DE69104808T2

DE69104808T2 - Halbleiterlasersystem mit nichtlinearem Kristallresonator.

Info

Publication number: DE69104808T2
Application number: DE69104808T
Authority: DE
Inventors: Wilfried Lenth; William Paul Risk
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-11-13
Filing date: 1991-11-04
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2011-11-05
Also published as: JPH04234739A; DE69104808D1; EP0486192B1; EP0486192A2; EP0486192A3; US5038352A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Lasersysteme, wie Lasersysteme zur Verwendung in optischen Speichereinrichtungen, und insbesondere auf die Erzeugung von Licht der zweiten Harmonischen in denselben.

Hintergrund der Erfindung

Halbleiterdiodenlaser werden in optischen Datenspeichersystemen verwendet. Der Gallium-Aluminium-Arsenid(GaAlAs)-Diodenlaser ist ein Beispiel, und er erzeugt Licht im nahen Infrarotbereich (Wellenlänge von 750 Nanometer bis 880 Nanometer). Das Licht vom Laser wird auf einen Fleck auf der optischen Platte fokussiert, um jedes Datenbit aufzuzeichnen. Der Durchmesser des Lichtflecks ist ungefähr gleich τ/2 (N.A.), wobei τ die Wellenlänge des Lichtes und (N.A.) die numerische Apertur der Linse ist, die das Laserlicht fokussiert. Für einen GaAlAs-Laser init einer Wellenlänge von 830 nm und eine Linse mit einer (N.A.) von ungefähr 0,5 beträgt der Durchmesser des resultierenden Lichtflecks 860 Nanometer.
Es ist klar ersichtlich, daß, wenn die Wellenlänge des Laserlichtes halbiert werden kann, der Durchmesser des Lichtflecks ebenfalls halbiert und die Gesamtdichte der optischen Platte vervierfacht wird. Bedauerlicherweise sind Laserdioden, die Licht im blauen Bereich (Wellenlänge von 430 nm) erzeugen, noch nicht verfügbar. Die Forschung auf diesem Gebiet hat sich auf Wege konzentriert, das Infrarotlicht der Laserdiode in blaues Licht umzuwandeln.
Eine Technik zur Umwandlung von Licht in solches mit höherer Frequenz ist als Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) bekannt. Licht wird durch einen nichtlinearen Kristall, wie Kaliumniobat (KNbO&sub3;) hindurchgeschickt, wodurch die zweite Harmonische des Lichtes (Licht mit der gegenüber der Grundschwingung des Lichtes verdoppelten Frequenz) erzeugt wird. Diese SHG-Technik wird in den Veröffentlichungen von M. K. Chun et al, Applied Physics Letters, 26. September 1988, Vol, 53, Nr. 13, S. 1170; P. Gunter et al, Applied Physics Letters, 15. September 1979, Vol. 35, Nr. 6, S. 461; und von P. Gunter et al, Optics Communications, 1. Dezember 1983, Vol. 48, Nr. 3, S. 215, erörtert. Die verfügbare Eingangsleistung für die Diodenlaser ist jedoch gering, sofern nicht zusätzliche optische Verstärkungstechniken verwendet werden.
Eine Möglichkeit, die Effizienz der SHG-Methode zu erhöhen, besteht darin, um den nichtlinearen Kristall herum einen optischen Resonator anzuordnen. Das Licht wird innerhalb des Resonators durch den Kristall hindurch hin und her reflektiert, um eine beträchtliche Menge an blauem Licht zu erzeugen. Diese Technik wird von W. J. Kozlovsky et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, Juni 1988, Vol, 24, Nr. 6, S. 913; W. J. Kozlovsky et al, Optics Letters, Dezember 1987, Vol. 12, Nr. 12, S. 1014; A. Ashkin et al, "Resonant Optical Second Harmonic Generation and Mixing", IEEE J. Quantum Electronics, QE-2, 109 bis 123, (1966); und von P. W. Smith, Proceedings of the IEEE, April 1972, Vol. 60, Nr. 4, S. 422 beschrieben. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß die Frequenz des Lasers präzise auf die Resonanzfrequenz des Resonators (ansonsten als ein passiver Hohlraum bekannt) abgestimmt und auf irgendeine Weise stabilisiert sein muß, so daß sie stets an die Resonanz des Resonatorhohlraums gekoppelt bleibt. Die Laserfrequenz muß bis innerhalb eines Bruchteils der Breite der Resonanz des passiven Hohlraums stabil sein.
Beispielsweise angenommen, daß es sich um einen nichtlinearen Resonator mit einer effektiven Länge (einschließlich des Brechungsindexbeitrags des nichtlinearen Kristalls) von 1,5 Zentimeter handelt, dann entspricht der Modenabstand des Resonatorhohlraums 10 Gigahertz. Eine Feinheit von ungefähr 100 ist nötig, um eine hohe zirkulierende Leistung aufzubauen, und die Linienbreite der Resonanz beträgt ungefähr 100 Megahertz. Für eine effiziente Erzeugung der Frequenz der zweiten Harmonischen muß der Laser innerhalb einer Toleranz von weniger als ungefähr 20 Megahertz frequenzgekoppelt sein, was mit der intrinsischen Linienbreite des Diodenlasers vergleichbar ist.
Der Laser kann mittels einer elektronischen Erkennungs- und Rückkopplungsschaltung aktiv an die Resonanzfrequenz gekoppelt werden. Dies vergrößert die Komplexität des Systems beträchtlich. Alternativ dazu kann der Laser passiv an die Resonanzfrequenz gekoppelt werden. Wenn Licht mit der Resonanzfrequenz in den Laser zurückgeleitet wird, kann der Laser seine Frequenz auf die Resonanzfrequenz stabilisieren, siehe die Veröffentlichung von B. Dahmani et al, Optics Letters, November 1987, Vol. 12, Nr. 11, S. 376.
