsrichtung der einfallenden Fundamentalwelle jeweils um 45° drehen.
Die durch den mindestens einen Polarisator erzielte Konzentrierung der Frequenz umwandlung auf die in Vorwärtsrichtung laufende Fundamentalwelle ermöglicht eine einfache Gestaltung des Resonators, ohne dabei eine schlechte Resonatoref fizienz in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere ist eine geknickte Ausführung des Resonators weder nötig noch bevorzugt. Vielmehr weist der Resonator in be vorzugter Ausführung einen linearen Strahlengang auf; d.h. die Resonatorspiegel, das Lasermedium, das optisch nichtlineare Medium und der oder jeder Polarisator sind entlang einer geraden optischen Achse aufgereiht. Durch diesen einfachen Aufbau wird mit vergleichsweise geringem Aufwand eine hohe Stabilität des im Betrieb des Lasergeräts erzeugten Laserstrahls erzielt. Aktive Stabilisatoren sind nicht notwendig und daher in bevorzugter Ausführung der Erfindung auch nicht vorgesehen.
Da der erste Polarisator auf die Beeinflussung der Fundamentalwelle abgestimmt ist, hat er auf das frequenzumgewandelte Licht (d.h. auf die umgewandelte Welle) einen a priori unbestimmten Einfluss. Somit wird auch der aus dem Resonator ausgekoppelte Laserstrahl mit a priori Undefinierten Polarisationseigenschaften erzeugt. Um dennoch definierte Polarisationseigenschaften des Laserstrahls si cherzustellen, umfasst das Lasergerät in bevorzugter Ausführung zusätzlich zu dem ersten Polarisator und - falls vorhanden - dem zweiten Polarisator eine (auch als „dritter Polarisator“ bezeichnete) dritte polarisationsbeeinflussende La seroptik, die dem Auskoppelspiegel nachgeschaltet und somit außerhalb des Re sonators angeordnet ist. Dieser dritte Polarisator ist dazu ausgebildet, den Einfluss des ersten Polarisators auf die umgewandelte Welle (und damit auf den aus dem Resonator ausgekoppelten Laserstrahl) zu kompensieren. Mit anderen Worten wird durch den dritten Polarisator die Wirkung des ersten Polarisators auf die um gewandelte Welle rückgängig gemacht. In einer besonders zweckmäßigen Aus führung dieser Erfindungsvariante sind der erste Polarisator und der dritte Polari sator durch baugleiche, aber relativ zueinander um 90° um die optische Achse gedrehte l/4-Plättchen gebildet. Der Begriff ,,l/4“ bezieht sich hierbei bei beiden Polarisatoren auf die Wellenlänge der Fundamentalwelle.
Allgemein kann das Lasergerät im Rahmen der Erfindung als kontinuierlich emit tierender Laser (CW-Laser) oder als gepulster Laser betrieben werden.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Lasergerät um einen gütegeschalteten Laser (engl.: q-switched laser). Bei dieser Ausführungsform umfasst das Lasergerät zu sätzlich einen in dem Strahlengang des Resonators, insbesondere zwischen dem Lasermedium und dem nichtlinearen Medium oder- wenn vorhanden - dem zwei- ten Polarisator, angeordneten Güteschalter (engl.: q-switch), durch den die Güte des Resonators verändert werden kann. Bei dem Güteschalter handelt es sich bevorzugt um einen aktiven Güteschalter, der beispielsweise auf einem elektroop tischen Funktionsprinzip (z.B. Pockels-Zelle, Kerr-Zelle oder elektrooptischer Mo dulator) oder einem akustooptischen Funktionsprinzip (z.B. Bragg-Zelle) beruht. Grundsätzlich kann das Lasergerät im Rahmen der Erfindung aber auch einen passiven Güteschalter enthalten, insbesondere in Form eines Halbleiter-Absorber spiegels (SESAM) oder eines nichtlinearen Kristalls (z.B. eines Cr:YAG-Kristalls). Alternativ handelt es sich bei dem Lasergerät um einen modengekoppelten Laser. Das Lasergerät ist vorzugsweise ein Festkörperlaser. Entsprechend enthält das aktive optische Medium bevorzugt einen Festkörper, insbesondere einen neodym dotierten Yttrium-Orthovanadat-Kristall (Nd:YV04-Kristall).
