DE102004062639B4 - Methods and apparatus for generating coherent ultraviolet light - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von kohärentem UV-Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge durch Summenfrequenzbildung oder Frequenzverdopplung von Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwellenlaser-Strahlen von zwei Quasi-Drei-Niveau-Lasern erzeugt werden, von denen mindestens einer durchstimmbar ist, die nacheinander in beliebiger Reihenfolge durch Summenfrequenzbildung und Frequenzverdopplung frequenzumgewandelt werden, so dass ein kohärenter Laserstrahl mit der gewünschten Wellenlänge erzeugt wird.A method for generating coherent ultraviolet light having a predetermined wavelength by summing frequency generation or frequency doubling laser beams, characterized in that the fundamental laser beams are generated by two quasi-three-level lasers, at least one of which is tunable successively in arbitrary Sequence are frequency converted by sum frequency formation and frequency doubling, so that a coherent laser beam is generated with the desired wavelength.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von ultraviolettem Licht (UV). Das UV Licht wird durch Summenfrequenzbildung (SFG – vom englischen „Sum Frequency Generation”) von Wellenlängen im Sichtbaren, die durch Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG – vom englischen „Second Harmonics Generation”) entstanden sind, oder durch die Verdopplung von Wellenlängen im Sichtbaren, die von vorheriger SFG herstammen, erzeugt. Durch Nutzung der Vielzahl von existierenden Laserwellenlängen in üblichen Lasermaterialien sind zahlreiche Wellenlängen zugänglich. Die möglichen Anwendungen umfassen wissenschaftliche und industrielle Anwendungen. Ein spezielles ”Konzept” betrifft ein kontinuierliches (cw) All-Festkörperlaser-System bei etwa 242 nm zum Schreiben von Faser-Bragg-Gittern.The present invention relates to apparatus and methods for producing ultraviolet light (UV). The UV light is made visible by sum frequency generation (SFG) of wavelengths that have been created by second harmonic generation (SHG) or by the doubling of wavelengths in the visible generated from previous SFG generated. By utilizing the variety of existing laser wavelengths in common laser materials, numerous wavelengths are accessible. The possible applications include scientific and industrial applications. One particular "concept" relates to a continuous (cw) all-solid state laser system at about 242 nm for writing fiber Bragg gratings.

Es gibt viele wissenschaftliche und industrielle Anwendungen, die ultraviolettes Laserlicht mit guter Strahlqualität erfordern. Solche Anwendungen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Photolithographie, Mikrobearbeitung, das Bohren von Präzisionslöchern in Mehrfachlagen-Leiterplatten, sowie das Herstellen von Faser-Bragg-Gittern.There are many scientific and industrial applications that require ultraviolet laser light with good beam quality. Such applications include, but are not limited to, photolithography, micromachining, precision hole drilling in multilayer circuit boards, and fiber Bragg grating fabrication.

Bragg-Gitter (BG) sind Abschnitte von optischen Wellenleitern, wie ebenen Wellenleitern oder optischen Fasern, die behandelt wurden, um bestimmte Wellenlängen zu reflektieren und zu transmittieren. Die Herstellung von FBG beinhaltet das Belichten der photoempfindlichen Faser mit UV-Licht, dessen Intensität zwischen hell und dunkel entlang der Faser wechselt. Die hellen und dunklen Bänder der Belichtung sind entlang der Faser in Abständen angeordnet, die mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar sind, das von der Faser im Betrieb reflektiert werden soll. Das UV-Licht verändert den Brechungsindex der Faser, wobei ein Brechungsindex-Gitter entlang der Länge der Faser erzeugt wird.Bragg gratings (BG) are sections of optical waveguides, such as planar waveguides or optical fibers, which have been treated to reflect and transmit certain wavelengths. The fabrication of FBG involves exposing the photosensitive fiber to UV light, the intensity of which changes between light and dark along the fiber. The light and dark bands of the exposure are spaced along the fiber, which are comparable to the wavelength of light that is to be reflected by the fiber in operation. The UV light alters the refractive index of the fiber, creating a refractive index grating along the length of the fiber.

