DE68915566T2

DE68915566T2 - Frequenzumwandlung von optischer Strahlung.

Info

Publication number: DE68915566T2
Application number: DE68915566T
Authority: DE
Inventors: Douglas William Anthon; Jr Donald Lee Sipes
Original assignee: BP Corp North America Inc
Current assignee: BP Corp North America Inc
Priority date: 1988-02-18
Filing date: 1989-02-16
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2009-02-17
Also published as: EP0329442A3; JPH027487A; EP0329442B1; ATE106623T1; AU607048B2; KR890013512A; EP0329442A2; AU3007689A; US4884277A; DE68915566D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Umwandlung von optischer Strahlung mit einer Frequenz in optische Strahlung mit einer anderen Frequenz durch Wechselwirkung mit nicht-linearem optischem Material innerhalb eines optischen Hohlraums. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung von mindestens zwei Kristallen von nicht-linearem optischem Material bei einem derartigen Verfahren.

Hintergrund der Erfindung

Ein Laser ist eine Vorrichtung, die imstande ist, monochromatisches, kohärentes Licht durch stimulierte Emission von Photonen aus Atomen, Molekülen oder Ionen eines aktiven Mediums, die typischerweise vom Grundzustand in ein höheres Energieniveau durch eine Eingangsenergie angeregt worden sind, zu erzeugen. Eine derartige Vorrichtung enthalt einen optischen Hohlraum oder Resonator, der von hochgradig reflektierenden Oberflächen gebildet wird, die einen geschlossenen Hin- und Rückweg für Licht bilden, und das aktive Medium befindet sich innerhalb des optischen Hohlraums.
Wenn eine Populationsinversion durch Anregung des aktiven Mediums erzeugt wird, dann kann die spontane Emission eines Photons von einem angeregten Atom, Molekül oder Ion, das einem Übergang in einen Zustand niedrigerer Energie unterliegt, die Emission von Photonen mit im wesentlichen der gleichen Energie durch andere angeregte Atome, Moleküle oder Ionen stimulieren. Als Folge erzeugt das anfängliche Photon eine Kaskade von Photonen zwischen den reflektierenden Oberflächen des optischen Hohlraums, die im wesentlichen gleich hinsichtlich der Energie und exakt in Phase sind. Ein Teil dieser Kaskade von Photonen wird dann aus dem optischen Hohlraum abgegeben, z.B. durch Transmission durch eine oder mehrere der reflektierenden Oberflächen des Hohlraums. Diese abgegebenen Photonen machen die Laserausgangsleistung aus.
Die Anregung des aktiven Mediums eines Lasers kann nach einer Reihe von Verfahren erfolgen. Die üblichsten Verfahren sind jedoch das optische Pumpen, die Verwendung einer elektrischen Entladung und das Durchleiten eines elektrischen Stroms durch einen p-n-Übergang eines Halbleiterlasers.
Halbleiterlaser enthalten einen p-n-Übergang, der eine Diode bildet, und dieser Übergang wirkt als aktives Medium des Lasers. Derartige Vorrichtungen, die auch als Laserdioden bezeichnet werden, werden typischerweise aus Materialien, wie Galliumarsenid und Aluminium-Galliumarsenid-Legierungen, hergestellt. Der Wirkungsgrad derartiger Laser bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Ausgangsstrahlung ist relativ hoch und kann z.B. mehr als 40 % betragen.
Die Verwendung von Blitzlampen, Licht emittierenden Di- oden (der Ausdruck schließt in der vorliegenden Anmeldung superlumineszierende Dioden und Superlumineszierende Diodenarrays ein) und Laserdioden (der Ausdruck schließt in der vorliegenden Anmeldung Laserdiodenarrays ein) zum optischen Pumpen oder Anregen eines festen Lasermaterials ist bekannt. Lasermaterialien, die üblicherweise in derartigen Festphasen lasern verwendet werden, umfassen kristalline oder glasartige Wirtsmaterialien, denen ein aktives Material, wie dreiwertige Neodym-Ionen, einverleibt ist. besonders geeignete feste Lasermaterialien umfassen Substanzen, bei denen das aktive Material eine stöchiometrische Komponente des Lasermaterials ist. Derartige stöchiometrische Materialien umfassen z.B. Neodympentaphosphat und Lithiumneodymtetraphosphat. Ausführliche Zusammenfassungen herkömmlicher fester Lasermaterialien werden im CRC Handbook of Laser Science and Technology, Bd. I, M.J. Weber (Herausgeber), CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1982, S. 72-135, und von A.A. Kaminskii in Laser Crystals, Bd. 14 der "Springer Series in Optical Sciences", D.L. MacAdam (Herausgeber), Springer-Verlag, New York, N.Y., 1981, vorgelegt. Herkömmliche Wirtsmaterialien für Neodymionen umfassen Glas, Yttrium-Aluminium-Granat (Y&sub3;Al&sub5;O&sub1;&sub2;, als YAG bezeichnet), YAlO&sub3; (als YALO bezeichnet) , LiYF&sub4; (als YLF bezeichnet) und Gadolinium-Scandium-Gallium-Granat (Gd&sub3;Sc&sub2;Ga&sub3;O&sub1;&sub2;, als GSGG bezeichnet). Wenn beispielsweise ein mit Neodym dotierter YAG als Lasermaterial in einem optisch gepumpten Festphasenlaser eingesetzt wird, dann kann der Laser durch Absorption von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 808 nm gepumpt werden, und er kann Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm emittieren.
US-Patent 3 624 545, am 30. November 1971 an Ross erteilt, beschreibt einen optisch gepumpten Festphaseniaser, der aus einem YAG-Stab besteht, der von der Seite mit mindestens einer Halbleiterlaserdiode gepumpt wird. In ähnlicher Weise beschreibt US-Patent 3 753 145, das am 14. August 1973 an Chesler erteilt wurde, die Verwendung einer oder mehrerer Licht emittierender Halbleiterdioden, um einen mit Neodym dotierten YAG-Stab vom Ende her zu pumpen. Die Verwendung eines Array aus gepulsten Laserdioden, um ein festes Lasermaterial, wie mit Neodym dotiertem YAG, vom Ende her zu pumpen, wird im US-Patent 3 982 201, das am 21. September 1976 an Rosenkrantz et al. erteilt wurde, beschrieben. Schließlich berichtet D.L. Sipes, Appl. Phys. Lett., Bd. 47/2 (1985), S. 74-75, daß die Verwendung eines eng fokussierten Halbleiterlaserdiodenarrays zum Pumpen eines mit Neodym dotierten YAG vom Ende her zu einem hohen Wirkungsgrad der Umwandlung der Pumpstrahlung min einer Wellenlänge von 810 nm zu einer Ausgangsstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm führt.
Materialien mit nicht-linearen optischen Eigenschaften sind bekannt. Zum Beispiel beschreibt US-Patent 3 949 323, daß am 6. April 1976 an Bierlein et al. erteilt wurde, daß Materialien mit der Formel MTiO(XO&sub4;), worin M mindestens einen der Bestandteile K, Rb, Tl und NH&sub4; bedeutet; und x mindestens einen der Bestandteile P oder As bedeutet, mit der Ausnahme, daß, wenn NH&sub4; vorhanden ist, X nur P bedeutet, nicht-lineare optische Eigenschaften besitzen. Diese allgemeine Formel umfaßt Kaliumtitanylphosphat, KTiOPO&sub4;, ein besonders geeignetes nicht-lineares Material. Weitere bekannte nicht-lineare optische Materialien umfassen, ohne Beschränkung hierauf, KH&sub2;PO&sub4;, LiNbO&sub3;, KNbO&sub3;, β-BaB&sub2;O&sub4;, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5;, LiIO&sub3;, HIO&sub3;, KB&sub5;O&sub8; 4H&sub2;O, Kaliumlithiumniobat und Harnstoff. Ein Übersichtsartikel über die nicht-linearen optischen Eigenschaften einer Reihe verschiedener uniaxialer Kristalle ist in Sov. J. Quantum Electron., Bd. 7/1, Januar 1977, S. 1- 13, veröffentlicht worden. Ein Übersichtsartikel über nicht- lineare optische Materialien wird auch von S. Singh im CRC Handbook of Laser Science and Technology, Bd. III, M.J. Weber (Herausgeber), CRC Press, Inc., Boca Raton, Florida, 1986, S. 3-228, vorgelegt.