Eine Veröffentlichung von G. J. Dixon et al, Optics Letters, 15. Juli 1989, Vol. 14, Nr. 14, S. 731 gibt ein SHG-System an, das eine passive Laserkopplung verwendet. Das Dixon-Bauelement benutzt einen schräg gestellten Spiegel am ausgangsseitigen Ende des nichtlinearen Kristallresonators, um einen kleinen Teil des Lichtes mit der Grundschwingungsfrequenz von dem Licht mit der Frequenz der zweiten Harmonischen zu trennen. Dieser kleine Teil des Lichtes mit der Grundschwingungsfrequenz wird dann um den nichtlinearen Kristallresonator herum zurück und über ein λ/2- Plättchen, einen zweiten Spiegel, einen polarisierenden Strahlteiler und einen magneto-optischen Isolator in den Laser hinein reflektiert. Der Laser wird dadurch effektiv an die Resonanzfrequenz des nichtlinearen Kristallresonators gekoppelt. US 4 884 276 von G. J. Dixon et al gibt ein weiteres SHG-System an, das optische Rückkopplung verwendet. Alle beiden Systeme erfordern, daß das Rückkopplungslicht präzise gesteuert wird, so daß es mit dem Laserlichtfeld in Phase ist.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Halbleiterlasersystem, wie in Patentanspruch 1 offenbart, bereit.
Die Erfindung stellt außerdem ein laseroptisches Datenspeichersystem gemäß Patentanspruch 12 sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Licht der zweiten Harmonischen aus dem Laserlicht mit der Grundschwingungsfrequenz gemäß Patentanspruch 13 bereit.
So stellt bevorzugt eine Laserdiode Infrarotstrahlung bereit, die durch Frequenzverdopplung in Strahlung der zweiten Harmonischen umzuwandeln ist. Ein nichtlinearer Kristall ist innerhalb eines optischen Resonators angeordnet, so daß die hohe hohlrauminterne Leistung eine effiziente Erzeugung der zweiten Harmonischen erlaubt. Geeignete Kollimations- und Fokussierungsoptiken werden verwendet, um die Laserabstrahlung an den Resonator zu koppeln. In einer bevorzugten Ausführungsform reflektiert ein Rückkopplungsspiegel das transmittierte Licht direkt zurück durch den Resonator und in den Laser hinein. Die vordere Kristallfläche des Diodenlasers ist bevorzugt antireflexbeschichtet (mit einem Reflexionsgrad von 5% oder weniger), und die externe optische Rückkopplung führt zu einem effizienten Laserbetrieb bei einer Wellenlänge, die gleich der Resonanzwellenlänge des nichtlinearen Kristallresonators ist.
Ein derartiges Laserdiodensystem ist in der Lage, eine optimale Menge an blauem Licht mit einer minimalen Anzahl von Elementen und ohne die Notwendigkeit eines komplexen Rückkopplungssystems zu erzeugen. Wenn in einem Resonator mit einer Feinheit von F = 60 (was einem Spiegelreflexionsgrad von 95% entspricht) ein KNbO&sub3;-Kristall verwendet wird, wird durch Erzeugung der zweiten Harmonischen einer 50-mW-GaAlAs-Laserdiode eine Ausgangsleistung für blaues Licht von ungefähr 10 mW bereitgestellt.
In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung können verschiedene Typen von Resonatoren oder Hohlräumen verwendet werden. Der Hohlraum sollte seine maximale Reflexion und die maximale hohlrauminterne Leistung bei der Resonanz aufweisen. Die Erfindung kann auch für andere nichtlineare Prozesse angepaßt werden, die das Ankoppeln der Frequenz eines Diodenlasers an einen passiven Hohlraum erfordern, wie Summenfrequenzerzeugung, wobei eines oder beide der Eingangssignale aus einem Diodenlaser stammen. Die Technik ist auch auf das Ankoppeln der Frequenz bei anderen Arten von Lasern, zusätzlich zu Diodenlasern, an passiven Hohlräumen anwendbar.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Datenspeichersystems, das ein Lasersystem, wie in den Figuren 1 bis 5 gezeigt, beinhaltet.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen Datenspeichersystems, das ein Lasersystem, wie in den Figuren 1 bis 5 gezeigt, beinhaltet.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt ein Lasersystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Das System 10 beinhaltet eine Laserdiode 12. Der Laser 12 kann eine GaAlAs-Laserdiode sein, die Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 860 Nanometer erzeugt. Die Laserdiode besitzt eine Antireflexbeschichtung auf ihrer Ausgangs-Kristallfläche, um einen Reflexionsgrad von 5% oder weniger und bevorzugt von weniger als 1% zu erreichen. Es können Antireflexbeschichtungen wie Filme aus Zirkondioxid oder Aluminiumoxid oder mehrschichtige Filme oder deren Äquivalente verwendet werden.
Eine Linse 14, ein nichtlinearer optischer Kristallresonator 16 und ein konkaver Spiegel 18 sind sämtlich entlang einer Ausgangslinie 20 des Lasers 12 angeordnet. Als Alternative für den Spiegel 18 kann eine Kombination aus einer Linse und einem ebenen Spiegel verwendet werden. Der Resonator 16 beinhaltet einen nichtlinearen Kristall 30, der von einem Resonatoreingangsspiegel 32 und einem Resonatorausgangsspiegel 34 begrenzt ist. Der Kristall 30 kann ein Kaliumniobat(KNbO&sub3;)-Kristall sein. Der Resonator 16 ist so konstruiert, daß er eine Resonanzfrequenz besitzt, die gleich der Frequenz der Laserdiode 12 ist. In der bevorzugten Ausführungsform besitzt der Kristall 30 eine Länge von ungefähr 3 mm bis 10 mm. Der Kristall 30 ist bevorzugt durch ein thermoelektrisches Element oder einen Widerstandsheizer (nicht gezeigt) thermisch auf die aktuelle Phasenübereinstimmungstemperatur eingestellt. Die Phasenübereinstimmungstemperatur ist vom Typ des nichtlinearen Kristalls und der Frequenz des Lichtes abhängig. Für KNbO&sub3; und eine Frequenzverdopplung von Licht mit 860 nm beträgt die Temperatur ungefähr 23 ºC.
