DE3917902A1 - Frequenzverdoppelter laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Viele interessante Laser liefern Laserlicht, deren Wellenlängen allerdings für viele Anwendungsfälle nicht oder nur schlecht brauchbar ist. Speziell für optische Anwendungen wird sichtbares Laserlicht be­ nötigt. Ein Nd-YAG-Laser liefert zum Beispiel Laser­ strahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Des­ halb versucht man, dieses Laserlicht durch Frequenz­ verdopplung in sichtbares Licht umzusetzen.

Es sind zahlreiche Vorschläge bekannt, wie eine Fre­ quenzverdopplung von Laserlicht erreicht wird. Zum Beispiel wird dabei ein nicht-linearer Kristall in einem oder außerhalb eines Resonator verwendet. Das Laserlicht wird in den Kristall eingekoppelt und am Ausgang des Kristalls erhält man Laserstrahlung mit der doppelten Frequenz. Das Verhältnis der Intensität des Lichts mit der doppelten Frequenz zu der Intensität des Lichts mit der ursprünglichen Laserfrequenz ist jedoch relativ gering; es hängt von der Intensität des in den Kri­ stall gelangenden Laserlichts der Fundamentalwellen­ länge ab.

Angesichts dieser Tatsache hat man bislang durchwegs versucht, den nicht-linearen Kristall an einer Stelle anzuordnen, wo eine beträchtliche Intensitätskonzen­ tration vorhanden ist. So ist zum Beispiel in der DE-OS 36 43 648 vorgeschlagen, den neben dem nicht­ linearen Kristall angeordneten Auskoppelspiegel mit einer konkaven teilverspiegelten Oberfläche auszubil­ den, um so eine möglichst günstige Strahlformung im Resonator zu erhalten. Durch die konkave Spiegelflä­ che soll eine Fokussierung der Strahlung erreicht werden.

Bei praktisch sämtlichen bisher bekannten Vorschlä­ gen für einen frequenzverdoppelten Laser ist der Auskoppelspiegel in der Nachbarschaft des nicht­ linearen Kristalls als konkaver Spiegel ausgebil­ det.

Dennoch ist die Ausbeute des frequenzverdoppelten Lichts relativ gering. Es kommt zu Intensitäts­ schwankungen, die sich besonders gravierend im Dauerstrich-Betrieb bemerkbar machen. Es sind starke Intensitätsspitzen zu beobachten.

Es gibt eine Reihe von theoretischen und prakti­ schen Untersuchungen, um die Ursachen für derarti­ ge Intensitätsschwankungen erklären und beheben zu können.