Die Umwandlung optischer Strahlung einer Frequenz in optische Strahlung einer anderen Frequenz durch die Wechselwirkung mit einem nicht-linearen optischen Material ist bekannt und gründlich untersucht worden. Beispiele einer derartigen Umwandlung umfassen die harmonische Erzeugung, das optische Mischen und die parametrische Oszillation. Die zweite harmonische Erzeugung oder "Frequenzverdopplungl ist vielleicht das bekannteste und wichtigste Beispiel nicht-linearer Optik, wobei ein Teil der Energie einer optischen Welle mit einer Kreisfrequenz ω, die sich in einem nicht-linearen optischen Kristall ausbreitet, in Energie einer Welle mit einer Kreisfrequenz von 2ω umgewandelt wird. Ein Übersichtsartikel über die zweite harmonische Erzeugung ist von A. Yariv in Quantum Electronics, 2. Auflage, John Wiley & Sons, New York, 1975, S. 407-434, und von W. Koechner in Solid State Laser Engineering, Springer-Verlag, New York, 1976, S. 491-524, vorgelegt worden.
Elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz im optischen Bereich, die sich in einem nicht-linearen Kristall aus breiten, induzieren Polarisationswellen, die Frequenzen haben, die der Summe und der Differenz der Frequenzen der anregenden Wellen entsprechen. Eine derartige Polarisationswelle kann Energie auf eine elektromagnetische Welle der gleichen Frequenz übertragen. Der Wirkungsgrad der Energieübertragung von einer Polarisationswelle auf die entsprechende elektromagnetische Welle ist eine Funktion (a) der Größe des Polarisierbarkeitstensors 2. Ordnung, da dieses Tensorelement die Amplitude der Polarisationswelle bestimmt; und (b) des Abstands, über den die Polarisationswelle und die eingestrahlte elektromagnetische Welle in ausreichendem Maße in Phase bleiben können.
Die Kohärenzlänge 1c ist ein Maß für die Phasenbeziehung zwischen der Polarisationswelle und der eingestrahlten Welle, die durch die folgende Beziehung gegeben ist:
1c = π/Δk
worin Δk die Differenz zwischen den Wellenvektoren der Polarisationswelle und der elektromagnetischen Welle ist Genauer gesagt ist die Kohärenzlänge der Abstand von der Eintrittsoberfläche des nicht-linearen optischen Kristalls zu dem Punkt, bei dem die Leistung der ausgestrahlten elektromagne tischen Welle ihren maximalen Wert erreicht. Eine Phasenübereinstimmung tritt auf, wenn Δk = 0 gilt. Die Bedingung Δk = 0 kann auch als n&sub3;ω&sub3; = n&sub1;ω&sub1; + n&sub2;ω&sub2; ausgedrückt werden, worin ω3 = ω&sub1; ± ω&sub2; gilt; ω&sub1; und ω&sub2; die Frequenzen der elektromagnetischen Eingangswellen bedeuten; ω&sub3; die Frequenz der ausgestrahlten elektromagnetischen Welle bedeutet; und n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; die Brechungsindizes der entsprechenden Wellen im nicht-linearen optischen Kristall bedeuten. Im speziellen Fall der zweiten harmonischen Erzeugung gibt es einfallende Strahlung von nur einer Frequenz ω, so daß ω&sub1; = ω&sub2; = ω und ω = 2ω gilt.
Für eine nennenswerte Umwandlung optischer Strahlung einer Frequenz in optische Strahlung einer anderen Frequenz in einem nicht-linearen optischen Kristall müssen die in Wechselwirkung tretenden Wellen im wesentlichen in Phase durch den ganzen Kristall hindurch bleiben:
Δk = k&sub3;-k&sub1;-k&sub2; < 2π/l
worin k&sub1;, k&sub2; und k&sub3; die Wellenzahlen wiedergeben, die den Strahlungsfrequenzen ω&sub1;, ω&sub2; bzw. ω&sub3; entsprechen, und l die Wechselwirkungslänge des nicht-linearen Materials bedeutet. Der Ausdruck im wesentlichen in Phasenübereinstimmung bedeutet in der vorliegenden Anmeldung, daß Δk < 2π/l für einen gegebenen nicht-linearen optischen Kristall erfüllt ist.
Ein herkömmliches Verfahren zum Erzielen einer Phasenübereinstimmung in einem nicht-linearen optischen Material nutzt die Tatsache, daß die Dispersion (die Änderung des Brechungsindex mit der Frequenz) durch Verwendung der natürlichen Doppelbrechung von uniaxialen oder biaxialen Kristallen ausgeglichen werden kann. Derartige Kristalle weisen zwei Brechungsindizes für eine gegebene Richtung der Ausbreitung auf, die den beiden erlaubten orthogonal polarisierten Fortpflanzungsmoden entsprechen. Dementsprechend ist es durch eine geeignete Wahl der Polarisation und der Richtung der Fortpflanzung oftmals möglich, eine Phasenübereinstimmung in einem doppelbrechenden nicht-linearen optischen Kristall zu erzielen. Der Ausdruck "Phasenübereinstimmungsachse" bezeichnet in der vorliegenden Anmeldung eine Gerade oder Richtung durch einen nicht-linearen optischen Kristall, entlang derer eine im wesentlichen in der Phase übereinstimmende Umwandlung einer gegebenen Eingangsstrahlung in eine gegebene Ausgangsstrahlung für mindestens bestimmte Polarisationen der Eingangsstrahlung erlaubt ist.
Die Phasenübereinstimmung gehört allgemein entweder zum Typ I oder zum Typ II. Eine Phasenübereinstimmung vom Typ I erfordert es, daß die einfallenden Wellen, die mit dem nicht- linearen optischen Material in Wechselwirkung treten, die gleiche Polarisation aufweisen. Eine Phasenübereinstimmung vom Typ II erfordert es, daß die einfallenden Wellen, die mit dem nicht-linearen optischen Material in Wechselwirkung treten, orthogonale Polarisationen aufweisen.
Die zweite harmonische Erzeugung innerhalb des Hohlraums eines Multilongitudinalmodenlasers durch einen im Hohlraum befindlichen Verdoppelungskristall ist kürzlich von T. Baer, J. Opt. Soc. Am. B, Bd. 3/9 (1986), S. 1175-1180, analysiert worden. Dieser Artikel legt eine experimentelle und theoretische Bewertung der Ausgangsleistung eines Nd:YAG-Lasers, der mit einem Laserdiodenarray gepumpt wird und einen Verdoppelungskristall im Hohlraum enthält, vor. Es wird berichtet, daß große Amplitudenfluktuationen und Longitudinalmodeninstabilitäten auftreten, wenn der Verdoppelungskristall in den Laserhohlraum eingesetzt wird. Es wird jedoch auch berichtet, daß diese Instabilitäten verschwinden, wenn der Laser durch ein Etalon im Hohlraum auf eine einzige Schwingungsmode beschränkt wird. Eine ausführliche theoretische Analyse eines Multilongitudinalinodenlasers mit einer Verdoppelung im Hohlraum wird von X.G. Wu et al., J. Opt. Soc. Am. B, Bd. 4/11 (1987), S. 1870-1877, vorgelegt.
Die US-Patente 4 656 635 (7. April 1987) und 4 701 929 (20. Oktober 1987), beide an Baer et al. erteilt, beschreiben einen mit Laserdioden gepumpten Festphasenlaser mit Frequenzverdoppelung im Hohlraum. In diesen Patenten wird angegeben, daß ein Problem bei derartigen Vorrichtungen die Erzeugung von Amplitudenrauschen unter Einschluß von großen Amplitudenspitzen ist, was die Verwendung bei Anwendungen, die eine hochgradig stabile oder konstante Ausgangsleistung erfordern, verhindert oder beschränkt. Es wird ferner festgestellt, daß dieses Rauschen sich aus einer Kombination von Multilongitudinalmoden ergibt. Es wird jedoch beschrieben, daß ein derartiges Rauschen verringert oder ausgeschaltet werden kann, indem ein Etalon in den Hohlraum des Lasers eingesetzt wird und der Laser damit gezwungen wird, bei einer einzigen Mode zu arbeiten. Es wird auch beschrieben, daß es möglich sein könnte, das Rauschen durch Modenarretierung des Lasers zu verringern