Der Spiegel 32 ist für das Licht der zweiten Harmonischen (zum Beispiel blaues Licht mit einer Wellenlänge von 430 nm) hochgradig reflektierend (mehr als 90%). Der Spiegel 32 weist einen Reflexionsgrad R1 für das Licht des Lasers 12 mit der Grundschwingungsfrequenz (zum Beispiel infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von 860 nm) auf. Der Reflexionsgrad R1 ist so gewählt, daß der Resonator 16 den Laser 12 bezüglich der Impedanz anpaßt, so daß das von dem Spiegel 32 direkt zu dem Laser 12 zurückreflektierte Licht minimiert und das eingekoppelte Licht (Licht, das im Resonator 16 eingefangen ist) maximiert wird. Eine detailliertere Beschreibung einer Impedanzanpassung ist in dem Artikel von W. J. Kozlovsky et al, "Efficient Second harmonic Generation of a Diode-Laser-Pumped Cd Nd:YAG-Laser", IEEE J. Quantum Electronics, Vol. QE-24, Nr. 6, S. 913, (1988), angegeben. Die reflektierenden Oberflächen der Spiegel 32 und 34 liegen dem Kristall 30 gegenüber.
Der Spiegel 34 besitzt einen Reflexionsgrad von weniger oder gleich 85% für Licht der Grundschwingungsfrequenz (FF) (Infrarotlicht) und einen Transmissionsgrad von mehr als 95% für Licht der zweiten Harmonischen (SH) (blaues Licht) auf. Der Spiegel 18 besitzt einen Reflexionsgrad, der größer oder gleich 99 % für (infrarotes) FF-Licht ist, und einen Transmissionsgrad von gleich oder mehr als 95% für (blaues) SHG-Licht. Die Spiegel 18, 32 und 34 bestehen aus mehrschichtigen dielektrischen Beschichtungen, die dem Stand der Technik entsprechen. Die Schichten können aus SiO&sub2; und TiO&sub2; in abwechselnder Schichtfolge bestehen. Die Spiegel 32 und 34 können durch Beschichtungen realisiert sein, die direkt auf den Kristall 30 aufgebracht sind. Es können jedoch auch separate Spiegel auf jeder Seite des Kristalls 30 verwendet werden.
Ein Strahlteiler 50 ist längs der Linie 20 angeordnet, um einen kleinen Bruchteil des SHG-Lichtes (blaues Licht), das durch den Spiegel 18 hindurchtritt, zu einem Photodetektor 51 hin zu reflektieren. Der Detektor 51 ist mit einer Laserfrequenz-Abstimmschaltung 52 verbunden und beaufschlagt die Schaltung 52 mit einem Signal, das proportional zu der am Photodetektor 51 empfangenen Menge an SHG-Licht ist. Die Schaltung 52 ist mit dem Laser 12 verbunden.
Damit sollte die Betriebsweise des Systems 10 verständlich sein. Die Laserdiode 12 erzeugt einen Lichtstrahl mit der Grundschwingungsfrequenz (Infrarotlicht), der längs der Linie 20 zu der Linse 14 geschickt wird. Die Linse 14 bildet das Licht vom Laser 12 auf den Eingangsspiegel 32 des Resonators 16 ab. Das (infrarote) FF-Licht wird dann innerhalb des Resonators 16 hin und her reflektiert, und ein Teil dieses Lichtes wird in (blaues) SHG- Licht umgewandelt. Die Linse 14 fokussiert das Licht derart, daß das in den Resonator 16 eintretende Licht zu dem Licht, das innerhalb des Resonators 16 bereits hin und her reflektiert wird, räumlich modenangepaßt wird. Die räumliche Modenanpassung wird in dem Artikel "Laser Beams and Resonators", Applied Optics, Vol. 5, Seiten 1550 bis 1567, Oktober 1966, detaillierter erörtert.
Das (blaue) SHG-Licht vermag aus dem Resonator 16 auszutreten, und es durchquert ohne weiteres den Spiegel 18. Das verbleibende (infrarote) FF-Licht, das aus dem Resonator 16 austritt, wird von dem Spiegel 18 längs der Linie 20 durch den Resonator 16 und die Linse 14 hindurch zurückreflektiert. Das reflektierte (infrarote) FF-Licht ist durch eine gestrichtelte Linie 40 dargestellt. Der Schwellenwert des Lasers 12 ist am niedrigsten, wenn das Rückkopplungslicht längs der Linie 40 einen Maximalwert aufweist. Dieses Maximum tritt auf, wenn die Laserfrequenz mit der Resonatorfrequenz übereinstimmt. Demzufolge paßt das Rückkopplungslicht die Laserdiode 12 bezüglich der Frequenz an die Resonanzfrequenz des Resonators 16 an.
Innerhalb des Resonators 16 wird ein hohes Wechselfeld aufgebaut. Es ist jedoch notwendig, die Laserwellenlänge innerhalb der Phasenanpassungsbandbreiten des SHG-Prozesses zu halten. Die Phasenanpassungsbandbreiten liegen in der Größenordnung von 0,1 nm bis 2 nm (30 GHz bis 600 GHz), und die relativ grobe Frequenzstabilisierung wird durch die Abstimmschaltung 52 bereitgestellt. Die Abstimmschaltung 52 kann entweder eine Temperatur- und/oder Strom-Abstimmung des Lasers 12 verwenden. Als Alternative kann die Temperatur des Kristalls 30 mit einer Abstimmschaltung so gesteuert werden, daß die phasenanpassende Wellenlänge mit der Laserwellenlänge übereinstimmt. Änderungen der Laserwellenlänge, die aufgrund von Alterungs- und/oder Temperatureffekten auftreten, erfolgen mit einer sehr geringen Geschwindigkeit. Demgemäß erfordert die Abstimmschaltung 52 keine schnelle Ansprechzeit, und es kann ein sehr einfacher Typ von Abstimmschaltung verwendet werden. Ein Überwachungsdetektor für (blaues) SHG-Licht ist im allgemeinen Teil einer jeden optischen Speicheransteuerung.