Das nichtlineare Medium enthält vorzugsweise ein Medium, das hinsichtlich seiner Art und/oder Konfiguration, z.B. der Ausrichtung zu der Ausbreitungsrichtung der einfallenden Welle, für eine Frequenzumwandlung des Typs I (d.h. eine Frequen zumwandlung in Typ I-Phasematch-Konfiguration) eingerichtet ist. Das Medium ist dabei bevorzugt ein Festkörper, nämlich ein optisch nichtlinearer (Typ I -)Kristall, insbesondere ein Kristall aus Lithiumtriborat (LBO).
In einer speziellen Variante der Erfindung weist das nichtlineare Medium, insbe- sondere zur Erzeugung von höheren Harmonischen der ersten Fundamentalwelle, mindestens zwei einander nachgeschaltete optisch nichtlineare Kristalle, insbe sondere LBO-Kristalle, auf. In diesem Fall handelt es sich vorzugsweise bei einem ersten der beiden Kristalle um einen Kristall in einer Typ I-Phasematch- Konfiguration. Dieser erste Kristall dient hierbei zur Erzeugung einer ersten um- gewandelten Welle mittlerer Frequenz (z.B. der im Vergleich zu der Fundamen talfrequenz doppelten Frequenz) aus der Fundamentalwelle. Der zweite Kristall, der insbesondere zur Erzeugung einer zweiten umgewandelten Welle höherer Frequenz (z.B. einer Welle mit dem Dreifachen der Fundamentalfrequenz) unter Wechselwirkung der Fundamentalwelle und der ersten umgewandelten Welle dient, kann grundsätzlich im Rahmen der Erfindung ebenfalls durch einen Kristall in einer Typ I-Phasematch-Konfiguration gebildet sein. Vorzugsweise wird für den zweiten Kristall aber ein Kristall in einer Typ I I-Phasematch-Konfiguration heran gezogen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 in schematisch vereinfachter Darstellung das Grundprinzip eines er findungsgemäßen Lasergerät,
Fig. 2 in Darstellung gemäß Fig. 1 eine erste konkrete Ausführungsform des Lasergeräts und
Fig. 3 in Darstellung gemäß Fig. 1 eine zweite konkrete Ausführungsform des Lasergeräts.
Einander entsprechende Teile und Strukturen sind in allen Figuren stets mit glei chen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt grob schematisch ein Lasergerät 2 mit einem optischen Resonator 4. Der Resonator 4 wird durch zwei Resonatorspiegel 6,8, nämlich einen Auskoppel spiegel 6 und einen Endspiegel 8, gebildet. Er umfasst weiterhin ein (Laser-)Me- dium 10, das im Betrieb des Lasergeräts 2 mittels einer in Fig. 1 nur angedeuteten Pumpeinrichtung 12 durch Zuführung von Licht oder elektrischer Energie energe tisch angeregt („gepumpt“) wird.
Im Betrieb emittiert das durch die Pumpeinrichtung 12 angeregte Lasermedium 10 Licht einer Fundamentalfrequenz fi, das zwischen den Resonatorspiegeln 6,8 in einer (von dem Endspiegel 8 auf den Auskopplungsspiegel 6 ausgerichteten) Vorwärtsrichtung 14 und einer (von dem Auskopplungsspiegel 6 auf den Endspie gel 8 ausgerichteten) Rückwärtsrichtung 16 zirkuliert. Für dieses nachfolgend als Fundamentalwelle F bezeichnete Licht sind der Auskopplungsspiegel 6 und der Endspiegel 8 (im Rahmen der herstellungstechnisch realisierten Güte der Resona torspiegel 6,8) undurchlässig.
Weiterhin ist in dem Resonator 4 ein optisch nichtlineares Medium 18 angeordnet, das im Betrieb des Lasergeräts 2 einen Teil der Fundamentalwelle F in Licht einer zweiten Frequenz f2 umwandelt. In dem dargestellten Beispiel entspricht die zwei te Frequenz f2 einem ganzzahligen Vielfachen der Fundamentalfrequenz fi (f2 = n · fi; mit n = 2, 3, 4, ...). Das frequenzumgewandelte Licht der zweiten Frequenz f2 ist daher nachfolgend als harmonische Welle H bezeichnet. Der Auskoppelspiegel 6 ist derart gestaltet, dass er für die harmonische Welle H (vollständig oder zumindest im Rahmen der erzielbaren Güte des Auskopplungs spiegels 6 möglichst weitgehend) durchlässig ist.
