DE19819178C2 - Verfahren zur Frequenzkonversion der Strahlung eines gepulsten optischen parametrischen Oszillators (OPO) und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Frequenzkonversion der Strahlung eines gepulsten optischen parametrischen Oszillators (OPO) und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzkonversion
der Strahlung eines gepulsten optischen parametrischen Oszil
lators (OPO) durch Summen- oder Differenzfrequenzmischung ei
ner gepulsten Laserpumpstrahlung mit einer OPO-Strahlung, die
in einem OPO-Resonator unter Verwendung eines durch eine ge
pulste Laserpumpstrahlung gepumpten nichtlinearen OPO-Kri
stalls für die parametrische Oszillation gewonnen wird, in
einem optisch nichtlinearen Kristall für die Frequenzmi
schung.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Gepulste optische parametrische Oszillatoren mit Impulsen im
Nanosekundenbereich (10-9 s) sind über einen weiten Wellen
längebereich durchstimmbare, kohärente Strahlungsquellen mit
hohen mittleren Leistungen und hohen Impulsenergien im sicht
baren und nahen infraroten Spektralbereich. Mit den Methoden
der Frequenzkonversion in optisch nichtlinearen Kristallen
ist es möglich, den Spektralbereich von OPOs in Spektralbe
reiche auszudehnen, die für viele Anwendungen in Wissen
schaft, Technologie und Medizin von Interesse sind.
Als nichtlineare Prozesse für die Frequenzkonversion von OPO-
Strahlung zur Erweiterung des Spektralbereichs stehen die
Frequenzverdopplung (SHG, Second Harmonic Generation), die
Summenfrequenzmischung (SFM, Sum Frequency Mixing) sowie die
Differenzfrequenzmischung (DFM, Difference Frequency Mixing)
zur Verfügung. In diesem Zusammenhang wird z. B. auf das Buch
von V. G. Dmitriev, G. G. Gurzadyan, D. N. Nikogosyan, "Handbook
of Nonlinear Optical Crystals", Springer-Verlag, Berlin Hei
delberg New York, 1997 hingewiesen.
Diese Prozesse werden durch die nichtlineare Suszeptibilität
zweiter Ordnung in optisch nichtlinearen Materialien vermit
telt. Es findet eine Kopplung zwischen drei Wellen statt, de
ren Kreisfrequenzen (der erzeugten Welle ωneu, der OPO-Welle
ωOPO, sowie der sogenannten Pumpwelle ωp) der Energieerhal
tungsbedingung entsprechen müssen:
ωneu = ωp ± ωOPO
Gilt das (+)-Zeichen, so spricht man von Summenfrequenz
mischung (SFM) oder "Up-conversion". Gilt das (-)-Zeichen, so
spricht man von Differenzfrequenzmischung (DFM) oder "Down
conversion". Den Spezialfall ωp = ωOPO bezeichnet man als
Frequenzverdopplung (SHG) oder "Second Harmonic Generation".
Betrachtet man den idealisierten Fall der Wechselwirkung ebe
ner Wellen, dann kann die Leistung der erzeugten Welle Pneu
näherungsweise geschrieben werden als:
Dabei bedeuten: deff der effektive nichtlineare Koeffizient, L
die Kristallänge, P die Leistungen von Pump- und OPO-Strah
lung, ε0 die Dielektrizitätskonstante, c die Lichtgeschwin
digkeit im Vakuum, n die Brechungsindizes der beteiligten
Wellen, λneu die Wellenlänge der erzeugten Welle, A die
Strahlquerschnittsfläche und Δk die Wellenvektordifferenz.
Für Leistung einer gepulsten Strahlung mit der Impulsdauer τ
und der Energie E gilt: P = E/τ.
Die nichtlineare Frequenzkonversion ist dann am effiziente
sten, wenn die Wellenvektordifferenz null wird. In diesem
Fall spricht man von Phasenanpassung.
Die Konversionseffizienz η wird definiert durch:
Es ist leicht ersichtlich, daß die Leistung der erzeugten
Strahlung vom Produkt der Leistung der eingestrahlten Wellen
abhängt.
Die herkömmliche externe, d. h. außerhalb des Resonators
stattfindende, nichtlineare Frequenzkonversion ist eine kon
ventionelle Technologie, die vielfach für Laser, aber auch
bereits für OPOs eingesetzt wurde. Bekannt ist diese Techno
logie im Zusammenhang mit OPOs aus dem Aufsatz von J. G. Haub,
M. J. Johnson, B. J. Orr, "Spectroscopic and Nonlinear-Optical
Applications of a Tunable β-Barium Borate Optical Parametric
Oscillator", J. Opt. Soc. Am. B 10, 1765-177? (1993). Aus dem Pa
pier von J. Clark, B. Johnson, and V. Newell, "Frequency Dou
bling of Narrowband High Energy Optical Parametric Oscil
lators", Proc. SPIE 2379, 256-264 (1995) geht hervor, daß bereits
kommerzielle Produkte erhältlich sind, bei denen eine externe
Frequenzverdopplung von OPOs eingesetzt wird.