Das US-Patent 3 619 637, das am 9. November 1971 an Goto et al. erteilt wurde, beschreibt einen harmonischen Generator, der mindestens zwei nicht-lineare dielektrische Kristalle umfaßt, worin: (a) die Eingangs- und Ausgangsoberflächen der Kristalle parallel zueinander sind; (b) die Kristalle sich in Phasenübereinstimmung für die Umwandlung der Eingangsstrahlung in eine Harmonische befinden; (c) die Eingangsstrahlung auf die Kristalle senkrecht zu den Eingangsoberflächen gerichtet ist; (d) die Kristalle in einer Kaskade angeordnet sind; und (e) die optischen Achsen benachbarter Kristalle als Projektionen auf ihre Eingangsoberflächen sich in rechten Winkeln schneiden. Es wird ferner beschrieben, daß eine derartige Vorrichtung zur wirksamen Erzeugung von harmonischer Strahlung unabhängig von der Orientierung der Ebene der Polarisation der Eingangsstrahlung führt. In ähnlicher Weise ist US-Patent 4 510 902, das am 9. April 1985 an Summers et al. erteilt wurde, auf einen optischen harmonischen Generator gerichtet, der ein in Reihe angeordnetes Paar uniaxialer doppelbrechender Kristalle enthält, die entweder für die zweite oder die dritte harmonische Erzeugung angeordnet werden können. Keines dieser Patente enthält jedoch einen Vorschlag, daß mehrfache nicht-lineare optische Kristalle in den optischen Hohlraum eines Lasers eingesetzt werden können.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Verringerung oder zum Ausschalten von Amplitudenfluktuationen (Rauschen) gerichtet, die in der Ausgangsleistung eines Lasers bei Einsetzen eines nicht-linearen optischen Kristalls in den Laserhohlraum auftreten können. Derartiges Rauschen ist in hohem Maße unerwünscht, wenn die Ausgangsstrahlung eines derartigen Lasers bei Anwendungen, wie optischer Datenspeicherung, Spektroskopie, Kommunikation, Projektionsanzeigen, Laserdruckern und Laserfilm-Lese/Schreib-Systemen verwendet werden soll.
Erfindungsgemäß wird eine Laservorrichtung zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung bereitgestellt, die folgende Bestandteile umfaßt:
(a) einen optischen Hohlraum (Resonator) (3, 4) für zirkulierende optische Strahlung einer ersten Frequenz;
(b) innerhalb des Hohlraums angeordnetes Lasermaterial zur Erzeugung von optischer Strahlung der ersten Frequenz; und
(c) nicht-lineare optische Einrichtungen (5, 6) zur Umwandlung der Strahlung erster Frequenz in optische Strahlung einer zweiten Frequenz, wobei die nicht-linearen optischen Einrichtungen mindestens zwei nicht-lineare optische Kristalle umfassen, die innerhalb des optischen Hohlraums so positioniert sind, daß sie jeweils eine Phasenabstimmungsachse für die Strahlung der ersten und zweiten Frequenz aufweisen, wobei die Kristalle in bezug zueinander und um ihre jeweiligen Phasenabstimmungsachsen so orientiert sind, daß sie mit der Strahlung der ersten Frequenz, die innerhalb des optischen Hohlraums zirkuliert, in Wechselwirkung treten und die Strahlung der zweiten Frequenz aus allen möglichen Polarisationen der zirkulierenden Strahlung der ersten Frequenz erzeugen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein optisch gepumpter Multilongitudinalmoden-Festphasenlaser bereitgestellt, der folgende Bestandteile umfaßt:
(a) einen optischen Hohlraum (35, 36) für zirkulierende optische Strahlung einer ersten Frequenz;
(b) eine optische Pumpeinrichtung (31, 32) zum Erzeugen von optischer Pumpstrahlung, die aus der Gruppe von Laserdioden und lichtemittierenden Dioden ausgewählt ist;
(c) festes Lasermaterial (34), das im Hohlraum angeordnet und so positioniert ist, daß es die Pumpstrahlung aus der optischen Pumpeinrichtung aufnimmt und bewirkt, daß eine optische Strahlung der ersten Frequenz bei Aufnahme der Pumpstrahlung erzeugt wird; und
(d) nicht-lineare optische Einrichtungen (37, 38) zur Umwandlung der Strahlung erster Frequenz in optische Strahlung einer zweiten Frequenz, wobei die nicht-linearen optischen Einrichtungen mindestens zwei nicht-lineare optische Kristalle umfassen, die innerhalb des optischen Hohlraums so positioniert sind, daß sie jeweils eine Phasenabstimmungsachse für die Strahlung der ersten und zweiten Frequenz aufweisen, wobei die Kristalle in bezug zueinander und um ihre jeweiligen Phasenabstimmungsachsen so orientiert sind, daß sie mit der Strahlung der ersten Frequenz, die innerhalb des optischen Hohlraums zirkuliert, in Wechselwirkung treten und die Strahlung der zweiten Frequenz aus allen möglichen Polarisationen der zirkulierenden Strahlung der ersten Frequenz erzeugen.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Erzeugen von kohärenter optischer Strahlung bereitgestellt, das folgendes umfaßt:
(a) Erzeugen einer optischen Strahlung einer ersten Frequenz aus einem Lasermaterial (1) innerhalb eines optischen Hohlraums (3, 4) zur Zirkulation von Strahlung der ersten Frequenz; und
(b) Umwandeln der Strahlung der ersten Frequenz in optische Strahlung einer zweiten Frequenz innerhalb des optischen Hohlraums mit nicht-linearen optischen Einrichtungen (5, 6), wobei die nicht-linearen optischen Einrichtungen mindestens zwei nicht-lineare optische Kristalle umfassen, die innerhalb des optischen Hohlraums so positioniert sind, daß sie jeweils eine Phasenabstimmungsachse für die Strahlung der ersten und zweiten Frequenz aufweisen, wobei die Kristalle in bezug zueinander und um ihre jeweiligen Phasenabstimmungsachsen so orientiert sind, daß sie mit der Strahlung der ersten Frequenz, die innerhalb des optischen Hohlraums zirkuliert, in Wechselwirkung treten und die Strahlung der zweiten Frequenz aus allen möglichen Polarisationen der zirkulierenden Strahlung der ersten Frequenz erzeugen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Laser mit verbesserter Amplitudenstabilität bereitzustellen, bei dem die Frequenz durch eine im Hohlraum befindliche, nicht- lineare optische Einrichtung modifiziert ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen optisch gepumpten Multilongitudinalmoden-Festphasenlaser mit einer Verdoppelung im Hohlraum mit verbesserter Amplitudenstabilität bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen diodengepumpten Multilongitudinalmoden-Festphasenlaser mit Verdoppelung im Hohlraum mit verbesserter Ausgangsleistungsstabilität bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verringerung von Amplitudeninstabilitäten bereitzustellen, die in der Ausgangsleistung eines Lasers beobachtet werden, wenn nicht-lineare optische Materialien in den Hohlraum des Lasers eingesetzt werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verbesserung der Amplitudenstabilität eines Lasers mit Frequenzverdoppelung im Hohlraum bereit zustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 der Zeichnung ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 der Zeichnung ist eine perspektivische Ansicht von zwei Komponenten der in Fig. 1 erläuterten Ausführungsform.