Das nichtlineare Medium 18 ist innerhalb des Resonators 4, also zwischen den Resonatorspiegeln 6,8, angeordnet.
Dem nichtlinearen Medium 18 und dem Auskoppelspiegel 6 ist einerseits ein ers ter Polarisator 20 zwischengeschaltet. Dieser erste Polarisator 20 beeinflusst im Betrieb des Lasergeräts 2 die Polarisation der von dem Auskoppelspiegel 6 reflek tierten und somit in Rückwärtsrichtung 16 propagierenden Fundamentalwelle F derart, dass die solchermaßen polarisierte Fundamentalwelle F in Rückwärtsrich tung 16 durch das nichtlineare Medium 18 hindurchtritt, ohne eine Frequenzum- Wandlung auszulösen. Durch die Polarisierung der Fundamentalwelle F mittels des ersten Polarisators 20 wird somit eine Emission von frequenzumgewandeltem Licht in Rückwärtsrichtung 16 unterdrückt.
Dem Lasermedium 10 und dem nichtlinearen Medium 18 ist andererseits ein zwei- ter Polarisator 22 zwischengeschaltet. Dieser zweite Polarisator 22 beeinflusst im Betrieb des Lasergeräts 2 die Polarisation der von dem Lasermedium 10 in Vor wärtsrichtung 14 emittierten Fundamentalwelle F derart, dass die solchermaßen polarisierte Fundamentalwelle F bei Durchtritt durch das nichtlineare Medium 18 eine maximale Frequenzumwandlung auslöst. Durch die Polarisierung der Fun- damentalwelle F mittels des zweiten Polarisators 22 wird somit eine Emission von frequenzumgewandeltem Licht in Vorwärtsrichtung 14 maximiert.
Durch das Zusammenspiel der beiden Polarisatoren 20 und 22 wird erreicht, dass die harmonische Welle H von dem nichtlinearen Medium 18 mit maximaler Intensi- tät ausschließlich in Vorwärtsrichtung 14 emittiert wird.
Beim Auftreffen auf dem Auskopplungsspiegel 6 wird die harmonische Welle H aus dem Resonator 4 ausgekoppelt, wodurch ein Laserstrahl L mit der zweiten Frequenz f2 erzeugt wird.
Der Endspiegel 8, das Lasermedium 10, der zweite Polarisator 22, das nichtlinea re Medium 18, der erste Polarisator 20 und der Auskoppelspiegel 6 sind entlang einer geraden optischen Achse 23 und somit entlang eines linearen Strahlengangs einander nachgeordnet.
In Fig. 2 ist eine erste Konkretisierung des in Fig. 1 nur allgemein dargestellten Lasergeräts 2 dargestellt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Lasergerät 2 handelt es sich um einen Festkörper-Laser, der als Lasermedium 10 einen neodym-dotierten Yttrium-Orthovanadat-Kristall (Nd:YV04-Kristall 24) aufweist. Der Nd:YV04-Kristall emittiert zur Bildung der Fundamentalwelle F Licht im Infrarotbereich mit einer Lichtwellenlänge von li 1064nm (li = 1064nm). Entsprechend beträgt die Fun damentalfrequenz fi hier 282,0 THz (fi = 282,0 THz). Die von dem Lasermedium 10 in Vorwärtsrichtung 14 emittierte Fundamentalwelle F ist linear polarisiert mit einer Polarisationsrichtung, der hier und im Folgenden der Winkel 0° zugeordnet wird.
Die Pumpeinrichtung 12 ist bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 durch einen Diodenla- ser 26 gebildet, der den Nd:YV04-Kristall 24 mit einem Pump-Laserstrahl P op tisch anregt.
Der dem Nd:YV04-Kristall 24 in Vorwärtsrichtung 14 nachgeschaltete zweite Pola risator 22 ist als Faraday-Rotator 28 ausgebildet, der die Polarisationsrichtung der Fundamentalwelle F um einen Winkel von 45° dreht.