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Das System 100 beinhaltet eine Laserdiode 102, die dem Laser 12 von Fig. 1 entspricht. Der Laser 102 emittiert längs einer Austrittslinie 104 einen (infraroten) FF-Lichtstrahl. Eine Linse 106, ein Dreispiegel-Ringresonator 108 und ein Rückkopplungsspiegel 110 sind sämtlich längs der Linie 104 angeordnet. Der Resonator 108 beinhaltet einen nichtlinearen Kristall 120, der dem Kristall 30 von Fig. 1 entspricht.
Der Kristall 120 ist von einem Spiegel 122, einem Spiegel 124 und einer polierten Oberfläche 126 begrenzt. Der Spiegel 122 ist so gewählt, daß er für das SHG-Licht hochgradig reflektierend (mehr als 90%) wirkt und daß er für das FF-Licht einen Reflexionsgrad R1 aufweist. Der Reflexionsgrad R1 ist so gewählt, daß der Resonator 108 den Laser 102 bezüglich der Impedanz anpaßt, so daß das vom Spiegel 122 direkt zum Laser 102 zurückreflektierte Licht minimiert und das eingekoppelte Licht (Licht, das in dem Resonator 108 eingefangen ist) maximiert wird. Die Spiegel 110 und 124 besitzen beide einen Reflexionsgrad, der für (infrarotes) FF-Licht gleich oder größer als 99% ist, und einen Transmissionsgrad, der für (blaues) SHG-Licht gleich oder größer als 95% ist. Die polierte Oberfläche 126 erzielt eine interne Totalreflexion, da die Geometrie des Resonators 108 derart ist, daß das auf die Oberfläche 126 auftreffende interne Licht einen Winkel bezüglich der Normalen der Oberfläche bildet, der größer als der für den Werkstoff kritische Winkel ist. Für KTP beträgt der kritische Winkel ungefähr 60º. Alternativ dazu kann die Oberfläche 126 ein hochgradig reflektierender Spiegel sein. Die Spiegel bestehen aus mehrschichtigen dielektrischen Beschichtungen. Die Spiegel 122, 124 sowie die Oberfläche 126 sind so angeordnet, daß die interne Reflexion des Lichtes durch den Kristall 120 hindurch in einem Dreiecks- oder Ringmuster erfolgt.
Während des Betriebs wird das (infrarote) FF-Licht vom Laser 102 durch die Linse 106 auf den Spiegel 122 des Resonators 108 fokussiert. Das Licht wird an das bereits innerhalb des Resonators 108 befindliche Licht räumlich modenangepaßt.
Das Licht wird dann reihum durch die drei Spiegel 122, 124 und 126 im Uhrzeigersinn reflektiert. Sowohl das (infrarote) FF- Licht als auch das (blaue) SHG-Licht treten am Spiegel 124 aus dem Resonator 108 aus. Am Spiegel 110 wird das blaue SHG-Licht durchgelassen, und das (infrarote) FF-Licht wird in den Resonator 108 zurückreflektiert. Dieses (infrarote) FF-Licht wird dann reihum durch 122, 124 sowie 126 im Gegenuhrzeigersinn reflektiert. Ein Teil dieses reflektierten (infraroten) FF-Lichtes tritt beim Spiegel 122 aus 108 aus und wird in den Laser 102 zurückgeleitet. Der Laser 102 wird daraufhin an die Resonanzfrequenz des Resonators 108 frequenzangepaßt. Eine gestrichelte Linie 130 stellt den Rückkopplungspfad des (infraroten) FF-Lichtes dar.
Ein Vorteil des Systems 100 besteht darin, daß das (infrarote) FF-Licht vom Spiegel 122 nicht direkt in den Laser 102 zurückreflektiert wird. Im System 10 von Fig. 1 kann ein Teil des Lichtes aus dem Laser 12 von der Außenfläche des Spiegels 32 direkt in den Laser 12 zurückreflektiert werden, ohne je in den Resonator 16 einzutreten. Dieses direkt reflektierte Licht kann, obwohl es nur wenig ist, dennoch die Frequenzkopplung des Lasers 12 beeinträchtigen. Das System 100 löst dieses Problem durch Verwenden des Dreispiegel-Ringresonators 108. Hier wird das Licht vom Laser 102, das direkt von der Außenfläche des Spiegels 122 wegreflektiert wird, längs einer Linie 134 unter einem Winkel, der am Laser 102 vorbeiführt, wegreflektiert. Der Laser 102 empfängt lediglich das reflektierte (infrarote) FF-Licht vom Resonator 108, der es an die Resonatorfrequenz ankoppelt, und empfängt keinerlei störendes Licht.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet ist. Das System 200 beinhaltet eine Laserdiode 202, die dem Laser 12 von Fig. 1 entspricht. Der Laser 202 emittiert längs einer Ausgangslinie 204 (infrarotes) FF- Licht. Eine Linse 206, ein Dreispiegel-Ringresonator 208 und ein Rückkopplungsspiegel 210 sind sämtlich längs der Linie 204 angeordnet. Der Resonator 208 beinhaltet drei Spiegel 220, 222 sowie 224, die in einer Ringkonfiguration angeordnet sind. Der Spiegel 220 ist so gewählt, daß er für das SHG-Licht hochgradig reflektierend (mehr als 90%) wirkt und daß er für das FF-Licht einen Reflexionsgrad R1 aufweist. Der Reflexionsgrad R1 ist so gewählt, daß der Resonator 208 den Laser 202 bezüglich der Impedanz anpaßt, so daß das vom Spiegel 220 direkt zum Laser 202 zurückreflektierte Licht minimiert und das eingekoppelte Licht (Licht, das in dem Resonator 208 eingefangen ist) maximiert wird. Die Spiegel 210 und 222 besitzen beide einen Reflexionsgrad, der für (infrarotes) FF-Licht gleich oder größer als 99% ist, und einen Transmissionsgrad von 95% für (blaues) SHG-Licht. Der Spiegel 224 besitzt einen Reflexionsgrad, der sowohl für (infrarotes) FF-Licht als auch (blaues) SHG-Licht gleich oder größer als 99% ist. Diese Spiegel werden durch einen Prozeß für mehrschichtige dielektrische Beschichtung hergestellt. Zwischen den Spiegeln 220 und 222 ist längs der Linie 204 ein nichtlinearer Kristall 230 angeordnet. Der Kristall 230 entspricht dem Kristall 30 von Fig. 1.