Fig. 3 der Zeichnung ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 der Zeichnung erläutert die optische Ausgangsleistung eines Laserdioden-gepumpten Festphasenlasers mit Frequenzverdoppelung von dem Typ, der in Fig. 4 erläutert ist, und den mittleren quadratischen Rauschgehalt (RMS- Rauschgehalt) der Ausgangsleistung als Funktion der Temperatur des Laserhohlraums.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Während die vorliegende Erfindung sich für eine Verwirklichung in vielen Formen eignet, sind in Figg. 1, 3 und 4 drei spezielle Ausführungsformen gezeigt, mit dem Hinweis, daß die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf die erläuterten Ausführungsformen beschränken soll.
Mit Bezug auf Fig. 1 emittiert Lasermaterial 1 Laserlicht (nachstehend als Hohlraumstrahlung bezeichnet) als Antwort auf eine Anregung durch eine Anregungseinrichtung, die in der Zeichnung nicht gezeigt ist. Die Hohlraumstrahlung zirkuliert anschließend entlang eines Pfades 2 innerhalb des optischen Hohlraums, der durch Spiegel 3 und 4 gebildet wird. Nicht-lineare optische Kristalle 5 und 6 sind im optischen Hohlraum in einer solchen Weise angeordnet, daß die Hohlraumstrahlung mit jedem der Kristalle entlang einer Phasenübereinstimmungsachse für die Umwandlung von Hohlraumstrahlung in Strahlung, die eine Harmonische davon ist, in Wechselwirkung treten kann. Harmonische Strahlung wird durch Wechselwirkung der Hohlraumstrahlung mit den nicht-linearen optischen Kristallen 5 und 6 erzeugt und tritt durch den Spiegel 4 als Ausgangsstrahlung 7.
Bei dem Lasermaterial 1 kann es sich um ein beliebiges herkömmliches Material handeln, das im Stande ist, bei Anregung mit einer geeigneten Energiequelle Laserlicht zu erzeugen. Es ist darauf hinzuweisen, daß das Lasermaterial 1 im gasförmigen, flüssigen oder festen Zustand vorliegen kann, z.B. in einem Excimer-Laser (Gas), in einem Farbstofflaser (Flüssigkeit) oder in einem mit Neodym dotierten YAG-Laser (Feststoff). Die durch die kohärente Emission von Licht durch das Lasermaterial 1 erzeugte Strahlung kann polarisiert oder weitgehend unpolarisiert sein.
Die Spiegel 3 und 4 sind hochgradig reflektierend für die Hohlraumstrahlung, die durch die Emission von kohärentem Licht durch das Lasermaterial 1 erzeugt wird. Außerdem ist der Spiegel 3 vorzugsweise hochgradig reflektierend für die Ausgangsstrahlung 7 mit modifizierter Frequenz, während der Spiegel 4 hochgradig transparent für die Ausgangsstrahlung 7 ist.
Hohlraumstrahlung, die innerhalb des durch die Spiegel 3 und 4 gebildeten optischen Hohlraums zirkuliert, wird auf die nicht-linearen optischen Kristalle 5 und 6 entlang einer Phasenübereinstimmungsachse jedes Kristalls, die eine wirksame Umwandlung der Hohlraumstrahlung in die gewünschte Harmonische erlaubt, gerichtet. Die beiden nicht-linearen optischen Kristalle 5 und 6 können die gleiche chemische Zusammensetzung oder verschiedene chemische Zusammensetzungen aufweisen. Zum Beispiel können die Kristalle 5 und 6 beide aus Kaliumtitanylphosphat bestehen, oder gemäß einer Alternative kann ein Kristall aus Kaliumtitanylphosphat bestehen, während der andere Kristall aus einem beliebigen anderen geeigneten nicht-linearen optischen Material besteht.
Wenn man einen Strahl von kohärenter Strahlung in Wechselwirkung mit einem einzelnen nicht-linearen optischen Kristall entlang einer Phasenübereinstimmungsachse treten läßt, wobei der Kristall eine festgelegte Orientierung um diese Achse aufweist, dann treten bestimmte Polarisationen des Eingangsstrahls nicht mit dem Kristall unter Bildung von Ausgangsstrahlung mit modifizierter Frequenz in Wechselwirkung. Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung läßt man zwei oder mehr nicht-lineare optische Kristalle (nur zwei derartige Kristalle, 5 und 6, sind in Fig. 1 gezeigt) in Wechselwirkung mit der Hohlraumstrahlung treten. Die Orientierung dieser Kristalle in bezug aufeinander um die ausgewählte Phasenübereinstimmungsachse wird so eingestellt, daß die Ausgangsstrahlung 7 mit modifizierter Frequenz aus allen möglichen Polarisierungen der Hohlraumstrahlung, die innerhalb des optischen Hohlraums zirkuliert, erzeugt wird. Die Erfindung beinhaltet die Orientierung der Kristalle in bezug aufeinander um die ausgewählte Phasenübereinstimmungsachse, um die Erzeugung von Ausgangsstrahlung 7 zu maximieren und Amplitudenfluktuationen in der Ausgangsstrahlung 7, die aus der Vorrichtung abgegeben wird, zu minimieren.
Wenn die erfindungsgemäßen nicht-linearen optischen Kristalle die gleiche Zusammensetzung aufweisen, dann weisen sie vorzugsweise eine unterschiedliche kristallographische Orientierung in bezug aufeinander auf. Dementsprechend tritt Hohlraumstrahlung einer gegebenen Polarisation mit jedem Kristall in einer unterschiedlichen Weise in Wechselwirkung, wobei sichergestellt wird, daß Ausgangsstrahlung 7 mit modifizierter Frequenz aus dieser Eingangsstrahlung erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Zweikristallvorrichtung, die in Fig. 1 erläutert ist, können beide Kristalle 5 und 6 aus Kaliumtitanylphosphat bestehen, das zur orthorhombischen Punktgruppe mm2 (Raumgruppe Pna2&sub1;) gehört, der ein Symmetriezentrum fehlt. Diese Kristalle können für die Umwandlung von Hohlraumstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm in ihre zweite Harmonische, die eine Wellenlänge von 532 nm aufweist, in Phasenübereinstimmung gebracht werden. Für diese Frequenzumwandlung können die Kaliumtitanylphosphatkristalle für eine Wechselwirkung vom Typ 11 mit der Hohlraumstrahlung, die sich entlang der Phasenübereinstimmungsachse innerhalb der kristallographischen xy-Ebene 24 ± 2ºC neben der kristallographischen x-Achse und senkrecht zur kristallographischen z- Achse ausbreitet, orientiert werden. Wenn diese gleiche Phasenübereinstimmungsachse für jeden Kristall verwendet wird, dann befindet sich die kristallographische z-Achse eines Kristalls wunschenswerterweise in einem Winkel um diese Achse im Hinblick auf die z-Achse des zweiten Kristalls. Dieser Winkel kann einen beliebigen von einer Reihe möglicher Werte annehmen. Man nimmt jedoch an, daß ein Winkel im Bereich von etwa 30 bis etwa 70º besonders zufriedenstellend ist.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform, die die Verwendung von zwei Kristallen aus Kaliumtitanylphosphat, die für die Umwandlung von Hohlraumstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm in Ausgangsstrahlung in Ausgangsstrahlung mit einer Wellenlänge von 532 nm in Phasenübereinstimmung gebracht sind, beinhaltet, ist in Fig. 2 erläutert, wo die Ausbreitung der Hohlraumstrahlung entlang der Gerade 10 erfolgt und die Phasenübereinstimmungsachse der Kaliumtitanylphosphatkristalle 11 und 12 ebenfalls entlang der Gerade 10 verläuft. Die Orientierung der kristallographischen z-Achse von Kristall 11 im Hinblick auf die Gerade 10 ist durch die Gerade 13 angedeutet, und die Orientierung der kristallographischen z-Achse von Kristall 12 im Hinblick auf die Gerade 10 ist durch die Gerade 14 angedeutet. Die durch die Geraden 10 und 13 definierte Ebene und die durch die Geraden 10 und 14 definierte Ebene bilden einen Winkel von z.B. etwa 60º miteinander.