Die bekannten Verfahren weisen jedoch erhebliche Nachteile
auf. Es ist eine hohe Konversionseffizienz der nichtlinearen
Frequenzkonversion wünschenswert, da diese entscheidend zum
Gesamtwirkungsgrad der Lichtquelle, also dem Verhältnis von
eingesetzter elektrischer Leistung zur erzeugten Lichtlei
stung, beiträgt. Ein hoher Gesamtwirkungsgrad bedeutet eine
höhere Lichtausbeute bei gleicher eingesetzter Leistung oder
eine Energieersparnis bei vergleichbaren Ausgangswerten. Da
mit ergibt sich in der Regel ein geringerer apparativer Auf
wand und ein kostengünstigerer Betrieb, was auch zu geringe
ren Anschaffungskosten führt.
Theoretisch lassen sich mit Hilfe der nichtlinearen Frequenz
konversion Konversionseffizienzen von 100% erreichen. In der
Praxis sind aber die erreichten Konversionseffizienzen meist
deutlich kleiner. Die Gründe hierfür sind zahlreich:
In der Regel lassen sich reale Strahlen nicht durch ideale
ebene Wellenfronten beschreiben. Gerade die zeitliche und
räumliche Kohärenz von gepulsten Strahlungsquellen und insbe
sondere von OPOs ist häufig vergleichsweise schlecht.
Es wird nur ein Teil der einfallenden Strahlung konvertiert,
wenn die Impulslängen der zu mischenden Strahlen entweder un
terschiedlich sind oder einen zeitlichen Jitter aufweisen.
Da für die nichtlineare Frequenzkonversion viele Ansprüche an
ein geeignetes nichtlineares Material gestellt werden müssen
(wie z. B. Transparenz bzw. geringe interne Verluste, Möglich
keit zur Phasenanpassung, hohe optische, mechanische und
thermische Zerstörschwellen usw.) können in der Regel nicht
alle Eigenschaften optimiert werden. Oftmals sind auch tech
nologische Grenzen gesetzt. So können Kristalle häufig nicht
mit hoher optischer Qualität oder mit größeren Abmessungen
hergestellt werden.
Die Kristalle, die sich zur nichtlinearen Frequenzkonversion
eignen, weisen sogenannte Akzeptanzbreiten für die Divergenz
und die spektrale Breite der Strahlung auf. Diese Akzeptanz
breiten nehmen mit zunehmender Kristallänge ab. Dies bewirkt,
daß bei divergenten oder spektral breitbandigen Strahlungs
quellen nur ein Teil der Eingangsstrahlung für die nichtli
neare Frequenzkonversion genutzt werden kann. Dies bedeutet,
daß der Fokussierung der einfallenden Strahlung, um die Lei
stungsdichte zu erhöhen, Grenzen gesetzt sind. Gerade ge
pulste OPOs sind spektral breitbandig, wenn keine speziellen
Vorrichtungen zur Reduzierung ihrer spektralen Breite getrof
fen wurden, und häufig vergleichsweise divergent.
Ein weiterer Nachteil von OPOs mit herkömmlicher externer
Frequenzkonversion ist die Energiestabilität, die in der Re
gel deutlich schlechter ist als die der Pumpquelle.
Darüber hinaus reichen auch die Strahlqualität und die Diver
genz von OPOs mit herkömmlicher externer Frequenzkonversion,
insbesondere mit Frequenzverdopplung, für Anwendungen häufig
nicht aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion der
Strahlung eines gepulsten optischen parametrischen Oszilla
tors mit höherer Konversionseffizienz und besserer Energie
stabilität anzugeben, wobei die Strahlqualität und die Diver
genz des OPOs den durch die Anwendungen gestellten Anforde
rungen genügen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten
Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Frequenz
mischung innerhalb des OPO-Resonators in dort integrierter
Weise ausgeführt wird. Nach der Erfindung werden somit ein
Verfahren sowie eine Vorrichtung vorgeschlagen, deren Grund
lage die Verwendung einer in den OPO-Resonator integrierten
Frequenzmischung ist. Gegenüber der herkömmlichen externen
Frequenzmischung führen das Verfahren und die Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zu einer Erhöhung der Konver
sionseffizienz der nichtlinearen Frequenzkonversion von
Strahlung gepulster optischer parametrischer Oszillatoren.