Allerdings sind die Bemühungen, die Intensitäts­ schwankungen, wenn nicht völlig auszuschalten, so doch zumindest zu beseitigen, bislang ohne durch­ schlagenden Erfolg geblieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen La­ ser der eingangs genannten Art anzugeben, der bei hohem Wirkungsgrad nur geringe Intensitätsschwan­ kungen der frequenzverdoppelten Strahlung zeigt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angege­ bene Erfindung gelöst. Grundsätzlich sieht die Er­ fingung zwei alternative Möglichkeiten vor. Zu­ nächst wird als unabläßlich angesehen, mit Hilfe eines Polarisators eine eindeutige Polarisation der Grundwelle im Resonator festzulegen, da dies Voraussetzung für einen stabilen Betrieb ist. Der Polarisator ist zwischen dem nicht-linearen Kri­ stall und dem Lasermedium angeordnet.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Auskoppelspiegel als Planspie­ gel oder annähernd als Planspiegel ausgebildet ist. Die Erfindung weicht also ausdrücklich von dem bis­ lang in der Fachwelt als praktisch unerläßlich an­ gesehenen konkaven Auskoppelspiegel ab. Während früher die Anordnung des nicht-linearen Kristalls im Bereich des Brennpunkts des konkaven Auskoppel­ spiegels als praktisch unerläßlich angesehen wurde, verzichtet man bei der erfindungsgemäßen Ausgestal­ tung des Lasers auf die höchstmögliche Lichtinten­ sität in der Mitte des nicht-linearen Kristalls, allerdings wird dieser Verzicht mehr als wett gemacht durch einen Gewinn, der auf die Vermeidung einer uner­ wünschten Strahlversetzung innerhalb des nicht-linearen Kristalls zurückzuführen ist. Dies soll im folgen­ den näher erläutert werden:
Das in den nicht-linearen Kristall eintretende Licht wird, wie bekannt, im allgemeinen Fall in zwei außer­ ordentliche Strahlen aufgeteilt, die zueinander senk­ recht polarisiert sind. In dem Spezialfall der uni­ axialen Kristalle sind dies die bekannten ordentli­ chen und außerordentlichen Teilstrahlen. Bei dem hier behandelten Typ II der Frequenzverdopplung sind die Intensitäten der beiden Strahlen etwa gleich groß, da der dem Kristall vorgeschaltete Polarisator das Licht in einer Richtung polari­ siert, die zu den beiden Polarisationsrichtun­ gen einen Winkel von 45° bildet. Beide Strahlen gehorchen unterschiedlichen Berechnungsgesetzen und werden relativ zueinander seitlich abgelenkt und treten versetzt aus dem Kristall aus. Treffen diese Strahlen nun auf den Hohlspiegel, so kann nur einer der beiden in sich zurückreflektiert, werden während der andere zur Seite abgelenkt wird, so daß beträchtliche nutzbare Strahlenleistung ver­ lorengeht. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, als Auskoppelspiegel einen Planspiegel zu verwenden, geht im Gegensatz zur Verwendung eines Hohlspiegels keine Strahlintensität mehr verloren.

Die erfindungsgemäße Maßnahme schließt aber nicht aus, daß andere fokussierende Mittel vor­ gesehen sein können, so kann man beispielswei­ se in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik den ersten Spiegel vor dem Lasermedium als be­ züglich des Resonators konkaven Spiegel ausbil­ den.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die beliebige gekrümmte Auskoppelspiegel erlaubt, jedoch die Möglichkeit des Planspiegels als Auskoppelspiegel ausdrücklich miteinschließt, können zur Vermeidung der oben erläuterten Strahl­ versetzungen zwei nicht-lineare Kristalle hinter­ einander angeordnet werden, wobei diese Kristalle um die Strahlenachse um 90° gegeneinander verdreht sind. Durch diese Maßnahme wird von dem zweiten Kristall die in dem ersten Kristall erfolgende Strahlversetzung der in den Kristallen unterschied­ lich verlaufenden Teilstrahlen zueinander wieder aufgehoben.

Dadurch, daß ein seitliches Austreten des außer­ ordentlichen Strahls aus der optischen Achse ver­ mieden wird, werden sowohl Verluste weitestgehend ausgeschaltet als auch ein Anlaß zum Anschwingen höherer transversaler Moden vermieden.

Die Erfindung kann grundsätzlich bei praktisch allen Typen von Lasern eingesetzt werden, insbe­ sondere eignet sich die Erfindung jedoch in Ver­ bindung mit Festkörperlasern. Ferner wird vorzugs­ weise als Pumplichtquelle eine Laserdiode oder ein Feld von Laserdioden verwendet.

Um als nutzbare frequenzverdoppelte Strahlung möglichst Laserlicht mit einer einzigen Frequenz zur Verfügung zu haben, nämlich einer Frequenz, die dem zweifachen der Laser-Grundfrequenz ent­ spricht, sollte der Auskoppelspiegel des Resona­ tors für die frequenzverdoppelte Strahlung eine höhere Durchlässigkeit aufweisen als für die La­ ser-Grundfrequenz. Im Idealfall sollte der Aus­ koppelspiegel für die Grundfrequenz des Lasers praktisch undurchlässig sein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Lasers mit Frequenzverdopplung, und

Fig. 2 eine schematische Skizze einer alter­ nativen Ausführungsform für einen nicht-linearen Kristall als frequenz­ verdoppelndes Element.

Eine Pumpeinrichtung 1 gibt über eine Laserdiode 2 Licht 3 auf eine Linse 4. Die Linse 4 koppelt das als Pumplicht dienende Licht 3 in einen Resonator R ein.