Es ist natürlich darauf hinzuweisen, daß mehr als zwei nicht-lineare optische Kristalle bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden können. Zum Beispiel können drei oder vier Kristalle verwendet werden, die wünschenswerterweise in bezug aufeinander in einer solchen Weise angeordnet sind, daß die gewünschte Ausgangsstrahlung mit modifizierter Frequenz für alle möglichen Polarisationen der zirkulierenden Hohlraumstrahlung erzeugt wird.
Die geometrische Form der bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendeten nicht-linearen optischen Kristalle kann stark variieren. Zum Beispiel können die Kristalle stabförmig sein, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, oder eine rhomboedrische Form aufweisen, und Kristalle mit linsenförmigen Oberflächen können verwendet werden, wenn dies gewünscht wird. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß die nicht- linearen optischen Kristalle Heizeinrichtungen, die damit verbunden sind, aufweisen können, die Temperatur der Kristalle zu steuern und dabei die Phasenübereinstimmung zu optimieren. Zum Beispiel kann jeder Kristall eine damit verbundene getrennte und unabhängig gesteuerte Heizeinrichtung aufweisen. Wenn möglich, wird üblicherweise eine nicht-kritische Phasenübereinstimmung bevorzugt, um die Einflüsse der Strahl divergenz und des "walk-off" zu minimieren.
Kaliumtitanylphosphat (KTiOPO&sub4;) ist ein besonders bevorzugtes nicht-lineares optisches Material. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß ein beliebiges nicht-lineares optisches Material bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden kann. Geeignete nicht-lineare optische Materialien umfassen, ohne Beschränkung hierauf, KH&sub3;PO&sub4;, LiNbO&sub3;, KNbO&sub3;, β-BaB&sub2;O&sub4;, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5;, LiIO&sub3;, H10&sub3;, KB&sub5;O&sub8; 4H&sub2;O, Kalium-Lithium-Niobat, Harnstoff und Verbindungen der Formel MTiO(XO&sub4;), worin M aus der Gruppe K, Rb und Tl ausgewählt ist und X aus der Gruppe P und As ausgewählt ist.
Wie vorstehend bemerkt wurde, ist beobachtet worden, daß große Amplitudenfluktuationen und Longitudinalmodeninstabilitäten in die Ausgangsleistung eines mit Neodym dotierten YAG-Lasers eingeführt werden, wenn ein nicht-linearer optischer Kristall in den Laserhohlraum eingesetzt wird, um eine Frequenzverdoppelung der Laserausgangsstrahlung zu erzielen. Wir haben festgestellt, daß diese Instabilitäten verringert oder ausgeschaltet werden können, indem erfindungsgemäß eine Mehrzahl von nicht-linearen optischen Kristallen verwendet wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der in Fig. 1 erläuterte Laser zusätzlich mit einer Temperatursteuereinrichtung zur Einstellung und Steuerung der Temperatur des optischen Hohlraums des Lasers und des Inhalts davon ausgestattet. Diese Temperatursteuereinrichtung sollte bewirken, daß der optische Hohlraum bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird. Die Temperatursteuereinrichtung kann von einem beliebigen herkömmlichen Typ sein, z.B. eine elektrisch betriebene Widerstandsheizung oder eine thermoelektrische Vorrichtung. Durch die Verwendung einer derartigen Temperatursteuereinrichtung werden die Temperatur des Hohlraums und des Inhalts davon wünschenswerterweise beim gewählten Wert ±1ºC, vorzugsweise beim gewählten Wert ±0,5ºC und insbesondere beim gewählten Wert ±0,1ºC gehalten. Indem der optische Hohlraum und der Inhalt davon bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden, ist es möglich, die Amplitude der Ausgangsstrahlung 7 weiter zu stabilisieren.
Die statistischen Fluktuationen der Amplitude der Ausgangsstrahlung 7 z.B. innerhalb eines Frequenzbereiches von etwa 1 kHz bis etwa 50 MHz werden als Rauschen bezeichnet und zweckmäßigerweise als prozentuales mittleres quadratisches Rauschen (% EMS) gemessen. Obwohl ein Laser mit einer Frequenzmodifizierung im Hohlraum mit einer verbesserten Amplitudenstabilität durch die einfache Verwendung einer Mehrzahl nicht-linearer optischer Kristalle 5 und 6 innerhalb des Laserhohlraums erhalten wird, haben wir festgestellt, daß der Rauschgehalt der Ausgangsstrahlung 7 im wesentlichen auf null in bestimmten Temperaturbereichen fällt. Wenn genauer gesagt der Rauschgehalt der Ausgangsstrahlung 7 als Funktion der Temperatur des Laserhoh1raums gemessen wird, dann werden bestimmte Temperaturbereiche oder "Temperaturfenster" beobachtet, in denen das Rauschen im wesentlichen auf null abfällt. Die Breite dieser Fenster und die genauen Temperaturen, bei denen sie auftreten, sind für jeden einzelnen Laser verschieden, d.h., selbst wenn beträchtliche Anstrengungen unternommen werden, um zwei vollständig identische Laser zu bauen, haben wir festgestellt, daß sie sich ausreichend unterscheiden, so daß der Rauschgehalt der Ausgangsstrahlung 7 als eine Funktion der Temperatur des Laserhohlraums eine einzigartige Charakteristik jeder Vorrichtung ist. Für einen gegebenen Laser ändert sich der Rauschgehalt der Ausgangsstrahlung 7 als eine Funktion der Temperatur jedoch nicht in signifikanter Weise über lange Zeitspannen (z.B. Wochen oder Monate) oder bei wiederholten Zyklen über große Temperaturbereiche. Dementsprechend umfaßt eine stark bevorzugte Ausführungsform der Erfindung die Ermittlung eines Fensters für den im wesentlichen rauschfreien Betrieb eines Lasers durch Messen des Rauschgehalts der Ausgangsstrahlung 7 als eine Funktion der Temperatur des optischen Hohlraums und das Aufrechterhalten der Temperatur des Laserhohlraums bei einem Wert innerhalb eines derartigen Fensters während des nachfolgenden Betriebs. Diese Fenster für den im wesentlichen rauschfreien Betrieb sind typischerweise etwa 0,5 bis etwa 5ºC breit, und innerhalb eines derartigen Fensters beträgt das prozentuale mittlere quadratische Rauschen typischerweise weniger als etwa 5 % und häufig weniger als etwa 1 %. Diese Fenster für den im wesentlichen rauschfreien Betrieb werden in einfacher Weise durch Messung des Rauschgehalts der Ausgangsstrahlung 7 über einen Bereich von Temperaturen, der vom Betriebs standpunkt aus zweckmäßig ist, z.B. von etwa 0 bis etwa 100ºC oder noch zweckmäßiger von etwa 30 bis etwa 65ºC, identifiziert. Diese Messung wird wünschenswerter Weise über einen Bereich von mindestens etwa 5ºC und vorzugsweise über einen Bereich von mindestens etwa 10 oder 20ºC durchgeführt, um eine ausreichend repräsentative Statistik für die temperaturbezogenen Gebrauchseigenschaften des Lasers zu erhalten.
Fig. 3 erläutert schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die mit der von Fig. 1 identisch ist, mit der Ausnahme der Anordnung der nicht-linearen optischen Kristalle. Mit Bezug auf Fig. 3 emittiert Lasermaterial 20 Laserlicht (nachstehend als Hohlraumstrahlung bezeichnet) als Antwort auf eine Anregung durch eine Anregungseinrichtung, die nicht gezeigt ist. Die Hohlraumstrahlung zirkuliert anschließend entlang eines Pfades 21 innerhalb des optischen Hohlraums, der durch Spiegel 22 und 23 gebildet wird. Nicht- lineare optische Kristalle 24 und 25 sind innerhalb des optischen Hohlraums in einer solchen Weise angeordnet, daß die Hohlraumstrahlung mit jedem Kristall entlang einer Phasenübereinstimmungsachse für die Umwandlung von Hohlraumstrahlung in Strahlung, die eine Harmonische davon ist, in Wechselwirkung treten kann. Die Beschaffenheit und Orientierung der Kristalle 24 und 25 entspricht der der Kristalle 5 und 6 von Fig. 1. Harmonische Strahlung wird durch Wechselwirkung der Hohlraumstrahlung mit den nicht-linearen optischen Kristallen 24 und 25 erzeugt und tritt durch den Spiegel 23 als Ausgangsstrahlung 26.
