SE526095C2 - Strålkombinerare - Google Patents

Description

25 30 35 526 095 2 ben av kaviteten, för vilket arrangemang de emitterade strålarna kombineras till en enstaka utmatad stråle.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att ge en frekvenskonverterad stråle som inte interfererar med den fundamentala strålen, och som därmed är stabil och uppvi- sar utmärkta stràlegenskaper.

Detta syfte uppnås med ett laserarrangemang enligt patentkravet l.

Ett laserarrangemang enligt uppfinningen innefattar således företrädesvis en vikt kavitet som definieras av en första kavitetsspegel, en andra kavitetsspegel och en vikspegel. Kaviteten indelas av vikspegeln i ett första och ett andra ben. Frekvenskonvertering utförs med hjälp av ett icke-linjärt element i kavitetens andra ben. Vik- spegeln och den andra kavitetsspegeln, som definierar den vikta kavitetens andra ben, är bägge högtransmitterande för det frekvenskonverterade ljuset.

Laserarrangemanget enligt uppfinningen kännetecknas av att en kvartsvåglängdsplatta och en reflektor för det frekvenskonverterade ljuset är anordnade i strålvägen utanför kaviteten intill den andra kavitetsspegeln.

Ljus som kommer ut från kaviteten igenom den andra kavitetsspegeln passerar därmed våglängdsplattan, reflek- teras från reflektorn, passerar våglängdsplattan en andra gång, Tack vare de två passagerna genom våglängdsplattan genom- och återinträder därefter kavitetens andra ben. går den frekvenskonverterade strålen en polarisatione- vridning på 90 grader (förutsatt att våglängdsplattans optiska axel är korrekt upplinjerad med avseende på den ursprungliga polarisationen).

Lasermaterialet är företrädesvis Nd:YAG och är kavi- teten utformad för fundamental oscillation vid 1064 nm eller vid 946 nm, vid 532 nm respektive 473 nm. Andra lämpliga lasermateri- al är Nd:YVO4 och Nd:GdVO4 vilka bägge fungerar vid en fundamental frekvens motsvarande omkring 1064 nm och i syfte att ge frekvensdubblat ljus ut 914 nm. Uppfinningen är emellertid inte begränsad till 10 15 20 25 30 35 526 095 3 något speciellt val av lasermaterial eftersom lärdomarna från denna beskrivning kan tillämpas på godtyckligt la- sermaterial av fasta-tillstàndstyp.

Lasermaterialet kan dessutom sända ut två olika fun- damentala frekvenser, och det icke-linjära elementet kan vara utformat for summafrekvensgenerering från dessa fun- damentala frekvenser. Man kan även tänka sig att ha två eller flera lasermaterial i kaviteten, i syftet att skapa de två fundamentala frekvenserna.

Laserarrangemanget i enlighet med föreliggande upp- finning tillhandahåller ett sätt att kombinera tva fre- kvenskonverterade strålar till en enstaka stråle. När ljus vid de fundamentala frekvenserna passerar igenom det icke-linjära elementet sker konvertering till en fre- kvenskonverterad stråle. Eftersom det icke-linjära ele- mentet är placerat inuti den resonanta kaviteten, sker denna konvertering i två motsatta riktningar, eftersom det fundamentala ljuset passerar genom det icke-linjära elementet i två riktningar. Den frekvenskonverterade strålen har vanligen en linjär polarisation.

I utbredningsvägen för den frekvenskonverterade strålen finns en kvartsvàglängdsplatta (Ä/4-platta) och en återreflekterande spegel anordnade. När det (linjärt polariserade) frekvenskonverterade ljuset passerar kvartsvàglängdsplattan i en riktning ändras dess polari- sation till cirkulär. Ljuset reflekteras sedan från den återreflekterande spegeln och passerar kvartsvàglängds- plattan en gång till, varigenom den nu cirkulära polari- sationen åter ändras till linjär, men ortogonal mot det ursprungliga polarisationstillstàndet. Eftersom två orto- gonalt polariserade strålar inte kan interferera med var- andra, kan den frekvenskonverterade strålen passera genom kaviteten utan att interferera med annat ljus. Detta är fördelaktigt i det att en kombinerad, korspolariserad ut- matning kan erhållas på ett enkelt sätt utan att interfe- renseffekter införs i kaviteten, varmed en stabilare in- tensitet ges i det utmatade ljuset. 10 15 20 25 30 35 526 095 Utförlig beskrivning av föredragna utföringsformer En utförlig beskrivning av en föredragen utförings- form av uppfinningen ges nedan. I beskrivningen hänvisas till den bifogade ritningen (Fig. 1), som schematiskt vi- sar ett laserarrangemang i enlighet med uppfinningen.