Das optisch nichtlineare Medium 18 ist hier durch einen Kristall, nämlich einen Lithiumtriborat-Kristall (LBO-Kristall 30) in einer Typ I-Phasematch-Konfiguration gebildet, der eine Frequenzverdopplung der Fundamentalfrequenz fi hervorruft. Die zweite Frequenz f2 hat hier somit den Wert von 564,0 THz (f2 = 564,0 THz). Entsprechend handelt es sich bei der von dem LBO-Kristall 30 erzeugten harmo nischen Welle H um die zweite Harmonische H2 der Fundamentalwelle F, die eine Wellenlänge l2 von 532 nm aufweist und somit im Spektralbereich des grünen sichtbaren Lichts liegt. Der LBO-Kristall 30 ist zudem derart im Strahlengang des Resonators 4a ausgerichtet, dass er das Licht der Fundamentalfrequenz fi mit maximaler Effizienz in das Licht der zweiten Frequenz f2 umwandelt, wenn das Licht der Fundamentalfrequenz fi mit einer Polarisationsrichtung von 45° linear polarisiert ist. Der Faraday-Rotator 28 und der LBO-Kristall 30 sind somit derart aufeinander abgestimmt, dass die Effizienz der Frequenzverdopplung für den Durchtritt der Fundamentalwelle F durch den LBO-Kristall 30 in Vorwärtsrichtung 14 maximiert ist. Der dem LBO-Kristall 30 in Vorwärtsrichtung 14 nachgeschaltete zweite Polarisa tor 22 ist bei dem Beispiel aus Fig. 2 durch ein auf die Fundamentalwelle F (und somit auf Licht der Fundamentalfrequenz fi) abgestimmtes l/4-Plättchen 32 gebil det. Das l/4-Plättchen 32 ist derart im Strahlengang des Resonators 4 angeord net, dass es die in Vorwärtsrichtung 14 als linear polarisierte Welle mit einer Pola risationsrichtung von 45° auftreffende Fundamentalwelle F in eine zirkular polari sierte Lichtwelle (um)polarisiert.
An dem nachgeschalteten Auskoppelspiegel 6 wird die Fundamentalwelle F reflek tiert und somit in Rückwärtsrichtung 16 auf das l/4-Plättchen 32 zurückgeworfen. Die in Rückwärtsrichtung 16 als zirkular polarisierte Lichtwelle auftreffende Fun damentalwelle F wird nun durch das l/4-Plättchen 32 in eine linear polarisierte Lichtwelle mit einer Polarisationsrichtung von 135° (um)polarisiert.
Die solchermaßen polarisierte Fundamentalwelle F tritt nun in Rückwärtsrichtung 16 durch den LBO-Kristall 30 hindurch. Aufgrund der Anisotropie des LBO-Kristalls 30 und der Polarisierung der Fundamentalwelle F ist die Effizienz der Frequenz verdopplung für die in Rückwärtsrichtung 16 propagierende Fundamentalwelle F minimiert.
Beim Durchtritt der in Rückwärtsrichtung 16 propagierenden Fundamentalwelle F durch den Faraday-Rotator 28 wird die Polarisationsrichtung der Fundamentalwel le F wiederum um 45° gedreht. Die Fundamentalwelle F verlässt den Faraday- Rotator 28 somit in Rückwärtsrichtung 16 als linear polarisierte Welle mit einer Polarisationsrichtung von 180°, die der ursprünglichen Polarisationsrichtung von 0° entspricht. Nach Reflexion an dem Endspiegel 8 wird die Fundamentalwelle F auf das Lasermedium 10 (also den Nd:YV04-Kristall 24) zurückgeworfen und der vorstehend beschriebene Kreislauf beginnt von neuem.
Aufgrund der Unterdrückung der Frequenzverdopplung in Rückwärtsrichtung 16 wird die zweite Harmonische H2 von dem LBO-Kristall 30 (zumindest näherungs weise) ausschließlich in Vorwärtsrichtung 14 emittiert. Die zweite Harmonische H2 liegt dabei zunächst als linear polarisierte Lichtwelle mit einer Polarisationsrich- tung von 135° vor. Da das l/4-Plättchen 32 auf die Fundamentalwelle F (und die zugehörige Wellenlänge li) abgestimmt ist, hat es auf die zweite Flarmonische H2 keine definierte polarisationsbeeinflussende Wirkung. Die zweite Flarmonische H2 liegt daher nach dem Durchtritt durch das l/4-Plättchen 32 mit unbestimmten Po- larisationseigenschaften vor.