Fig. 4 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform der Erfindung, wobei zwei nicht-lineare optische Kristalle in einem optischen Hohlraum eines optisch gepumpten Festphasenlasers enthalten sind. Mit Bezug auf Fig. 4 wird optische Pumpstrahlung 30 aus optischen Pumpeinrichtungen 31 und 32 durch eine Fokussiereinrichtung 33 auf ein festes Lasermaterial 34 fokussiert, das eine geeignete reflektierende Beschichtung auf einer Oberfläche 35 aufweist und durch die Strahlung aus den Pumpeinrichtungen (31 und 32) gepumpt werden kann. Vom Lasermaterial 34 emittiertes kohärentes Licht ist im optischen Hohlraum, der durch die reflektierende Beschichtung auf der Oberfläche 35 und einen Spiegel 36 gebildet wird, enthalten und wird nachstehend als Hohlraumstrahlung bezeichnet. Nicht-lineare optische Kristalle 37 und 38 sind innerhalb des optischen Hohlraums in einer solchen Weise angeordnet, daß die Hohlraumstrahlung, die innerhalb des optischen Hohlraums zirkuliert, in Wechselwirkung mit jedem Kristall entlang einer Phasenübereinstimmungsachse für die Umwandlung von Hohlraumstrahlung in Strahlung, die eine Harmonische davon ist, treten kann. Die Beschaffenheit und Orientierung der Kristalle 37 und 38 entspricht der der Kristalle 5 und 6 von Fig. 1. Harmonische Strahlung wird durch Wechselwirkung der Hohlraumstrahlung mit den nicht-linearen optischen Kristallen 37 und 38 erzeugt und tritt durch den Spiegel 36 als Ausgangsstrahlung 39.
Die optischen Pumpeinrichtungen 31 und 32 können beliebige herkömmliche Quellen für optische Pumpstrahlung umfassen. Geeignete Quellen umfassen, ohne Beschränkung hierauf, Blitzlichtlampen und Laser. Bevorzugte Quellen für Pumpstrahlung 30 bestehen jedoch aus Licht emittierenden Dioden und Laserdioden. Derartige Dioden sind üblicherweise mit einer wärmebeständigen und thermisch leitfähigen Wärmesenke verbunden und in einem Metallgehäuse eingepackt. Für einen wirksamen Betrieb stimmt die Pumpstrahlung 30 mit einem geeigneten Absorptionsband des Lasermaterials 34 überein. Es sind herkömmliche Licht emittierende Dioden und Laserdioden verfügbar, die Ausgangsstrahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 630 bis etwa 1600 nm erzeugen, und eine beliebige derartige Vorrichtung zur Erzeugung vom Pumpstrahlung 30 mit einer Wellenlänge, die beim Pumpen des Lasermaterials 34 wirksam ist, kann bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel können AlGaInP/GaInP-Vorrichtungen verwendet werden, um Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 630 nm bis etwa 700 nm bereitzustellen; GaAlAs-Vorrichtungen können verwendet werden, um Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 750 nm bis etwa 900 nm bereitzustellen; und InGaAsP-Vorrichtungen können verwendet werden, um Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 1000 bis etwa 1600 nm bereitzustellen.
Eine besonders geeignete Quelle für optische Pumpstrahlung 30 besteht aus einem Gallium-Aluminium-Arsenid-Laserdiodenarray 32, das Licht mit einer Wellenlänge von etwa 810 nm emittiert und mit einer Wärmesenke 31 verbunden ist. Die Wärmesenke 31 kann einen passiven Charakter aufweisen. Die Wärmesenke 31 kann jedoch auch eine thermoelektrische Kühleinrichtung umfassen, um dazu beizutragen, daß Laserdiodenarray 32 bei einer konstanten Temperatur zu halten und damit einen optimalen Betrieb des Laserdiodenarray 32 bei einer konstanten Wellenlänge sicherzustellen. Es ist darauf hinzuweisen, daß während des Betriebs die optische Pumpeinrichtung selbstverständlich mit einer geeigneten Stromquelle verbunden ist. Elektrische Kabel von dem Laserdiodenarray 32, die zu einer Stromquelle führen, sind in Fig. 4 nicht gezeigt.
Die Fokussiereinrichtung 33 dient dazu, die Pumpstrahlung 30 auf das Lasermaterial 34 zu fokussieren. Diese Fokussierung führt zu einer hohen Pumpintensität und einem damit verbundenen hohen Wirkungsgrad der Photon-Photon-Umwandlung im Lasermaterial 34. Die Fokussiereinrichtung 33 kann beliebige herkömmliche Einrichtungen zur Fokussierung von Licht, wie eine Gradientenindexlinse ("gradient index lens"), eine Kugellinse, asphärische Linse oder eine Kombination von Linsen, umfassen. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Fokussiereinrichtung 33 nicht wesentlich für die Ausführung der vorliegenden Erfindung ist und die Verwendung einer derartigen Fokussiereinrichtung lediglich eine bevorzugte Ausführungsform darstellt.
Beliebige herkömmliche feste Lasermaterialien 34 können verwendet werden, sofern sie durch die ausgewählte optische Pumpeinrichtung optisch gepumpt werden können. Geeignete Lasermaterialien umfassen, ohne Beschränkung hierauf, Feststoffe, die aus der Gruppe der glasartigen und kristallinen Wirtsmaterialien, die mit einem aktiven Material dotiert sind, ausgewählt sind. Besonders geeignete aktive Materialien umfassen, ohne Beschränkung hierauf, Ionen von Chrom, Titan und Seltenerdenmetallen. Besonders geeignete Lasermaterialien umfassen mit Neodym dotierter YAG, mit Neodym dotiertes YALO und mit Neodym dotiertes YLF. Beispielsweise ist mit Neodym dotierter YAG ein besonders geeignetes Lasermaterial 34 für die Verwendung in Kombination mit einer optischen Pumpeinrichtung, die Licht mit einer Wellenlänge von 810 nm erzeugt.
Wenn mit Neodym dotierter YAG mit Licht dieser Wellenlänge gepumpt wird, dann kann er Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm emittieren.
Die genaue geometrische Form des Lasermaterials 34 kann stark variieren. Zum Beispiel kann das Lasermaterial 34 stabförmig sein, oder es kann rhomboedrisch in seiner Form sein, falls dies gewünscht ist, und es können linsenförmige Oberflächen verwendet werden, falls dies gewünscht wird. Zum Beispiel kann eine konvexe Eingangsoberfläche anstelle der flachen Oberfläche 35, die in Fig. 4 gezeigt ist, verwendet werden. Eine derartige konvexe Oberfläche kann dazu dienen, die Resonatorempfindlichkeit gegenüber einer Fehlausrichtung zu verringern und einen Ausgangsstrahl aus dem Lasermaterial 34 zu erzeugen, der einen optimierten schmalsten Strahlbereich für die wirksame Wechselwirkung mit den nicht-linearen optischen Kristallen 37 und 38 aufweist. Gegebenenfalls kann eine vom Ende her gepumpte Faser als Lasermaterial verwendet werden. Besonders geeignete Fasern für diesen Zweck umfassen, ohne Beschränkung hierauf, optische Glasfasern, die mit Ionen von Seltenerdenmetallen, wie Neodym, dotiert sind. Die Länge einer derartigen Faser kann in einfacher Weise so eingestellt werden, daß man eine Absorption im wesentlichen der gesamten optischen Pumpstrahlung 30 erhält. Wenn eine sehr lange Faser erforderlich ist, dann kann sie aufgerollt werden, z.B. auf einer Rolle, um die Gesamtlänge des erfindungsgemäßen Lasers zu minimieren.