När man använder icke-linjära element för frekvens- konvertering inuti en kavitet är ljuset vid den fundamen- tala frekvensen som kommer in i det icke-linjära elemen- tet företrädesvis linjärpolariserat. Detta kan naturligt- vis uppnås genom att man använder ett lasermaterial som bara sänder ut linjärpolariserat ljus eller genom att man inför ett polariserande element i strålvägen, såsom en linjärpolarisator eller en Brewster-platta.

Hänvisning görs nu till figuren, i vilken en utfö- ringsform av föreliggande uppfinning visas.

Denna utföringsform av uppfinningen innefattar en resonant kavitet som definieras av en första kavitetsspe- gel M1, en andra kavitetsspegel M2 och en tredje kavi- tetsspegel M3, varav den tredje spegeln M3 är en vikspe- gel. Uttrycket vikspegel används här i den meningen att en sådan spegel ”viker” den resonanta kaviteten så att två ben definieras med vikspegeln i korsningen mellan be- nen. Laserarrangemanget innefattar vidare ett lasermate- rial 14 av fasta-tillståndstyp samt en pumpkälla 10 för matning av pumpljus till lasermaterialet 14. När det pum- pas med pumpljus emitterar lasermaterialet 14 en eller flera fundamentala ljusfrekvenser. Lasermaterialet finns i kavitetens första ben. I kavitetens andra ben finns ett icke-linjärt element 18, vilket är anordnat att konverte- ra en eller flera fundamentala frekvenser till en fre- kvenskonverterad stråle.

Vikspegeln M3 utgörs lämpligen av en flerlagersstack på ett substrat gjort av glas eller liknande, och är be- lagd för hög reflektion för den eller de fundamentala frekvenserna och hög transmission för den frekvenskonver- terade strålen. 10 15 20 25 30 35 526 095 5 Det icke-linjära elementet innefattar företrädesvis ett kvasifasmatchningsgitter (QPM-gitter). Elementet kan exempelvis vara periodiskt polat kalium-titanylfosfat (PP-KTP). Många olika andra icke-linjära element kan emellertid också användas.

Av praktiska skäl samlas det ljus som emitteras av pumpkällan upp och formas med hjälp av strålformningsop- tik, såsom ett arrangemang med gradientindexlinser (GRIN- linser) 12. , Enligt föreliggande uppfinning innefattar laserar- rangemanget vidare en kvartsvåglängdsplatta 20 ocn en återreflekterande spegel M4 utanför den andra kavitets- spegeln M2. Linjärpolariserat, frekvenskonverterat ljus som kommer ut från kaviteten genom den andra kavitetsspe- geln M2 passerar därmed kvartsvåglängdsplattan 20, re- flekteras tillbaka från den âterreflekterande spegeln M4, och passerar ännu en gång kvartsváglängdsplattan innan det àterinträder i kaviteten genom den andra spegeln M2.

Följaktligen transformeras det linjärpolariserade, fre- kvenskonverterade ljuset till cirkulärpolariserat ljus efter den forsta passagen av kvartsvåglängdsplattan. Ef- ter den andra passagen av kvartsvåglängdsplattan är lju- set vidare transformerat till ett linjärt polarisations- tillstånd, men som nu är ortogonalt mot det ursprungliga polarisationstillståndet. Detta betyder att det frekvens- konverterade ljuset som genererades i det icke-linjära elementet 18 under den fundamentala frekvensens utbred- ning i riktning mot den andra spegeln M2 har fått sitt polarisationstillstånd vridet 90 grader innan det återin- träder i kaviteten. Frekvenskonverterat ljus som genere- ras i det icke-linjära elementet 18 under den fundamenta- la frekvensens utbredning i riktning mot vikspegeln M3 förblir emellertid i sitt ursprungliga polarisationstill- stånd. Dessa två komponenter av det frekvenskonverterade ljuset inuti kaviteten har sålunda ortogonala polarisa- tionstillstånd, och kommer inte att interferera med var- andra. Resultatet är att en enstaka stråle med frekvens- 10 15 20 25 30 35 526 095 6 konverterat ljus emitteras genom vikspegeln M3 i ett ”korsat” polarisationstillstånd (överlappande strålar).

Detta visas schematiskt i figuren genom de två överlap- pande (något förskjutna) pilarna. Ett villkor för att man skall uppnå överlapp mellan de två strålarna är att krök- ningsradie och läge för den återreflekterande spegeln är korrekt valda. Detta arrangemang ger inte bara den förde- len att mer ljus erhålles i en enstaka stråle. Det har också den fördelen att interferenseffekter i den fre- kvenskonverterade strålen är helt eliminerade.

Exempel Ett praktiskt exempel för en utföringsform av upp- finningen sammanfattas nedan.

- Lasermaterialet är en 3 mm lång kristall av Nd:YAG (ett isotropt material), där Nd-innehållet är 0,6 at%.

- Pumpkällan är en diodlaser med en 200 um bred emit- terande yta och en uteffekt på 2 W vid 808 nm.