In dieser Form wird die zweite Flarmonische FH2 zur Bildung des Laserstrahls L über den Auskoppelspiegel 6 aus dem Resonator 4 ausgekoppelt. Um dem Laser strahl L eine definierte Polarisationseigenschaft zu geben, ist dem Auskoppelspie- gel 6 außerhalb des Resonators 4 ein dritter Polarisator 34 in Form eines weiteren l/4-Plättchens 36 nachgeschaltet. Dieses weitere l/4-Plättchen 36 ist baugleich zu dem l/4-Plättchen 32 ausgebildet und somit ebenfalls auf die Wellenlänge li der Fundamentalwelle F abgestimmt. Es ist gegenüber dem l/4-Plättchen 32 aber um 90° um die optische Achse 23 verdreht. Das weitere l/4-Plättchen 36 kompen- siert hierdurch die Wirkung des l/4-Plättchen 32 auf die zweite Flarmonische FH2. Nach dem Durchtritt des Laserstrahls L durch das l/4-Plättchen 36 liegt der La serstrahl L somit in linear polarisierter Form mit einem Polarisationswinkel von 135° vor. In optionaler Weiterbildung des in Fig. 1 schematisch dargestellten Konzepts ist das Lasergerät 2 aus Fig. 2 als gütegeschalteter, gepulst betriebener Laser aus gebildet. Das Lasergerät 2 weist hierzu als weitere Komponente einen Güteschal ter 38 auf, der in der Darstellung gemäß Fig. 2 dem Lasermedium 10 (hier also dem Nd:YV04-Kristall 24) und dem zweiten Polarisator 22 (hier also dem Faraday- Rotator 28) zwischengeschaltet ist. Der Güteschalter 38 ist in der Ausführung ge mäß Fig. 2 beispielhaft als akustooptischer Modulator 40 (Bragg-Zelle) ausgeführt.
In an sich bekannter Weise wird durch den Güteschalter 38 die Güte des Resona tors 4 jeweils zwischen zwei Laserpulsen intervallweise reduziert, so dass die La sertätigkeit des Resonators 4 verhindert und somit eine besonders starke Anre gung des Lasermediums 10 (also des Nd:YV04-Kristall 24) erzwungen wird. Zur Auslösung eines Laserpulses wird die Güte des Resonators 4 durch den Güte schalter vorübergehend erhöht, so dass die Lasertätigkeit einsetzt.
Alternativ hierzu wird das Lasergerät 2 als modengekoppelter Laser betrieben. In dieser (hardwaretechnisch im Wesentlichen der Ausführung gemäß Fig. 2 ent sprechenden) Ausführungsform ist hierbei im Resonator 4 ein Gütemodulator, ins besondere wiederum ein akustooptischer Modulator 40, angeordnet. Dieser Gü temodulator moduliert die Güte des Resonators 4 mit einer Frequenz, die der Um- laufzeit eines Pulses im Resonator 4 entspricht.
Der Verlauf der Fundamentalwelle F und der harmonischen Welle H (hier also der zweiten Harmonischen H2) ist in Fig. 2 zum Zweck der Verdeutlichung unterhalb des Resonators 4 schematisch angedeutet. Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Lasergeräts 2 unterscheidet sich von den anhand von Fig. 2 beschriebenen Ausführungen dadurch, dass das op tisch nichtlineare Medium 18 hier zusätzlich zu dem frequenzverdoppelnden LBO- Kristall 30 einen zweiten Kristall aus Lithiumtriborat (LBO-Kristall 42) aufweist, der zwischen dem LBO-Kristall 30 und dem ersten Polarisator 20 (hier wiederum in Form des l/4-Plättchens 32) in den Strahlengang des Resonators 4 geschaltet ist. Dieser zweite LBO-Kristall 42 erzeugt im Betrieb des Lasergeräts unter Wirkung der Fundamentalwelle F und der zweiten Harmonischen H2 Licht einer dritten Frequenz f3, die dem Dreifachen der Fundamentalfrequenz fi entspricht (f3 = 845,9 THz). Dieses frequenzverdreifachte Licht wird von dem LBO-Kristall 42 als dritte Harmonische H3 emittiert. Es hat eine Wellenlänge l3 von 354 nm und liegt im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Bei dem Lasergerät 2 aus Fig. 3 werden sowohl die zweite Harmonische H2 als auch die dritte Harmoni sche H3 über den Auskoppelspiegel 6 aus dem Resonator 4 ausgekoppelt. Bei dem zweiten LBO-Kristall 42 handelt es sich vorzugsweise um einen Kristall in Typ Il-Phasematch-Konfiguration.