Die Betriebsweise des Systems 200 ist derjenigen des Systems 100 von Fig. 2 sehr ähnlich. Im System 200 wird (infrarotes) FF- Licht aus dem Laser 202 durch die Linse 206 auf den Spiegel 220 so fokussiert, daß das Licht innerhalb des Resonators 208 räumlich modenangepaßt wird. Licht, das nicht durch den Spiegel 220 hindurchgeht, wird entlang einer Linie 240 vom Laser 202 wegreflektiert. Das Licht, das durch den Spiegel 220 hindurchgeht, wird im Resonator 208 im Uhrzeigersinn herum reflektiert. Das (infrarote) FF- und das (blaue) SHG-Licht treten beim Spiegel 222 aus dem Resonator 208 aus. Der Spiegel 210 läßt das (blaue) SHG-Licht durch und reflektiert das (infrarote) FF-Licht in den Resonator 208 zurück. Dieses reflektierte (infrarote) FF-Licht wird im Resonator 208 im Gegenuhrzeigersinn herum reflektiert und tritt beim Spiegel 220 aus dem Resonator 208 aus. Dieses reflektierte (infrarote) FF-Licht tritt dann in den Laser 202 ein und paßt den Laser 202 bezüglich der Frequenz an die Resonanzfrequenz des Resonators 208 an.
Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet ist. Das System 300 beinhaltet eine Laserdiode 302, die dem Laser 12 von Fig. 1 entspricht. Der Laser 302 emittiert längs einer Ausgangslinie 304 (infrarotes) FF-Licht. Eine Linse 306, ein Strahlteiler 308, ein nichtlinearer Kristall 310 sowie ein konkaver Rückkopplungsspiegel 312 sind sämtlich entlang der Linie 304 angeordnet. Der Kristall 310 entspricht dem Kristall 30 von Fig. 1. Der Strahlteiler 308, der Spiegel 312 und der konkave Spiegel 320 bilden einen Resonator 318. Der Strahlteiler 308 ist so gewählt, daß er für das SHG- Licht hochgradig reflektierend (mehr als 90%) wirkt und für das FF-Licht einen Reflexionsgrad R1 aufweist. Der Reflexionsgrad R1 ist so gewählt, daß der Resonator 318 den Laser 302 bezüglich der Impedanz anpaßt, so daß das direkt vom Strahlteiler 308 zurückreflektierte Licht minimiert und das eingekoppelte Licht (Licht, das in dem Resonator 318 eingefangen ist) maximiert wird. Der Spiegel 312 besitzt einen Reflexionsgrad, das für (infrarotes) FF-Licht gleich oder größer als 99% ist, und einen Transmissionsgrad, der für (blaues) SHG-Licht gleich oder größer als 95% ist.
Der konkave Spiegel 320 ist längs einer Linie 322 angeordnet, die vom Strahlteiler 308 aus senkrecht zu der Linie 304 verläuft. Der Spiegel 320 besitzt einen Reflexionsgrad, der sowohl für (infrarotes) FF- als auch (blaues) SHG-Licht gleich oder größer als 99% ist.
Während des Betriebs erzeugt der Laser 302 längs der Linie 304 einen (infraroten) FF-Lichtstrahl. Dieses (infrarote) FF-Licht wird durch die Linse 306 auf den Strahlteiler 308 so fokussiert, daß das innerhalb des Resonators 318 befindliche Licht räumlich modenangepaßt wird. Der Strahlteiler 308 reflektiert einen Teil des Lichtes längs einer Linie 340. Der verbleibende Teil des Lichtes geht durch den Strahlteiler 308 und den Kristall 310 hindurch bis zum Spiegel 312. Der Spiegel 312 läßt das (blaue) SHG-Licht durch und reflektiert das (infrarote) FF-Licht zurück. Dieses reflektierte (infrarote) FF-Licht geht durch den Kristall 310 hindurch bis zum Strahlteiler 308. Der Strahlteiler 308 erlaubt einem Teil dieses reflektierten (infraroten) FF-Lichtes, durch den Strahlteiler 308 hindurch zurück in den Laser 302 zu laufen. Der verbleibende Teil des (infraroten) FF-Lichtes wird in Richtung des Spiegels 320 reflektiert, der wiederum das Licht zum Strahlteiler 308 zurückreflektiert. Das (infrarote) FF- Licht, das durch den Strahlteiler 308 hindurch zurück zum Laser 302 läuft, paßt den Laser 302 bezüglich der Frequenz an die Resonanzfrequenz des Resonators 318 an. Das von dem Spiegel 312 in den Laser 302 zurückreflektierte Licht weist bei der Resonanz ein dominantes Maximum auf. Im verstimmten Zustand ist die optische Rückkopplung schwach und ist gleich (T/(2+T))², wobei T der Transmissionsgrad des Strahlteilers 308 ist und angenommen wird, daß die Spiegel 312 sowie 320 Reflexionskoeffizienten von annähernd eins besitzen.
Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 400 bezeichnet ist. Das System 400 beinhaltet eine Laserdiode 402, die dem Laser 12 von Fig. 1 entspricht. Der Laser 402 emittiert längs einer Ausgangslinie 404 einen (infraroten) FF-Lichtstrahl. Eine Linse 406 und ein optischer Resonator 408 sind längs der Linie 404 angeordnet. Der Resonator 408 beinhaltet einen nichtlinearen Kristall 410, der von einem Spiegel 412, einem Spiegel 414 sowie einem Spiegel 416 begrenzt ist. Der Spiegel 412 ist so gewählt, daß er für das SHG-Licht hochgradig reflektierend (mehr als 90%) wirkt und daß er für das FF-Licht einen Reflexionsgrad R1 aufweist. Der Reflexionsgrad R1 ist so gewählt, daß der Resonator 408 den Laser 402 bezüglich der Impedanz anpaßt, so daß das direkt von dem Spiegel 412 zurückreflektierte Licht minimiert und das eingekoppelte Licht (Licht, das in dem Resonator 408 eingefangen ist) maximiert ist. Der Kristall 410 entspricht dem Kristall 30 von Fig. 1. Der Spiegel 414 besitzt sowohl für (infrarotes) FF- als auch für (blaues) SHG- Licht einen Reflexionsgrad, der größer oder gleich 99% ist. Der Spiegel 416 besitzt einen Reflexionsgrad, der für (infrarotes) FF-Licht größer oder gleich 99% ist, und einen Transmissionsgrad, der für blaues Licht gleich oder größer als 95% ist. Die Spiegel 412, 414 sowie 416 sind durch einen Prozeß für mehrschichtige dielektrische Beschichtung hergestellt.
Die Betriebsweise des Systems 400 ist ähnlich derjenigen des Systems 300 von Fig. 4. (Infrarotes) FF-Licht aus dem Laser 402 wird durch die Linse 406 auf den Spiegel 412 fokussiert und an das innerhalb des Resonators 408 befindende Licht räumlich modenangepaßt. Ein Teil des Lichtes wird längs einer Linie 420 reflektiert. Das verbleibende Licht läuft durch den Spiegel 412 hindurch in den Kristall 410 hinein. (Blaues) SHG-Licht tritt beim Spiegel 416 aus dem Resonator 408 aus. Der Spiegel 416 reflektiert das (infrarote) FF-Licht zurück zum Spiegel 412. Ein Teil dieses reflektierten (infraroten) FF-Lichtes läuft durch den Spiegel 412 hindurch bis zum Laser 402 und koppelt den Laser an die Resonanzfrequenz des Resonators 408 an. Das verbleibende Licht wird zum Spiegel 414 hin reflektiert, der wiederum das Licht zum Spiegel 412 zurückreflektiert.
Alle in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Ausführungsformen besitzen einen Strahlteiler, einen Photodetektor sowie eine (nicht gezeigte) Abstimmschaltung, die dem Strahlteiler 50, dem Photodetektor 51 und der Abstimmschaltung 52 von Fig. 1 entsprechen.
Die Verwendung einer Laserdiode mit einer Antireflexbeschichtung hat mehrere Vorteile. Mit einer hochgradigen Antireflexbeschichtung auf der Kristallfläche handelt es sich bei der Laserdiode nicht mehr um einen wirklichen Laser, da praktisch keine Rückreflexion von der Kristallfläche zurück in den Laser stattfindet, um den Laser laseraktiv zu machen. Jedoch stellt das von dem Resonator zurückkommende (infrarote) FF-Licht das benötigte reflektierte Licht bereit, um den Laser laseraktiv zu machen. Die Folge ist, daß das gesamte Lasersystem sehr stabil wird. Es besteht keine Notwendigkeit, die Phase des Rückkopplungslichtes anzupassen. Die Verwendung von Lasern mit Antireflexbeschichtungen der Kristallfläche minimiert außerdem die Laserleistung, die auf die Ausgangs-Kristallfläche des Lasers auftrifft, und vermindert dadurch Kristallflächenbeschädigungen.
Die Spiegel 18, 110, 210, 312 sowie 416 sind sämtlich Rückkopplungsspiegel. Diese Rückkopplungsspiegel besitzen einen hohen Transmissionsgrad bei der SHG-Wellenlänge und ein hohes Reflexionsvermögen bei der FF-Wellenlänge. Diese Rückkopplungsspiegel führen den Hauptteil des durch den Resonator transmittierten Lichtes durch den Resonator hindurch zurück und in den Diodenlaser hinein. Der gesamte optische Verlust, den das FF-Licht bei diesem doppelten Durchgang erfährt, ist niedrig (typischerweise weniger als 10%), auch im Fall sehr effizienter Frequenzverdopplung des in dem Resonator zirkulierenden FF-Lichtes. Demzufolge wird mehr als 50% der Ausgangsleistung des Diodenlasers ohne weiteres mittels des Rückkopplungsspiegels in den Laser zurückgekoppelt. Die vorliegende Vorrichtung erzielt somit eine starke optische Rückkopplung in den Laser. Dies steht im Gegensatz zu der von Dickson et al beschriebenen Resonator-Methode, die eine gesamte optische Rückkopplung von weniger als 5% angibt. Bei Dickson geschieht die Frequenzanpassung des Diodenlaserresonators über einen optischen Selbstkopplungseffekt, und die optische Rückkopplung ändert die Schwellenverstärkung des Lasers nicht in irgendeiner signifikanten Weise. Eine starke optische Rückkopplung in Verbindung mit der Antireflexbeschichtung der vorliegenden Vorrichtung führt zu einer wesentlichen Reduktion der Schwellenverstärkung des Lasers. Da der Laser im Zustand minimaler Schwellenverstärkung arbeitet, stellt der Laser automatisch seine Elektronendichte und Betriebsfrequenz so ein, daß seine Oszillationsfrequenz an die Resonanzfrequenz des Resonators angepaßt ist. Demzufolge ist keine aktive Steuerung der Phase derjenigen Strahlung, die vom Rückkopplungsspiegel rückgekoppelt wird, erforderlich. Im Gegensatz dazu ist bei Dickson et al irgendeine Art von Phasensteuerung erforderlich.