Die Verwendung einer in den OPO-Resonator integrierten Fre
quenzmischung besitzt folgende Vorteile für eine Steigerung
der Konversionseffizienz:
Da die Konversionseffizienz von der Leistung der OPO-Strah
lung abhängt, führt die Ausnutzung der hohen resonatorinter
nen Leistung im OPO-Resonator zu einer höheren Effizienz der
nichtlinearen Frequenzkonversion. Daher können bereits mit
kürzeren Wechselwirkungslängen des nichtlinearen Materials
hohe Konversionseffizienzen erzielt werden. Dies ermöglicht
dann aufgrund der größeren Akzeptanzbandbreite darüber hinaus
auch die effizientere nichtlineare Frequenzkonversion von
spektral breitbandigerer Strahlung. Frequenzselektive Ele
mente zur Einengung der spektralen Breite der OPO-Strahlung
oder der Pumpstrahlung sind darin in vielen Fällen nicht mehr
erforderlich. Gleichzeitig sind kürzere Kristalle auch preis
günstiger.
Aufgrund der durch den Resonator vorgeschriebenen Randbedin
gungen führt das Strahlprofil bzw. die Divergenz des entspre
chend der Erfindung ausgebildeten OPOs zu einer besseren
Kopplung der beteiligten Wellen.
Darüber hinaus ist bei diesem Verfahren aufgrund des nichtli
nearen Mechanismus der Auskopplung aus dem Resonator die
Energiestabilität gegenüber dem herkömmlichen Verfahren ver
bessert. Auch die Strahleigenschaften (Strahlprofil, Diver
genz) sind bei diesem Verfahren gegenüber dem herkömmlichen
verbessert.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, daß für Laser eine
in den Laserresonator integrierte Frequenzkonversion, vor al
lem im Zusammenhang mit der Frequenzverdopplung (SHG), in der
wissenschaftlichen Literatur beschrieben und auch mit Erfolg
eingesetzt worden ist.
Die Verwendung der in den Resonator integrierten Frequenzkon
version von OPOs bedeutet hingegen insofern einen deutlichen
Unterschied zum Laser, als es sich hierbei nicht nur um ei
nen, sondern um zwei resonatorinterne nichtlineare Prozesse,
nämlich die parametrische Oszillation und die Frequenz
mischung, handelt.
Für gepulste OPOs findet sich nur für den Spezialfall der in
den Resonator integrierten Frequenzverdopplung (SHG) die Be
schreibung eines Versuchsaufbaus (L. R. Marshal, A. Kaz, O.
Aytur, "Continuously Tunable Diode-pumped UV-Blue Laser Sour
ce", Opt. Lett. 18, 817-819 (1993). Darüber hinaus wurden theore
tische Berechnungen für die in den Resonator integrierte Sum
menfrequenzmischung von kontinuierlichen bzw. kontinuierlich-
modengekoppelten OPOs auf der Basis eines ebenen Wellen-
Modelles vorgestellt, wozu auf G. T. Moore, K. Koch, "Optical
Parametric Oscillation with Intracavity Sum-Frequency Genera
tion", IEEE J. Quantum Electron. QE29, 961-969 (1993) hingewiesen
wird.
Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestal
tungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprü
chen 1 bis 13 angegeben.
Eine die gestellte Aufgabe lösende Vorrichtung zur Durchfüh
rung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur nichtlinearen Fre
quenzkonversion der Strahlung eines gepulsten optischen para
metrischen Oszillators (OPO) ist im Patentanspruch 14 angege
ben.
Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen sowie Ausfüh
rungsmöglichkeiten der im Patentanspruch 14 angegebenen Vor
richtung nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 15 bis 41
angegeben.
Im folgenden ist in systematischer Form eine Anleitung zum
technischen Handeln für den Aufbau einer Vorrichtung nach der
Erfindung angegeben.
Die nachfolgend angegebenen Komponenten sind für die Reali
sierung einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung erfor
derlich:
- 1. Ein geeigneter gepulster Pumplaser, der die Pumpstrahlung
für den OPO erzeugt.
- 1. 1.1 Es eignen sich vor allem Festkörperlaser bzw.
- 2. 1.2 Festkörperlaser, deren Fundamentalwellenlänge fre quenzverdoppelt, -verdreifacht oder -vervierfacht wurde.
- 3. 1.3 Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades können diodenangeregte Pumplasersysteme von Vorteil sein.