- Det icke-linjära elementet är en 2 mm läng, perio- (PP-KTP) gitterperiod som är anpassad för frekvensdubbling av diskt polad kalium-titanylfosfat med en ljus vid 946 nm vid rumstemperatur.

- Strålformande optik anordnas för koppling av ljuset från pumpkällan in i lasermaterialet.

- Den första kavitetsspegeln är deponerad pà laserma- terialet, på den sida som är vänd mot pumpkällan.

Denna första spegel är plan och har en hög reflekti- vitet för 946 nm.

- Den andra kavitetsspegeln är en krökt ändspegel, vars radie är omkring 50 mm. Spegeln har en hög transmission för 473 nm och en hög reflektans för 946 nm.

- Den tredje spegeln är vikspegeln, vilken är en plan flerskiktad spegel på ett glassubstrat och är belagd för hög transmission av ljus vid 473 nm och för hög reflektivitet för p-polariserat ljus vid 946 nm samt 10 15 20 25 526 095 7 för lägre reflektivitet för s-polariserat ljus vid 946 nm. Spegeln är inriktad på så sätt att det ljus som genereras i det aktiva lasermaterialet infaller mot spegeln med en vinkel på 56 grader.

- Den fjärde spegeln är en krökt spegel med en hög re- flektivitet för 473 nm.

- Kvartsvåglängdsplattan vrider polarisationen för ljus vid 473 nm.

Slutsats I ett laserarrangemang från vilket två frekvenskon- verterade strålar emitteras i två motsatta riktningar, erhålles en kombinering av dessa strålar till en enstaka stråle genom att en av de utgående strålarna vrids till ett ortogonalt polarisationstillstånd, varpå de två strå- larna överlagras i en gemensam utbredningsriktning. Vrid- ningen av polarisationstillståndet erhålles med hjälp av _en kvartsváglängdsplatta och en âterreflekterande spegel.

En enstaka utgående stråle erhålles därmed i en konfigu- ration med ”korsad” polarisation. Försämrande polarisa- tionseffekter i de overlappande strålarna elimineras där- med, varvid interferens och intensitetsfluktuationer i den utmatade strålen undviks.

Fastän uppfinningen har beskrivits med hänvisning till en laser med vikt geometri, inses det att uppfin- ningen kan tillämpas för godtycklig lasergeometri.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 526 095 8 PATENTKRAV

1. Laserarrangemang, innefattande en resonant kavitet som är resonant för en eller flera fundamentala frekvenser, ett lasermaterial av fasta-tillståndstyp som är an- ordnat i den resonanta kaviteten för att emittera åtmin- stone en av nämnda en eller flera fundamentala frekvenser när det belyses med pumpljus, pumporgan för tillhandahållande av pumpljus till nämnda lasermaterial, W ett icke-linjärt optiskt element som är anordnat i den resonanta kaviteten, varvid nämnda icke-linjära op- tiska element är anordnat att konvertera en eller flera av nämnda fundamentala frekvenser till en frekvenskonver- terad stråle, varvid åtminstone en kavitetsspegel som definierar den resonanta kaviteten har hög transmission för nämnda frekvenskonverterade stråle, kännetecknat av att en kvartsváglängdsplatta och en återreflekterande reflektor för den frekvenskonverterade strålen är anord- nade i serie i strålvägen utanför kaviteten intill nämnda kavitetsspegel, så att den frekvenskonverterade stràle som lämnar kaviteten genom nämnda spegel genomgår en po- larisationsvridning och áterinträder i kaviteten i ett polarisationstillstånd som är ortogonalt mot dess ur- sprungliga polarisationstillstånd.

2. Laserarrangemang enligt krav 1, varvid kaviteten de- finieras av en första kavitetsspegel, en andra kavitets- spegel och en vikspegel, vilken vikspegel definierar ett första kavitetsben mellan nämnda vikspegel och den första kavitetsspegeln och definierar ett andra kavitetsben mel- lan nämnda vikspegel och den andra kavitetsspegeln, var- vid det icke-linjära elementet är anordnat i det andra benet och varvid den andra spegeln och vikspegeln bägge 10 15 20 526 095 9 har hög transmission för den frekvenskonverterade strå- len.

3. V Laserarrangemang enligt krav l eller 2, varvid den àterreflekterande reflektorn (M4) har en krökningsradie och en position i förhållande till den resonanta kavite- ten så att två korspolariserade utgående strålar överlap- par varandra spatialt och lämnar nämnda kavitet som en enstaka stråle.

4. Laserarrangemang enligt något av föregående krav, varvid det icke-linjära elementet innefattar ett kvasi- fasmatchande gitter.

5. Laserarrangemang enligt krav 4, varvid det icke- linjära elementet innefattar en periodiskt polad kristall av kalium-titanylfosfat (PP-KTP).

6. Laserarrangemang enligt något av föregående krav, varvid lasermaterialet innefattar en neodymiumdopad kris- tall vald bland YAG, YVO4 och GdVO%