Es sind auch weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich. Zum Beispiel können verschiedene Konfigurationen von Resonatorhohlräumen verwendet werden. Außerdem können verschiedene Kombinationen von Laserdioden und nichtlinearen Kristallen verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Gallium-Aluminium-Arsenid(GaAlAs)-Laserdiode zusammen mit einem nichtlinearen Kristall aus Kaliumniobat (KNbO&sub3;), Lithiumniobat (LiNbO&sub3;), periodisch gepoltem Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) oder Kalium-Lithium-Niobat (KLiNbO&sub3;) verwendet werden. Eine Indium-Gallium-Arsenid/Gallium- Arsenid(InGaAs/GaAs)-Laserdiode mit verspannten Schichtstrukturen kann zusammen mit einem nichtlinearen Kristall aus Kaliumtitanylphosphat (KTiOPO&sub4;), periodisch gepoltem Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) Kaliumniobat (KNbO&sub3;) oder mit Lithium diffundiertem Niobat (LiNbO&sub3;) verwendet werden.
Es können auch verschiedene Reflexionsgrade von Rückkopplungsspiegeln verwendet werden. In den bevorzugten Ausführungsformen besitzen die Rückkopplungsspiegel 18, 110, 210, 312 sowie 416 sämtlich für das FF-Licht Reflexionsgrade von 99% oder mehr. Der Reflexionsgrad kann jedoch auch nur 80% betragen, was noch immer gut funktionieren würde. Es ist denkbar, daß die Reflexionsgrade nur 15% betragen, was noch immer funktionieren würde. Der Laser erfährt aufgrund der Antireflexbeschichtung noch immer eine reduzierte Schwellenverstärkung.
Fig. 6 zeigt ein optisches Datenspeichersystem 500 mit Phasenänderung, das ein Lasersystem 502 verwendet. Für das System 502 können die Lasersysteme 10, 100, 200, 300 und 400 verwendet werden. Das Licht von dem System 502 wird durch eine Linse 504 parallel gerichtet und läuft weiter bis zu einem einen Kreis erzeugenden optischen Element 506. Das Element 506 emittiert Licht mit einer kreisförmigen Struktur des Strahlquerschnitts. Das Element 520 kann ein Prisma sein.
Das Licht läuft dann durch einen polarisierenden Strahlteiler 510 und ein λ/4-Plättchen 522 hindurch. Das Licht wird von einem Spiegel 524 wegreflektiert und durch eine Linse 526 auf ein optisches Aufzeichnungsmedium 530 fokussiert. Das Medium 530 kann ein optisches Aufzeichnungsmedium von einem Typ mit Phasenänderung sein.
Das von dem Medium 530 reflektierte Licht kehrt durch die Linse 526 zurück, wird von dem Spiegel 524 wegreflektiert, läuft durch das Plättchen 522 hindurch zum Strahlteiler 520. Das reflektierte Licht wird dann durch den Strahlteiler 520 zu einer astigmatischen Linse 540 abgelenkt. Die Linse 540 fokussiert das reflektierte Licht auf einen optischen Detektor 542. Die aufgezeichneten Punkte des Mediums 530 weisen verschiedene Reflexionsgrade auf, und diese Unterschiede werden durch den optischen Detektor 542 als Datenwerte eins und null detektiert. Der Detektor 542 erzeugt außerdem Fokus- und Spureinstellungssignale.
Fig. 7 zeigt ein magneto-optisches Datenspeichersystem 600, das ein Lasersystem 602 verwendet. Für das System 602 können die Lasersysteme 10, 100, 200, 300 sowie 400 verwendet werden. Das Licht von dem System 602 wird durch eine Linse 604 parallel gerichtet und läuft weiter bis zu einem einen Kreis erzeugenden optischen Element 606. Das Element 606 emittiert Licht mit einer kreisförmigen Struktur des Strahlquerschnitts. Das Element 606 kann ein Prisma sein.
Das Licht läuft dann durch einen geschlitzten polarisierenden Strahlteiler 620 hindurch. Der Strahlteiler 620 besitzt Reflexionsgrade Rp größer als null und Rs ungefähr gleich 1 (s und p repräsentieren die orthogonalen Polarisationskomponenten des Lichtes). Das Licht wird dann zu einer Linse 626 hin von einem Spiegel 624 wegreflektiert und auf ein optisches Aufzeichnungsmedium 630 fokussiert. Das Medium 630 kann ein optisches Aufzeichnungsmedium vom magneto-optischen Typ sein.
Das von dem Medium 630 reflektierte Licht kehrt durch die Linse 626 zurück, wird vom Spiegel 624 wegreflektiert und tritt in den Strahlteiler 620 ein. Der Strahlteiler 620 lenkt das reflektierte Licht zu einem Amplituden-Strahlteiler 640 ab. Das reflektierte Informationslicht wird zu einem λ/2-Plättchen 642 und einem Strahlteiler 644 abgelenkt. Reflektiertes Licht mit anderen Amplituden läuft geradeaus durch den Strahlteiler 640 hindurch. Dieses Licht wird durch eine astigmatische Linse 646 auf einen Vierfachdetektor 648 fokussiert, um Spureinstellungs- und Fokussignale zu erzeugen.
Das Medium 630 weist aufgezeichnete Punkte mit einer entweder aufwärts oder abwärts gerichteten magnetischen Domäne auf. Die Polarisationsebene des von diesen Punkten wegreflektierten Lichtes ist in der einen oder der anderen Richtung gedreht, abhängig von der Richtung der magnetischen Domäne des Punktes. Der Strahlteiler 644 trennt das reflektierte Licht in Abhängigkeit davon auf, in welcher Richtung die Polarisationsebene gedreht wurde. Die aufgetrennten Strahlen laufen zu einer Linse 650 und einem optischen Detektor 652 oder zu einer Linse 660 und einem optischen Detektor 662. Der Unterschied in den Ausgangssignalen der Detektoren 652 und 662 stellt die Datenwerte eins und null dar. Eine detailliertere Erläuterung von Antriebssystemen für optische Platten wird in "Gradient-Index Optics and Miniature Optics", SPIE, Vol. 935, S. 63 (1988) von Glenn T. Sincerbox gegeben.