- 2. Ein geeigneter gepulster Pumplaser, der die Pumpstrahlung
für die Frequenzmischung erzeugt.
- 1. 2.1 Es eignen sich vor allem Festkörperlaser bzw.
- 2. 2.2 Festkörperlaser, deren Fundamentalwellenlänge fre quenzverdoppelt, -verdreifacht, -vervierfacht oder -verfünffacht wurde.
- 3. 2.3 Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades können diodenangeregte Pumplasersystem von Vorteil sein.
- 4. 2.4 Insbesondere kann dieser Laser mit dem unter 1. be schriebenen Laser identisch sein.
- 3. Ein OPO-Resonator, bestehend aus:
- 1. 3.1 einem oder mehreren Kristallen, der/die für die para metrische Oszillation geeignet ist/sind. Die Pha senanpassungsbedingung kann dabei durch Winkelphasen anpassung, Temperaturphasenanpassung, elektroopti sche Phasenanpassung oder Quasi-Phasenanpassung er reicht werden. Zwei Kristalle bieten bei der Winkel phasenanpassung die Möglichkeit, den Strahlversatz zu kompensieren.
- 2. 3.2 einem oder mehreren Kristallen, der/die für die
nichtlineare Frequenzkonversion geeignet ist/sind.
Phasenanpassungsbedingung kann dabei durch Winkelpha
senanpassung, Temperaturphasenanpassung, elektroop
tische Phasenanpassung oder Quasi-Phasenanpassung er
reicht werden. Zwei Kristalle bieten bei der Winkel
phasenanpassung die Möglichkeit, den Strahlversatz zu
kompensieren. Folgende Prozesse kommen dabei für die
Frequenzmischung in Frage:
- 1. 3.2.1 die Summenfrequenzmischung, und
- 2. 3.2.2 die Differenzfrequenzmischung.
- 3. 3.3 einem Resonator für die OPO-Strahlung. Der Resonator kann dabei für die Signal- oder Idlerstrahlung reso nant sein.
- 4. 3.4 einer Vorrichtung zur Einkopplung der OPO-Pumpstrah
lung. Dies kann geschehen über:
- 1. 3.4.1 einen der Resonatorspiegel, der mit entspre chenden Beschichtungen versehen sein muß,
- 2. 3.4.2 einem extra dafür vorgesehenen Spiegel im In neren des Resonators, oder
- 3. 3.4.3 dispersiven Elementen, wie z. B. einem Prisma,
- 5. 3.5 einer Vorrichtung zur Einkopplung der Pumpstrahlung
für die Frequenzmischung. Dies kann geschehen über
- 1. 3.5.1 einen der Resonatorspiegel, der mit entspre chenden Beschichtungen versehen sein muß,
- 2. 3.5.2 einem extra dafür vorgesehenen Spiegel im In neren des Resonators, oder
- 3. 3.5.3 dispersiven Elementen, wie z. B. einem Prisma,
- 6. 3.6 einer Vorrichtung zur Auskopplung der durch Frequenz
mischung erzeugten Strahlung. Dies kann geschehen
über:
- 1. 3.6.1 einen der Resonatorspiegel, der mit entspre chenden Beschichtungen versehen sein muß,
- 2. 3.6.2 einem besonderen Spiegel, oder
- 3. 3.6.3 dispersiven Elementen, wie z. B. einem Prisma.
- 7. 3.7 Der OPO-Resonator kann einen einfachen oder doppelten
Durchgang für die OPO-Pumpstrahlung ermöglichen und
ausgebildet sein als:
- 1. 3.7.1 linearer Resonator, oder
- 2. 3.7.2 Ringresonator.
- 8. 3.8 Der Resonator sollte, um eine möglichst hohe reso nante Überhöhung der OPO-Strahlung zu erzielen, eine möglichst hohe Güte besitzen. Insofern sind Antire flexbeschichtungen auf allen Kristalloberflächen oder andere Maßnahmen zur Reduktion der optischen Verluste an den Oberflächen der Kristalle von Vorteil.
- 4. Eine Vorrichtung zur zeitlichen Synchronisation der Im
pulse von OPO-Strahlung und Pumpstrahlung für die Fre
quenzmischung. Diese kann sein:
- 1. 4.1 eine optische Verzögerungsstrecke,
- 2. 4.2 falls die Laser unter 1. und 2. nicht identisch sind, kann die Synchronisation auch durch eine elektroni sche Verzögerung der Laserimpulse vorgenommen werden.