Auch der zweite LBO-Kristall 40 ist derart im Strahlengang des Resonators 4 aus gerichtet, dass die Frequenzumwandlung (hier also die Frequenzverdreifachung) für die in Vorwärtsrichtung 14 propagierende Fundamentalwelle F maximiert ist. Durch die in Rückwärtsrichtung 16 propagierende Fundamentalwelle F wird auf grund der fehlenden zweiten Flarmonischen H2 im LBO-Kristall 40 keine Fre quenzverdreifachung ausgelöst. Somit wird auch die dritte Flarmonische H3 (zu mindest näherungsweise) ausschließlich in Vorwärtsrichtung 14 emittiert. Eine Frequenzverdopplung in dem LBO-Kristall 30 aufgrund der in Rückwärtsrichtung 16 propagierenden Fundamentalwelle F ist wiederum durch die Polarisierung der Fundamentalwelle F mittels des l/4-Plättchens 32 unterdrückt.
Durch den dem Auskoppelspiegel 6 nachgeschalteten dritten Polarisator 34 (hier ebenfalls durch das l/4-Plättchen 36 gebildet) wird sowohl für die zweite Harmoni sche H2 als auch für die dritte Harmonische H3 die durch das l/4-Plättchen zer störte ursprüngliche Linearpolarisierung wiederhergestellt.
Im Unterschied zu der Ausführung gemäß Fig. 2 weist das Lasergerät 2 gemäß Fig. 3 optional einen dem l/4-Plättchen 36 nachgeschalteten frequenzselektiven Spiegel 44 auf. Der Spiegel 44 ist für die Licht der dritten Frequenz f3 durchlässig, so dass die aus dem Resonator 4 ausgekoppelte dritte Harmonische H3 zur Bil dung des Laserstrahls L durch den Spiegel 42 hindurchtritt.
Die aus dem Resonator 4 ausgekoppelte zweite Harmonische H2 wird dagegen durch den Spiegel 42 abgelenkt. Sie wird hierbei beispielsweise auf einen zur De tektion der Lasertätigkeit genutzten Lichtsensor 46 geworfen.
Der Verlauf der Fundamentalwelle F und der harmonischen Welle H (hier also der zweiten Harmonischen H2 und der dritten Harmonischen H3) ist in Fig. 2 zum Zweck der Verdeutlichung wiederum unterhalb des Resonators 4 schematisch angedeutet.
Der Gegenstand der Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsbeispielen besonders deutlich, ist hierauf aber keineswegs beschränkt. Viel mehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können der an- hand der Fig. 2 und 3 beschriebene dritte Polarisator 34 sowie der Güteschalter 38 auch bei anderen Ausführungen des erfindungsgemäßen Lasergeräts 2 einge setzt werden. Weiterhin können auch der erste Polarisator 20 und/oder der zweite Polarisator 22 in anderer Weise als in den Fig. 2 und 3 dargestellt ausgeführt sein Beispielsweise kann für den ersten Polarisator 20 anstelle des l/4-Plättchen 32 ein Faraday-Rotator zum Einsatz kommen, der die Polarisationsrichtung der Fun damentalwelle um 45° dreht. Ferner können für das Lasermedium 10 und das op tisch nichtlineare Medium 18 andere geeignete Materialien als beispielhaft be schrieben zum Einsatz kommen.
Bezugszeichenliste
2 Lasergerät
4 Resonator 6 Auskoppelspiegel
8 Endspiegel
10 (Laser-)Medium
12 Pumpeinrichtung
14 Vorwärtsrichtung 16 Rückwärtsrichtung
18 (optisch nichtlineares) Medium
20 (erster) Polarisator
22 (zweiter) Polarisator
23 optische Achse 24 Nd:YV04-Kristall
26 Diodenlaser
28 Faraday-Rotator
30 LBO-Kristall
32 l/4-Plättchen 34 (dritter) Polarisator
36 l/4-Plättchen
38 Güteschalter
40 akustooptischer Modulator 42 LBO-Kristall 44 (frequenzselektiver) Spiegel
46 Lichtsensor fi Fundamentalfrequenz f2 (zweite) Frequenz F Fundamentalwelle
H harmonische Welle
H2 (zweite) Harmonische
H3 (dritte) Harmonische L Laserstrahl
P Pump-Laserstrahl

Claims

Ansprüche
1. Lasergerät (2)
- mit einem optischen Resonator (4), der zwei Resonatorspiegel (6,8), näm- lieh einen Auskoppelspiegel (6) und einen Endspiegel (8), aufweist,
- mit einem optisch aktiven Medium (10) zur Erzeugung von Licht einer ers ten Frequenz (fi),
- mit einem optisch nichtlinearen Medium (18) zur Umwandlung von Licht der ersten Frequenz (fi) in Licht einer anderen Frequenz (f2,f3), - wobei das optisch aktive Medium (10) und das optisch nichtlineare Medi um (18) in einem Strahlengang zwischen den Resonatorspiegeln (6,8) an geordnet sind, und
- mit einer ersten polarisationsbeeinflussenden Laseroptik (20), die das von dem Auskoppelspiegel (6) in Richtung auf den Endspiegel (8) reflektierte Licht der ersten Frequenz (fi) derart polarisiert, dass eine Frequenzum wandlung des so polarisierten Lichts der ersten Frequenz (fi) beim Durch tritt durch das nichtlineare Medium (18) unterdrückt, insbesondere mini miert, ist.