Der Resonator ist auf der linken Seite in Fig. 1 von einem konkaven Spiegel 5 begrenzt. Daran an­ schließend folgen in der dargestellten Reihenfolge ein Lasermedium, eine als Polarisator dienende Brewster-Platte 7, ein KTP als nicht-linearer Kristall 8, gegebenenfalls (optional) eine λ/4-Plat­ te 10 und ein als Auskoppelspiegel dienender Plan­ spiegel 9 mit einer zum Laserraum gerichteten Plan­ spiegelfläche 11.

Durch das Pumplicht 3 wird in dem Lasermedium 6 eine Laserstrahlung mit der Frequenz f₁ erzeugt. Die­ ses Licht wird von der Brewster-Platte 9 polarisiert, so daß linear polarisiertes Licht in den KTP gelangt, wo die Strahlen in zwei außerordentlichen Teilstrahlen aufgeteilt werden. Das auf der anderen Seite des KTP 8 austretende Licht hat die Frequenz 2x×f₁. Dieses frequenzverdoppelte Laserlicht wird über den Auskoppel­ spiegel 9 ausgekoppelt und tritt in Fig. 1 auf der rechten Seite aus.

Bei dem Lasermedium 6 handelt es sich um einen do­ tierten Kristall, zum Beispiel Nd:YAG. Bei dem nicht-linearen Kristall handelt es sich hier um KTP. Stattdessen können jedoch auch andere, an sich bekannte nicht-lineare Kristalle verwendet werden, zum Beispiel KTA, KDP, BBO, LiNBO₃, KNbO₃, BaNaNbO₃, LiIO₃, etc.

In einer abgewandelten Ausführungsform kann der in Fig. 1 dargestellten KTP 8 ersetzt werden durch die beiden in Fig. 2 dargestellten nicht-linearen Kristalle 8a und 8b, die bezüglich der Strahlen­ achse des Laserlichts um 90° gegeneinander ver­ dreht angeordnet sind. Damit heben sich die Ver­ setzungen in den einzelnen Kristallen 8a bzw. 8b gegeneinander auf, wie durch einzelne Pfeile für die eine Durchlaufrichtung der Laserstrahlen an­ gedeutet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Auskoppelspiegel 9 vorzugsweise ebenfalls als Plan­ spiegel ausgebildet, er kann jedoch auch - wie an sich bekannt - als Hohlspiegel ausgebildet sein.

Claims (6)

1. Laser, mit einer Pumplichtquelle (1, 2) und einem Resonator (R) mit folgenden Merkmalen:
einem ersten Spiegel (5), einem Lasermedium (6), einem Polarisator (7) mindestens einem nicht­ linearen Kristall (8; 8a, 8b) zur Frequenzver­ dopplung vom Typ II, und einem zweiten, als Auskop­ pelspiegel dienenden Spiegel (9), dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite Spiegel (9) ein konkave Spiegelfläche (11) mit extrem gros­ sem Krümmungsradius aufweist, vorzugsweise als Planspiegel ausgebildet ist, und/oder zwei nicht­ lineare Kristalle (6a, 6b) vorgesehen sind, die bezüglich der Strahlenachse um 90° gegeneinander verdreht angeordnet sind.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Lasermedium (6) ein Fest­ körper, insbesondere ein dotierter Kristall ist.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Planspiegel (9) auf der dem Lasermedium (6) abgewandten Oberfläche des nicht-linearen Kristalls (8) angebracht ist.

4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Planspiegel (9) eine auf dem nicht-linearen Kristall ausgebildete Verspie­ gelung ist, und/oder daß der erste Spiegel als Ver­ spiegelung an einer Seite des Lasermediums (6) aus­ gebildet ist.

5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pump­ lichtquelle (1, 2) eine oder mehrere Laserdioden (2) aufweist.

6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Aus­ koppelspiegel (9) des Resonators (R) für die frequenz­ verdoppelte Strahlung eine höhere Durchlässigkeit als für die Laserfrequenz aufweist.