- 5. Falls Pumplaser und Pumpwellenlänge für den OPO und die
Frequenzmischung identisch sind, kann die Strahlführung
über einen Strahlteiler geschehen, der die Pumpstrahlung
aufteilt in a) Pumpstrahlung für den OPO und b) Pump
strahlung für die Frequenzmischung.
- 1. 5.1 Besonders vorteilhaft ist dann die Verwendung eines variablen Polarisationsstrahlteilers, der die Opti mierung des Verhältnisses zwischen Pumpstrahlung für den OPO und Pumpstrahlung für die Frequenzmischung ermöglicht, um eine möglichst hohe Konversionseffi zienz zu erzielen.
- 2. 5.2 Die Aufteilung kann auch über polarisationsunabhän gige Strahlteiler erfolgen.
- 6. Falls für die in den Resonator integrierte Frequenz mischung der Spezialfall der Frequenzverdopplung gewählt wird, ist neben der Pumpstrahlung für den OPO keine wei tere Pumpstrahlung erforderlich. Für diesen Fall entfal len die Punkte 2, 3.5, 4 und 5.
- 7. Um eine spektral schmalbandige, frequenzkonvertierte Strahlung zu erzeugen, wird vorgeschlagen, dafür die Me thode des "Injection seeding" einzusetzen. Dafür kommen geeignete schmalbandige Strahlungsquellen in Frage. Be sonders geeignet sind dafür Stahlungsquellen auf der Ba sis von Diodenlasern.
Die Erfindung und ihr Prinzip werden im folgenden anhand ei
nes vorteilhaften Ausführungsbeispiels einer realisierten
OPO-Vorrichtung mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zei
gen:
Fig. 1 den Aufbau dieser OPO-Vorrichtung nach der Erfindung
in einer schematischen Ansicht, und
Fig. 2 Meßwerte der Ausgangsenergie E dieser OPO-Vorrichtung
als Funktion der Wellenlänge λ, wobei die Gesamtener
gie der Pumpstrahlung 20,5 mJ/Impuls beträgt.
In der Fig. 1 ist das Ausführungsbeispiel einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung zur nichtlinearen Frequenzkonversion der
Strahlung eines gepulsten optischen parametrischen Oszilla
tors (OPO) 1 dargestellt, der durch die Frequenzmischung von
OPO-Signalstrahlung (Wellenlänge: 699-842 nm) und der fre
quenzverdoppelten Strahlung eines Nd:YAG-Lasers (Wellenlänge:
532 nm) die effiziente Erzeugung von durchstimmbarer Strah
lung im ultravioletten Spektralbereich von 302-326 nm ermög
licht.
Als Pumplaser 2 für den OPO 1 dient ein gütegeschalteter,
blitzlampenangeregter Nd:YAG-Laser mit Frequenzverdopplung
(λp = 532 nm). Die Energie beträgt 200 mJ/Impuls bei einer Wel
lenlänge von 532 nm.
Der integrierte OPO-Resonator 1 besteht aus einem optisch
nichtlinearen KTP-OPO-Kristall 3, einem optisch nichtlinearen
Kristall 4 für eine Summenfrequenzmischung (SFM) und drei
Spiegeln M1, M2 und M3, die im Wellenlängenbereich von
700-830 nm hochreflektierend sind und 532 nm transmittieren.
Der Spiegel M3 transmittiert zusätzlich UV-Strahlung im Be
reich von 300-350 nm.
Ein für 532 nm hochreflektierender Spiegel (HR 532) 5 bewirkt
einen zweifachen Durchgang (sogenannter Double-pass) der
Pumpstrahlung durch den OPO-Kristall 3. Der vom Pumplaser 2
ausgehende Pumpstrahl wird mit Hilfe einer λ/2-
Verzögerungsplatte 6 und eines Polarisators 7 in p- und
s-Polarisation aufgeteilt. Der s-polarisierte Strahl 8 wird
zum Pumpen des KTP-OPO-Kristalls 3 im Zusammenhang mit der
parametrischen Operation verwendet. Der p-polarisierte Strahl
9 gelangt über eine optische Verzögerungsstrecke 10, deren
Länge für die zeitliche Synchronisation der Impulse optimiert
ist, zum OPO 1 und dient als Pumpe für die Summenfrequenz
mischung.
Die Besonderheit dieser Strahlführung, bei der noch vier Um
lenkspiegel US1, US2, US3 und US4 vorgesehen sind, besteht
darin, daß das Verhältnis zwischen der OPO-Pumpenergie und
der SFM-Pumpenergie mit der λ/2-Verzögerungsplatte 6 variabel
eingestellt und optimiert werden kann. Im OPO 1 findet somit
eine integrierte Summenfrequenzmischung mittels des SFM-
Kristalls 4 statt. Die vom Spiegel M3 durchgelassene und aus
gekoppelte UV-Strahlung 11 mit der Wellenlänge λSFM
(Wellenlängenbereich 300-350 nm) durchläuft nach Verlassen
des OPOs 1 noch ein speziell diesen UV-Wellenlängenbereich
durchlassendes Filter 12.