2. Lasergerät (2) nach Anspruch 1 , mit einer zweiten polarisationsbeeinflussenden Laseroptik (22), die das in Richtung auf den Auskoppelspiegel (6) propagierende Licht der ersten Fre quenz (fi) derart polarisiert, dass eine Frequenzumwandlung des so polari sierten Lichts der ersten Frequenz (fi) beim Durchtritt durch das nichtlineare Medium (18) gefördert, insbesondere maximiert, ist.
3. Lasergerät (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei als polarisationsbeeinflussende Laseroptik (20,22) eine Wellenplatte, insbesondere ein l/4-Plättchen (32), oder ein Polarisations-Rotator, insbe- sondere ein Faraday-Rotator (28), ein Quarzkristall-Rotator oder ein Flüssig kristall-Rotator, eingesetzt ist.
4. Lasergerät (2) nach Anspruch 2, wobei als erste polarisationsbeeinflussende Laseroptik (20) ein l/4-Plättchen (32) und als zweite polarisationsbeeinflussende Laseroptik (22) ein Polarisa tions-Rotator, insbesondere ein Faraday-Rotator (28), ein Quarzkristall- Rotator oder ein Flüssigkristall-Rotator, eingesetzt ist.
5. Lasergerät (2) nach Anspruch 2, wobei als erste polarisationsbeeinflussende Laseroptik (20) und als zweite polarisationsbeeinflussende Laseroptik (22) jeweils ein Polarisations-Rotator, insbesondere ein Faraday-Rotator (28), ein Quarzkristall-Rotator oder ein Flüssigkristall-Rotator, eingesetzt ist.
6. Lasergerät (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Resonator (4) einen linearen Strahlengang aufweist.
7. Lasergerät (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer dritten polarisationsbeeinflussenden Laseroptik (34), die dem Aus koppelspiegel (6) nachgeschaltet ist, und die dazu ausgebildet ist, den Ein fluss der ersten polarisationsbeeinflussenden Laseroptik (20) auf das fre- quenzumgewandelte Licht zu kompensieren.
8. Lasergerät (2) nach Anspruch 7, wobei die erste polarisationsbeeinflussende Laseroptik (20) und die dritte polarisationsbeeinflussende Laseroptik (34) durch baugleiche, aber relativ zueinander um 90° gedrehte l/4-Plättchen (32,36) gebildet sind.
9. Lasergerät (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Güteschalter (38), insbesondere einem elektrooptischen oder akustooptischen Güteschalter oder einem passiven Güteschalter.
10. Lasergerät (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das aktive optische Medium (10) ein Festkörper, insbesondere ein ne odym-dotierter Yttrium-Orthovanadat-Kristall (24), ist.
11. Lasergerät (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das optisch nichtlineare Medium (18) einen optisch nichtlinearen Kris tall, insbesondere einen Lithiumtriborat-Kristall (30,42), in einer Typ I- Phasematch-Konfiguration umfasst.
12. Lasergerät (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das optisch nichtlineare Medium (18) mindestens zwei einander nach geschaltete optisch nichtlineare Kristalle, insbesondere Lithiumtriborat- Kristalle (30,42), umfasst.
13. Lasergerät (2) nach Anspruch 12, wobei die mindestens zwei einander nachgeschalteten optisch nichtlinearen Kristalle (30,42) einen ersten Kristall (30) in einer Typ I-Phasematch- Konfiguration und einen zweiten Kristall (42) in einer Typ Il-Phasematch- Konfiguration umfassen.
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