Eine Lichtquelle, die für die Belichtung einer Faser zum Erzeugen von FBG benutzt wird, muß Licht innerhalb eines spezifischen Wellenlängenbereichs im UV-Bereich des Spektrums bereitstellen. Der primäre Wellenlängenbereich der Absorption einer typischen Ge-dotierten Faser hat ein Maximum nahe von 242 nm; und Wellenlängen, die von diesem Scheitelwert um mehr als etwa 10 nm abweichen, sind signifikant weniger effektiv. Sogar bei der Spitzenwertwellenlänge wird nur ein kleiner Anteil der Laserleistung absorbiert, sodaß es hocherwünscht ist, daß die Lichtquelle Licht bei einer Wellenlänge nahe dem Absorptionsmaximum zur Verfügung stellt.A light source used to expose a fiber to produce FBG must provide light within a specific wavelength range in the UV region of the spectrum. The primary wavelength range of the absorption of a typical Ge-doped fiber has a maximum near 242 nm; and wavelengths that deviate from this peak by more than about 10 nm are significantly less effective. Even at the peak wavelength, only a small portion of the laser power is absorbed, so that it is highly desirable for the light source to provide light at a wavelength near the absorption maximum.

Die gegenwärtigen Quellen für UV-Licht, die für das Schreiben von FBG angewandt werden, haben verschiedene Nachteile; keine ist völlig zufriedenstellend.The current sources of UV light used for writing FBG have several disadvantages; none is completely satisfactory.

1 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit der Absorption in Ge-dotierten Quarzglas-Fasern. Die Absorption bei ausgesuchten Wellenlängen ist ebenfalls angezeigt. Laser, die bei diesen Wellenlängen arbeiten, werden entweder gegenwärtig zum Schreiben von FBG genutzt oder wurden für diese Anwendung beschrieben. 1 shows the wavelength dependence of the absorption in Ge-doped silica glass fibers. Absorption at selected wavelengths is also indicated. Lasers operating at these wavelengths are either currently used for writing FBG or have been described for this application.

In Laboratorien werden häufig frequenzverdoppelte Argonionen-Laser, die bei 244 nm arbeiten, für diese Anwendung genutzt. Kommerzielle Laser dieses Typs sind z. B. ”FRED” (Coherent, Inc.) und der ”iTrain” (Spectra Physics Lasers). Diese Laser sind recht zufriedenstellend hinsichtlich der Wellenlänge, da die Absorption sehr dicht an der maximalen Absorption liegt. Jedoch leiden sie unter den üblichen Nachteilen von Ionen-Lasern wie kurzer Betriebslebensdauer und hohen Betriebskosten. Die letzteren werden durch die geringe Effizienz hervorgerufen, die hohen Energieverbrauch und externe Wasserkühlung erfordert.In laboratories, frequency doubled argon ion lasers operating at 244 nm are frequently used for this application. Commercial lasers of this type are z. "FRED" (Coherent, Inc.) and "iTrain" (Spectra Physics Lasers). These lasers are quite satisfactory in wavelength because the absorption is very close to the maximum absorption. However, they suffer from the usual disadvantages of ion lasers such as short service life and high operating costs. The latter are caused by the low efficiency, which requires high energy consumption and external water cooling.

Weiterhin benutzt werden KrF-Excimer-Laser (248 nm) oder frequenzverdoppelte Kupferdampf-Laser (255 nm). Diese gepulsten Laser beinhalten jedoch ein deutlich höheres Risiko für ein versehentliches Zerstören der Fasern. Die hohen Spitzen-Ausgangsleistungen rufen eine Beschädigung der Fasern hervor, schwächen diese und machen sie empfänglich für Bruch. Darüber hinaus erfordern Excimer-Laser toxische, korrosive Gase für den Betrieb; sie haben hohe Betriebs- und Unterhaltskosten. Frequenzverdoppelte Kupferdampf-Laser erfordern externe Wasserkühlung und ihre Wellenlänge ist zu lang, um optimal zu sein.Also used are KrF excimer lasers (248 nm) or frequency-doubled copper vapor lasers (255 nm). However, these pulsed lasers involve a significantly higher risk of accidentally destroying the fibers. The high peak output powers cause damage to the fibers, weakening them and making them susceptible to breakage. In addition, excimer lasers require toxic, corrosive gases for operation; they have high operating and maintenance costs. Frequency-doubled copper vapor lasers require external water cooling and their wavelength is too long to be optimal.