In der Fig. 2 sind in Form von Punkten die Meßergebnisse einer
Messung der Ausgangsenergie E dieses Systems als Funktion der
Wellenlänge λ dargestellt. Es werden danach Energien bis zu
19,5 mJ erzielt. Dies entspricht einer Konversionseffizienz
bezüglich der Gesamtenergie bei 532 nm von 9,5%.
Ein Vergleichstest hat ergeben, daß die maximal erzielte Kon
versionseffizienz der in herkömmlicher Weise extern durchge
führten Frequenzkonversion unter vergleichbaren Randbedingun
gen etwa um 50% geringer als bei dem gemäß der Erfindung vor
geschlagene integrierte Konversionskonzept ist. Um dieses Er
gebnis zu erzielen, ist bei der herkömmlichen Frequenzkonver
sion ein doppelt so langer Kristall erforderlich.
Die Energiestabilität eines entsprechend der Erfindung mit
integrierter Frequenzumsetzung arbeitenden OPOs wurde im Rah
men einer Erprobung vermessen und war vergleichsweise gut.
Sie wurde zu ±3,2% bestimmt. Die Stabilität des Pumplasers
war mit ±2,2% nur wenig besser.
1
optisch parametrischer Oszillator (OPO)
2
Pumplaser
3
KTP-OPO-Kristall
4
Kristall
5
hochreflektierender Spiegel
6
λ/2 Verzögerungsplatte
7
Polarisator
8
s-polarisierter Strahl
9
p-polarisiertre Strahl
10
optische Verzögerungsstrecke
M1, M2, M3 Spiegel
US1, US2, US3, US4 Umlenkspiegel
M1, M2, M3 Spiegel
US1, US2, US3, US4 Umlenkspiegel
11
UV-Strahlung
12
Filter
Claims (41)
1. Verfahren zur Frequenzkonversion der Strahlung eines ge
pulsten optischen parametrischen Oszillators (OPO) durch Sum
men- oder Differenzfrequenzmischung einer gepulsten Laser
pumpstrahlung mit einer OPO-Strahlung, die in einem OPO-Reso
nator unter Verwendung eines durch eine gepulste Laserpump
strahlung gepumpten nichtlinearen OPO-Kristalls für die para
metrische Operation gewonnen wird, in einem optisch nichtli
nearen Kristall für die Frequenzmischung, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Frequenzmischung innerhalb des OPO-Resona
tors (1) in dort integrierter Weise ausgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
den aus mindestens einem optisch nichtlinearen Kristall (3)
für die parametrische Operation, aus mindestens einem optisch
nichtlinearen Kristall (4) für die Frequenzmischung und aus
Resonatorspiegeln (M1, M2, M3) bestehenden OPO-Resonator (1)
zum einen die OPO-Pumpstrahlung (8) und zum anderen die Pump
strahlung (9) für die Frequenzmischung eingekoppelt werden
und daß die durch die Frequenzmischung erzeugte Strahlung
(11) aus dem Resonator ausgekoppelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
OPO-Pumpstrahlung (8) und die Pumpstrahlung (9) für die Fre
quenzmischung in einem einzigen Pumplaser (2) erzeugt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Impulse der OPO-Strahlung und der
Pumpstrahlung für die Frequenzmischung zeitlich synchroni
siert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Synchronisierung durch eine optische Verzögerungsstrecke (10)
vorgenommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 unter Ausschluß von Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierung, falls der
für die OPO-Pumpstrahlung herangezogene Pumplaser nicht iden
tisch mit dem für die Frequenzmischung herangezogenen Pum
plaser ist, durch eine elektronische Verzögerung der Laserim
pulse vorgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
im einzigen Pumplaser (2) erzeugte Pumpstrahl einer Strahl
teilung unterzogen wird, durch welche die Pumpstrahlung in
eine Pumpstrahlung (8) für die parametrische Operation des
OPOs (1) und in eine wellenlängengleiche Pumpstrahlung (9)
für die Frequenzmischung aufgeteilt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strahlaufteilung eine polarisationsmäßig getrennte Strahlauf
teilung ist, die eine Optimierung des Aufteilungsverhältnis
ses zwischen der Pumpstrahlung (8) für den OPO und der Pump
strahlung (9) für die Frequenzmischung ermöglicht.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im speziellen Fall einer Frequenzverdop
pelung bei der innerhalb des OPO-Resonators integrierten Fre
quenzmischung in den OPO-Resonator nur die OPO-Pumpstrahlung
eingekoppelt und sonst keine weitere Pumpstrahlung für die
Frequenzmischung eingekoppelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer schmalbandigen
frequenzkonvertierten Strahlung die Methode des "Injection