Claims

1. Halbleiterlasersystem des Typs, bei dem ein nichtlinearer Kristallresonator (l6) mit reflektierenden Mitteln (32, 34) verwendet wird, um Laserlicht mit der Grundschwingungsfrequenz in Licht der zweiten Harmonischen umzuwandeln, wobei das System auch Rückkopplungsmittel (18) und ein Halbleiterlaserelement (12) beinhaltet und der nichtlineare Resonator zwischen der Ausgangs-Kristallfläche des Laserelementes und den Rückkopplungsmitteln angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserelement (12) eine Ausgangs-Kristallfläche mit einem Reflexionsgrad von 5% oder weniger aufweist und die Reflexionsgrade der Rückkopplungsmittel und der reflektierenden Mittel so gewählt sind, daß die Rückkopplungsmittel und das Laserelement zusammen das Laserlicht mit der Grundschwingungsfrequenz erzeugen, während eine Schwellenverstärkung bereitgestellt wird, die niedrig genug ist, um eine Anpassung der Grundschwingungsfrequenz an die Resonanzfrequenz des nichtlinearen Kristallresonators sicherzustellen.

2. System nach Anspruch 1, wobei der nichtlineare Kristallresonator einen nichtlinearen Kristall (120) beinhaltet, der sich innerhalb eines Ringresonators mit drei reflektierenden Innenflächen (122, 124, 126) befindet.

3. System nach Anspruch 2, wobei sich die erste reflektierende Fläche in der Nähe einer ersten Seite des Kristalls, die zweite reflektierende Fläche in der Nähe einer zweiten Seite des Kristalls und die dritte reflektierende Fläche in der Nähe einer dritten Seite des Kristalls befinden.

4. System nach Anspruch 1, wobei der nichtlineare Kristallresonator einen nichtlinearen Kristall (230), einen ersten Spiegel (220), einen zweiten Spiegel (222) und einen dritten Spiegel (224) beinhaltet, wobei sich der erste und der zweite Spiegel längs einer Ausgangslinie befinden, die durch den Weg des Lichtes mit der Grundschwingungsfrequenz vom Laserelement zum Resonator festgelegt ist, und sich der Kristall längs der Ausgangslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel befindet.

5. System nach Anspruch 1, wobei der nichtlineare optische Resonator einen nichtlinearen Kristall zwischen zwei reflektierenden Innenflächen (32, 34) beinhaltet.

6. System nach Anspruch 5, wobei sich die zwei reflektierenden Innenflächen in der Nähe einer ersten und einer zweiten Seite des Kristalls befinden.

7. System nach Anspruch 1, wobei der nichtlineare Kristallresonator einen nichtlinearen Kristall, einen Strahlteiler (308) und einen reflektierenden Spiegel (320) beinhaltet.

8. System nach Anspruch 7, wobei der Strahlteiler längs einer Ausgangslinie angeordnet ist, die durch den Weg des Lichtes mit der Grundschwingungsfrequenz vom Laserelement zum Resonator festgelegt ist, und der Spiegel längs einer zu der Ausgangslinie senkrechten Linie angeordnet ist, wobei diese Linie die Ausgangslinie bei dem Strahlteiler kreuzt.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Laserelement eine Antireflexbeschichtung der Kristallfläche aufweist.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der nichtlineare Kristallresonator bezüglich der Impedanz an das Laserelement angepaßt ist.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückkopplungsmittel aus einem Rückkopplungsspiegel (18) bestehen, der die Aufgabe hat, das Licht mit der Grundschwingungsfrequenz zurück in das Laserelement zu reflektieren und den Durchtritt des Lichtes der zweiten Harmonischen zu erlauben.

12. Laseroptisches Datenspeichersystem mit:

einem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche beanspruchten Halbleiterlasersystem;

einem optischen Aufzeichnungsmedium (530, 630);

optischen Übertragungsmitteln, um das Licht der zweiten Harmonischen vom Resonator zum optischen Aufzeichnungsmedium zu führen; und

optischen Einpfängermitteln, um einen reflektierten Lichtstrahl der zweiten Harmonischen von dem optischen Aufzeichnungsmedium zu empfangen und ein darauf reagierendes Datensignal bereitzustellen.

13. Verfahren zum Erzeugen von Licht der zweiten Harmonischen aus dem Laserlicht mit der Grundschwingungsfrequenz in einem Halbleiterlasersystem, das ein Halbleiterlaserelement (12), Rückkopplungsmittel (18) und einen nichtlinearen Kristallresonator (16) mit reflektierenden Mitteln (32, 34) beinhaltet, wobei sich der nichtlineare Kristallresonator zwischen der Ausgangs-Kristallfläche des Laserelements und den Rückkopplungsmitteln befindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet:

wiederholtes Durchlaufen des Laserlichtes mit der Grundschwingungsfrequenz durch den nichtlinearen Kristall, um Licht der zweiten Harmonischen zu erzeugen; und

Trennen des Lichtes der zweiten Harmonischen von dem Laserlicht mit der Grundschwingungsfrequenz;

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das Laserelement eine Ausgangskristallfläche mit einem Reflexionsgrad von 5% oder weniger aufweist und die Reflexionsgrade der Rückkopplungsmittel und der reflektierenden Mittel so gewählt sind, daß die Rückkopplungsmittel und das Laserelement zusammen das Laserlicht mit der Grundschwingungsfrequenz erzeugen, während eine Schwellenverstärkung bereitgestellt wird, die niedrig genug ist, um eine Anpassung der Grundschwingungsfrequenz an die Resonanzfrequenz des nichtlinearen Kristallresonators sicherzustellen.