Die reflektierende Beschichtung auf der Oberfläche 35 des Lasermaterials 34 wird in einer solchen Weise ausgewählt, daß sie im wesentlichen transparent für die optische Pumpstrahlung 30, jedoch hochgradig reflektierend im Hinblick auf die Hohlraumstrahlung, die durch die Emission von kohärentem Licht durch das Lasermateria1 34 erzeugt wird, ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Beschichtung auch hochgradig reflektierend für die harmonische Ausgangsstrahlung 39. Ein hoher Reflexionsgrad der Beschichtung für diese harmonische Strahlung dient dazu, Seitenverluste beim Pumpen an harmonischer Strahlung, die bei Reflexion der Hohlraumstrahlung in die nicht-linearen optischen Kristalle 37 und 38 durch den Spiegel 36 erzeugt wird, zu verhindern. Eine derartige Beschichtung ist herkömmlich in ihrem Charakter, und es kann sich z.B. um eine dielektrische Beschichtung handeln.
Der Spiegel 36 wird auf eine solche Weise ausgewählt, daß er hochgradig reflektierend für die Hohlraumstrahlung ist, die durch die Emission von kohärentem Licht durch das Lasermaterial 34 erzeugt wird, jedoch im wesentlichen transparent für die Ausgangsstrahlung 39 ist, die durch Wechselwirkung der Hohlraumstrahlung mit den nicht-linearen optischen Kristallen 37 und 38 erzeugt wird. Der Spiegel 36 ist herkömmlich in seinem Charakter und kann z.B. beliebige herkömmliche Beschichtungen auf beliebigen geeigneten Substraten umfassen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Laser mit modifizierter Frequenz von Fig. 4 zusätzlich mit einer Temperatursteuereinrichtung zur Einstellung und Steuerung der Temperatur des optischen Laserhohlraums und des Inhalts davon ausgestattet. Wie im Zusammenhang mit der in Fig. 1 erläuterten Ausführungsform erörtert wurde, dient die Verwendung einer derartigen Temperatursteuereinrichtung, mit der der Hohlraum und der Inhalt davon bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden, dazu, die Amplitudenfluktuationen der Ausgangsstrahlung 39 weiter zu verringern.
In einem speziellen Beispiel der in Fig. 4 erläuterten Ausführungsform wird mit Neodym dotiertes YAG als Lasermaterial 34 verwendet, und die nicht-linearen optischen Kristalle 37 und 38 bestehen beide aus Kaliumtitanylphosphat. Der mit Neodym dotierte YAG wird optisch mit einem Mehrfachstreifen-Laserdiodenarray 32 gepumpt, das mit einer thermoelektrischen Kühleinrichtung 31 verbunden ist (das Array und die damit verbundene thermoelektrische Kühleinrichtung bilden eine Vorrichtung Modell SDL 2422-H1, die von Spectra Diode Labs in San Jose, Kalifornien, hergestellt wird). Das Laserdiodenarray 32 ist ein 10-Streifenarray, das aus Streifen von 3 µm aut Zentren von 10 µm besteht und etwa 200 mW Pumpstrahlung 30 mit einer Wellenlänge von etwa 810 nm bereitstellen kann. Diese Pumpstrahlung 30 wird auf das Lasermaterial 34 durch eine Gradientenindexlinse mit einer Ganghöhe ("pitch") von 0,29 fokussiert. Das Lasermaterial 34 enthält etwa 1 % Neodym und hat die Form eines Stabes mit einer Länge von 7 mm und einem Durchmesser von 3 mm. Das Lasermaterial 34 ist für einen Betrieb mit einem niedrigen Schwellenwert bei einer Wellenlänge von 1064 nm orientiert und emittiert Licht (Hohlraumstrahlung) mit einer Wellenlänge von 1064 nm als Antwort auf eine Anregung durch die Pumpstrahlung. Die Eingangsfläche 35 des Lasermaterials 34 trägt eine dielektrische Mehrschichtbeschichtung, die hochgradig reflektierend (R > 99,8 %) bei einer Wellenlänge von 1064 nm und hochgradig transparent (T > 80 %) bei einer Wellenlänge von 810 nm ist. Die Ausgangsoberfläche 40 des Lasermaterials 34 trägt eine Antireflexionsbeschichtung (R < 0,2 %) für Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Die nicht-linearen optischen Kristalle 37 und 38 sind rhomboedrische Prismen von Kaliumtitanylphosphat mit Abmessungen von 1 x 1 x 3 mm (mit einer Wechselwirkungslänge von 3 mm für die Hohlraumstrahlung), und sie sind für eine nicht-kritische Umwandlung von Hohlraumstrahlung bei Phasenübereinstimmung vom Typ II in ihre zweite Harmonische mit einer Wellenlänge von 532 nm zurechtgeschnitten. Die Kristalle 37 und 38 sind auch auf eine solche Weise angeordnet, daß die kristallographische z-Achse des einen Kristalls einen Winkel von 450 in bezug auf die kristallographische z-Achse des anderen Kristalls um die Achse, entlang derer die Hohlraumstrahlung auf sie trifft, einnimmt. Ferner sind die Kristalle 37 und 38 antireflektierend im Hinblick auf Strahlung sowohl mit einer Wellenlänge von 532 nm als auch mit einer Wellenlänge von 1064 nm beschichtet. Ausgangs- Strahlung 39 mit einer Frequenz von 532 nm tritt durch den Spiegel 36, der einen Krümmungsradius von 10 cm aufweist und eine dielektrische Beschichtung trägt, die hochgradig reflektierend (R > 99,8 %) bei einer Wellenlänge von 1064 nm und hochgradig transparent bei einer Wellenlänge von 532 nm ist. Der optische Hohlraum dieses Lasers weist eine Länge (Abstand von der Oberfläche 35 zum Spiegel 36) von etwa 30 mm auf.
Eine Reihe von Lasern wurden gebaut, wie es ausführlich vorstehend für das spezielle Beispiel des in Fig. 4 erläuterten Lasers beschrieben wurde. Die Leistung und das prozentuale mittlere quadratische Rauschen der Ausgangsstrahlung bei 532 nm aus jedem Laser in der Reihe wurden gemessen als eine Funktion der Temperatur über einen Bereich von etwa 30 bis etwa 70ºC, indem der optische Hohlraum jedes Lasers in einen komplementär geformten Kupferblock eingepaßt wurde, dessen Temperatur mittels zirkulierendem heißem Wasser aus einem thermostatisierten Reservoir gesteuert wurde. Die Ausgangsleistung wurde mit einem Leistungsmeßgerät Linconix Modell 45 PM gemessen, und das prozentuale mittlere quadratische Rauschen der Ausgangsstrahlung wurde durch Untersuchung der Strahlung mit einem optischen Wellenformenanalysator Photodyne Modell 1500XP und Bewertung des erhaltenen Signals mit einem Voltmeter Ballantine Modell 323 True EMS AC ermittelt. Die Ergebnisse für ein typisches Mitglied dieser Reihe von Lasern über einen Temperaturbereich von 30 bis 65ºC (die Temperatur wurde am temperaturgesteuerten Kupferblock gemessen) sind in Fig. 5 gezeigt. Im Hinblick auf Fig. 5 ist darauf hinzuweisen, daß das mittlere quadratische Rauschen der Vorrichtung in bestimmten Temperaturbereichen oder "Temperaturfenstern" im wesentlichen auf null abfällt. Ein derartiges Fenster tritt z.B. bei etwa 37,9-40,3ºC auf, und ein weiteres Fenster tritt bei etwa 50,7-51,4ºC auf. Im Bereich der untersuchten Temperaturen wies jeder Laser der Reihe mindestens ein Fenster für den im wesentlichen rauschfreien Betrieb auf, das mindestens etwa 0,5ºC breit war, und das größte beobachtete Fenster wies eine Breite von etwa 5ºC auf. Es wurde festgestellt, daß der genaue Ort und die Breite dieser Fenster für den im wesentlichen rauschfreien Betrieb einzigartige Charakteristika jedes einzelnen Lasers waren, die sich nicht wesentlich mit der Zeit oder wiederholten Temperaturzyklen von mehreren 10ºC änderten. Dementsprechend konnte erreicht werden, daß jeder Laser im wesentlichen rauschfrei betrieben wurde, indem der optische Hohlraum der Vorrichtung bei einer Temperatur innerhalb eines derartigen Fensters während des Betriebs gehalten wurde.