Seeding" unter Verwendung von geeigneten schmalbandigen
Strahlungsquellen, insbesondere von Strahlungsquellen auf der
Basis von Diodenlasern, eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei dem für die parametrische Oszillation zuständigen Kri
stall (3) bzw. den diesbezüglichen Kristallen die Phasenan
passungsbedingung im OPO-Resonator (1) durch Winkelphasenan
passung, Temperaturphasenanpassung, elektro-optische Phasen
anpassung oder Quasi-Phasenanpassung erreicht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei dem für die nichtlineare Frequenzkonversion zuständigen
Kristall (4) bzw. den diesbezüglichen Kristallen die Phasen
anpassungsbedingung im OPO-Resonator durch Winkelphasenanpas
sung, Temperaturphasenanpassung, elektro-optische Phasenan
passung oder Quasi-Phasenanpassung erreicht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich
net, daß bei Verwendung zweier Kristalle und der Winkelpha
senanpassung der Strahlversatz kompensiert wird.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß darin folgende Kompo
nenten vorgesehen sind:
ein geeignet gepulster erster Pumplaser, der die Pump strahlung (8) für den OPO-Resonator (1) erzeugt,
ein geeignet gepulster zweiter Pumplaser, der die Pump strahlung (9) für die Frequenzmischung erzeugt,
ein OPO-Resonator (1), bestehend aus:
einem oder mehreren optisch nichtlinearen Kristallen (3), der bzw. die für die parametrische Oszillation geeignet ist/sind,
einem oder mehreren optisch nichtlinearen Kristallen (4), der bzw. die für die nichtlineare Frequenzmischung geeignet ist/sind,
einem Resonator für die OPO-Strahlung, der entweder für die Signal- oder die Idlerstrahlung resonant ist,
einer Vorrichtung (M1) zur Einkopplung der OPO-Pumpstrahlung (8),
einer Vorrichtung (M2) zur Einkopplung der Pumpstrahlung (9) für die Frequenzmischung,
und einer Vorrichtung (M3) zur Auskopplung der durch die Fre quenzmischung erzeugten Strahlung (11),
und eine Vorrichtung (10) zur zeitlichen Synchronisierung der Impulse der OPO-Strahlung und der Pumpstrahlung für die Fre quenzmischung.
ein geeignet gepulster erster Pumplaser, der die Pump strahlung (8) für den OPO-Resonator (1) erzeugt,
ein geeignet gepulster zweiter Pumplaser, der die Pump strahlung (9) für die Frequenzmischung erzeugt,
ein OPO-Resonator (1), bestehend aus:
einem oder mehreren optisch nichtlinearen Kristallen (3), der bzw. die für die parametrische Oszillation geeignet ist/sind,
einem oder mehreren optisch nichtlinearen Kristallen (4), der bzw. die für die nichtlineare Frequenzmischung geeignet ist/sind,
einem Resonator für die OPO-Strahlung, der entweder für die Signal- oder die Idlerstrahlung resonant ist,
einer Vorrichtung (M1) zur Einkopplung der OPO-Pumpstrahlung (8),
einer Vorrichtung (M2) zur Einkopplung der Pumpstrahlung (9) für die Frequenzmischung,
und einer Vorrichtung (M3) zur Auskopplung der durch die Fre quenzmischung erzeugten Strahlung (11),
und eine Vorrichtung (10) zur zeitlichen Synchronisierung der Impulse der OPO-Strahlung und der Pumpstrahlung für die Fre quenzmischung.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der die Pumpstrahlung (8) für den OPO (1) erzeugende gepulste
Pumplaser (2) ein Festkörperlaser ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen
Festkörperlaser, dessen Fundamentalwellenlänge frequenzver
vielfacht, insbesondere frequenzverdoppelt, frequenzverdrei
facht oder frequenzvervierfacht, ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der die Pumpstrahlung (8) für den OPO (1) erzeugende gepulste
Pumplaser (2) ein diodenangeregtes Pumplasersystem ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der die Pumpstrahlung (9) für die Frequenzmischung erzeugende
gepulste Pumplaser (2) ein Festkörperlaser ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen
Festkörperlaser, dessen Fundamentalwellenlänge frequenzver
vielfacht, insbesondere frequenzverdoppelt, frequenzverdrei
facht, frequenzvervierfacht oder frequenzverfünffacht, ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der die Pumpstrahlung (9) für die Frequenzmischung erzeugende
gepulste Pumplaser (2) ein diodenangeregtes Pumplasersystem
ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der die Pumpstrahlung (8) für den OPO (1) erzeugende Pump