Claims

1. Laser zur Erzeugung von kohärenter optischer Strahlung, umfassend:

(a) einen optischen Hohlraum (Resonator) (3, 4) für zirkulierende optische Strahlung einer ersten Frequenz;

(b) innerhalb des Hohlraums angeordnetes Lasermaterial (1) zur Erzeugung von optischer Strahlung der ersten Frequenz;

(c) nicht-lineare optische Einrichtungen (5, 6) zur Umwandlung der Strahlung erster Frequenz in optische Strahlung einer zweiten Frequenz, wobei die nicht-linearen optischen Einrichtungen mindestens zwei nicht-lineare optische Kristalle umfassen, die innerhalb des optischen Hohlraums so positioniert sind, daß sie jeweils eine Phasenabstimmungsachse für die Strahlung der ersten und zweiten Frequenz aufweisen, wobei die Kristalle in bezug zueinander und um ihre jeweiligen Phasenabstimmungsachsen so orientiert sind, daß sie mit der Strahlung der ersten Frequenz, die innerhalb des optischen Hohlraums zirkuliert, in Wechselwirkung treten und die Strahlung der zweiten Frequenz aus allen möglichen Polarisationen der zirkulierenden Strahlung der ersten Frequenz erzeugen.

2. Laser nach Anspruch 1, wobei die Kristalle (5, 6) die gleiche Zusammensetzung aufweisen.

3. Laser nach Anspruch 2, wobei die Kristalle (5, 6) in bezug zueinander eine unterschiedliche kristallographische Orientierung aufweisen.

4. Laser nach Anspruch 1, der zusätzlich eine Temperatursteuereinrichtung zur Einstellung und Steuerung der Temperatur des optischen Hohlraums (3, 4) und des Inhalts davon aufweist.

5. Laser nach Anspruch 4, wobei die Temperatursteuereinrichtung bewirkt, daß der optische Hohlraum (3, 4) und der Inhalt davon bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden.

6. Laser nach Anspruch 1, wobei die zweite Frequenz das Zweifache der ersten Frequenz beträgt.

7. Optisch gepumpter Multllongitudinalmoden-Festphasenlaser, umfassend:

(a) einen optischen Hohlraum (35, 36) für zirkulierende optische Strahlung einer ersten Frequenz;

(b) eine optische Pumpeinrichtung (31, 32) zum Erzeugen von optischer Pumpstrahlung, die aus der Gruppe von Laserdioden und lichtemittierenden Dioden ausgewählt ist;

(c) festes Lasermaterial (34), das im Hohlraum angeordnet und so positioniert ist, daß es die Pumpstrahlung aus der optischen Pumpeinrichtung aufnimmt und bewirkt, daß eine optische Strahlung der ersten Frequenz bei Aufnahme der Pumpstrahlung erzeugt wird; und

(d) nicht-lineare optische Einrichtungen (37, 38) zur Umwandlung der Strahlung erster Frequenz in optischen Strahlung einer zweiten Frequenz, wobei die nicht-linearen optischen Einrichtungen mindestens zwei nicht-lineare optische Kristalle umfassen, die innerhalb des optischen Hohlraums so positioniert sind, daß sie jeweils eine Phasenabstimmungsachse für die Strahlung der ersten und zweiten Frequenz aufweisen, wobei die Kristalle in bezug zueinander und um ihre jeweiligen Phasenabstimmungsachsen so orientiert sind, daß sie mit der Strahlung der ersten Frequenz, die innerhalb des optischen Hohlraums zirkuliert, in Wechselwirkung treten und die Strahlung der zweiten Frequenz aus allen möglichen Polarisationen der zirkulierenden Strahlung der ersten Frequenz erzeugen.

8. Laser nach Anspruch 7, wobei die zweite Frequenz das Zweifache der ersten Frequenz beträgt.

9. Laser nach Anspruch 7, wobei die Kristalle (37, 38) die gleiche Zusammensetzung aufweisen.

10. Laser nach Anspruch 9, wobei die Kristalle (37, 38) in bezug zueinander eine unterschiedliche kristallographische Orientierung aufweisen.

11. Laser nach Anspruch 7, der zusätzlich eine Temperatursteuereinrichtung zur Einstellung und Steuerung der Temperatur des optischen Hohlraums (35, 36) und des Inhalts davon aufweist.

12. Laser nach Anspruch 11, wobei die Temperatursteuereinrichtung bewirkt, daß der optische Hohlraum (35, 36) und der Inhalt davon bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden.

13. Verfahren zum Erzeugen von kohärenter optischer Strahlung, umfassend:

(a) Erzeugen einer optischen Strahlung einer ersten Frequenz aus einem Lasermaterial (1) innerhalb eines optischen Hohlraums (3, 4) zur Zirkulation von Strahlung der ersten Frequenz; und

(b) Umwandeln der Strahlung der ersten Frequenz in optische Strahlung einer zweiten Frequenz innerhalb des optischen Hohlraums mit nicht-linearen optischen Einrichtungen (5, 6), wobei die nicht-linearen optischen Einrichtungen mindestens zwei nicht-lineare optische Kristalle umfassen, die innerhalb des optischen Hohlraums so positioniert sind, daß sie jeweils eine Phasenabstimmungsachse für die Strahlung der ersten und zweiten Frequenz aufweisen, wobei die Kristalle in bezug zueinander und um ihre jeweiligen Phasenabstimmungsachsen so orientiert sind, daß sie mit der Strahlung der ersten Frequenz, die innerhalb des optischen Hohlraums zirkuliert, in Wechselwirkung treten und die Strahlung der zweiten Frequenz aus allen möglichen Polarisationen der zirkulierenden Strahlung der ersten Frequenz erzeugen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, zusätzlich umfassend:

(a) Entnahme der optischen Strahlung einer zweiten Frequenz aus dem optischen Hohlraum (3, 4) als Ausgangsstrahlung; und

(b) Aufrechterhalten der Temperatur des optischen Hohlraums (3, 4) innerhalb eines Bereichs, in dem die Ausgangsstrahlung relativ rauschfrei ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, zusätzlich umfassend:

(a) Messen des Rauschens in der Ausgangsstrahlung als Funktion der Temperatur des optischen Hohlraums (3, 4);

(b) Bestimmen eines Temperaturbereichs für den optischen Hohlraum, in dem die Ausgangsstrahlung relativ rauschfrei ist; und

(c) Aufrechterhalten der Temperatur des optischen Hohlraums auf einem Wert, der innerhalb des bestimmten Temperaturbereichs liegt, während der anschließenden Erzeugung der Ausgangsstrahlung

16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die zweite Frequenz das Zweifache der ersten Frequenz beträgt.

17. Verfahren nach Anspruch 13, zusätzlich umfassend das Orientieren der Kristalle (5, 6) in der Weise, daß sie in bezug zueinander eine unterschiedliche kristallographische Orientierung aufweisen.