laser (2) identisch mit dem die Pumpstrahlung (9) für die
Frequenzmischung erzeugenden Pumplaser (2) ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
als Vorrichtung zur Einkopplung der OPO-Pumpstrahlung (8) ei
ner der Resonatorspiegel (M1) vorgesehen ist, der mit einer
entsprechenden Beschichtung versehen ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur Einkopplung der OPO-Pumpstrahlung (8) ein
eigens dafür vorgesehener Resonatorspiegel im Inneren des Re
sonators ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
als Vorrichtung zur Einkopplung der OPO-Pumpstrahlung (8) ein
oder mehrere dispersive Elemente, z. B. ein Prisma, vorgesehen
sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
als Vorrichtung zur Einkopplung der Pumpstrahlung (9) für die
Frequenzmischung einer der Resonatorspiegel (9) vorgesehen
ist, der mit einer entsprechenden Beschichtung versehen ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur Einkopplung der Pumpstrahlung (9) für die
Frequenzmischung ein eigens dafür vorgesehener Resonatorspie
gel im Inneren des Resonators ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
als Vorrichtung zur Einkopplung der Pumpstrahlung (9) für die
Frequenzmischung ein oder mehrere dispersive Elemente, z. B.
ein Prisma, vorgesehen sind.
28. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
als Vorrichtung zur Auskopplung der durch Frequenzmischung
erzeugten Strahlung (11) aus dem OPO-Resonator (1) einer der
Resonatorspiegel (M3) vorgesehen ist, der mit einer entspre
chenden Beschichtung versehen ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur Auskopplung der durch Frequenzmischung
erzeugten Strahlung (11) aus dem OPO-Resonator (1) ein beson
derer Resonatorspiegel ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
als Vorrichtung zur Auskopplung der durch Frequenzmischung
erzeugten Strahlung (11) aus dem OPO-Resonator (1) ein oder
mehrere dispersive Elemente, z. B. ein Prisma, vorgesehen
sind.
31. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der OPO-Resonator (1) derart ausgelegt ist, daß ein einfacher
Durchgang für die OPO-Pumpstrahlung ermöglicht ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der OPO-Resonator (1) derart ausgelegt ist, daß ein doppelter
Durchgang (Double-pass) für die OPO-Pumpstrahlung (8) ermög
licht ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekenn
zeichnet, daß der OPO-Resonator (1) als linearer Resonator
ausgebildet ist.
34. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekenn
zeichnet, daß der OPO-Resonator als Ringresonator ausgebildet
ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzielung einer hohen Güte der Resonator (1) auf allen
Kristalloberflächen Antireflexbeschichtungen aufweist
und/oder daß andere Maßnahmen zur Herabsetzung der optischen
Verluste an den Oberflächen der Kristalle vorgesehen sind.
36. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur zeitlichen Synchronisation der Impulse
eine optische Verzögerungsstrecke (10) ist.
37. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
im Falle, daß die Pumplaser nicht identisch sind, die Vor
richtung zur zeitlichen Synchronisation der Impulse durch ei
ne Einrichtung zur elektronischen Verzögerung der Laserim
pulse gebildet ist.
38. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
in der Strahlführung vom gemeinsam für die OPO-Pumpstrahlung
(8) und die Pumpstrahlung (9) für die Frequenzmischung vorge
sehenen Pumplaser (2) zum OPO-Resonator (1) ein Strahlteiler
vorgesehen ist, der die Strahlung in die Pumpstrahlung für
den OPO und die Pumpstrahlung für die Frequenzmischung auf
teilt.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß
als Strahlteiler ein variabler Polarisationsstrahlteiler (6,
7) vorgesehen ist, der eine Optimierung des Verhältnisses
zwischen Pumpstrahlung für den OPO und Pumpstrahlung für die
Frequenzmischung zuläßt.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß
der Polarisationsstrahlteiler aus einer λ/2-Verzögerungs
platte (6) und einem in p- und s-Polarisation aufteilenden
Polarisator (7) besteht.
41. Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß
als Strahlteiler ein polarisationsunabhängiger Strahlteiler
vorgesehen ist.
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