Frequenzumgewandelte Flüssigkeits-Farbstoff-Laser sind unpraktisch da sie häufiges Wechseln der flüssigen Farbstoff-Lösung erfordern, um den Betrieb aufrecht zu erhalten.Frequency-converted liquid-dye lasers are impractical because they require frequent changing of the liquid dye solution to maintain operation.

Festkörperlaser, die aktive Materialien wie Nd:YAG, Nd:YLF, Yb:YAG enthalten, können effizient sein und können Ausgangsleistungen mit hoher Strahlqualität liefern. Der effizienteste Ausgang solcher Laser liegt im Infrarot-Bereich des Spektrums (IR), etwas länger als 1 μm zwischen 1000 nm and 1100 nm. Ein Yb:YAG-Laser kann durch das Einfügen eines doppelbrechenden Filters durchgestimmt werden, was zu einem breit durchstimmbaren Laser (mehr als 35 nm) im IR nahe von 1030 nm führt [U. Brauch et al., Opt. Lett. 20 (1995) 713–715].Solid state lasers containing active materials such as Nd: YAG, Nd: YLF, Yb: YAG can be efficient and can provide high beam quality output. The most efficient output of such lasers is in the infrared region of the spectrum (IR), slightly longer than 1 μm between 1000 nm and 1100 nm. A Yb: YAG Laser can be tuned by inserting a birefringent filter, resulting in a wide tunable laser (more than 35 nm) in IR near 1030 nm [U. Brauch et al., Opt. Lett. 20 (1995) 713-715].

Die IR-Strahlung eines solchen diodengepumpten Lasers, der bei etwa 1 μm arbeitet, kann durch optisch nichtlineare Frequenzumwandlung wie die Bildung der zweiten Harmonischen (auch Frequenzverdopplung genannt) effizient in den grünen Bereich des Spektrums umgewandelt werden. Eine Anzahl von kristallinen Materialien werden für diese nichtlineare Frequenzumwandlung genutzt; z. B. Lithiumniobat, Lithiumtriborat (LBO) oder Kaliumtitanylphosphat (KTP), oder periodisch gepolte (quasi-phasenangepaßte) Kristalle.The IR radiation of such a diode-pumped laser operating at about 1 μm can be efficiently converted to the green region of the spectrum by optically nonlinear frequency conversion such as second harmonic generation (also called frequency doubling). A number of crystalline materials are used for this non-linear frequency conversion; z. Lithium niobate, lithium triborate (LBO) or potassium titanyl phosphate (KTP), or periodically poled (quasi-phase matched) crystals.

Die Ausgangsstrahlung von frequenzverdoppelten Lasern im sichtbaren Spektralbereich kann nachfolgend in das UV durch SHG oder SFG umgewandelt werden. In einem optisch nichtlinearen Kristall kombiniert Summenfrequenzerzeugung zwei Photonen niedriger Energie zu einem Hochenergie-Photon (ω₁ + ω₂ = ω₃ oder 1/λ₁ + 1/λ₂ = 1/λ₃; wobei ω und λ die Kreisfrequenz und die Wellenlänge bezeichnen). SFG wird häufig genutzt, um langwellige Strahlung, z. B. infrarote Strahlung, in kurzwellige Strahlung, nämlich sichtbares oder ultraviolettes Licht umzuwandeln. Es sei angemerkt, daß die Erzeugung der zweiten Harmonischen ein Spezialfall der Summenfrequenzbildung mit ω₁ = ω₂ ist, und daß SFG der inverse Prozess zu optisch parametrischer Oszillation (OPO) ist [V. G. Dmitriev et al., ”Handbook of nonlinear optical crystals”. 3^rd Edition, Springer (Berlin, Heidelberg, New York), 1999]. SFG wird auch Summenfrequenzmischung (SFM) genannt. Der Vollständigkeit halber soll die Differenzfrequenzbildung erwähnt werden. Dieser Prozess, auch Differenzfrequenzmischung genannt, ist nicht relevant im Kontext der Erfindung, da er für die Umwandlung von kurzwelliger Strahlung in langwellige Strahlung genutzt wird (ω₁ – ω₂ = ω₃ oder 1/λ₁ – 1/λ₂ = 1/λ₃). Wann immer im folgenden der Begriff Mischung benutzt wird, so ist SFM (SFG) damit gemeint. Die Umwandlung von IR-Wellenlängen in das UV mit aufeinanderfolgenden SFG- und/oder SHG-Prozessen ist typischerweise ineffizient [V. G. Dmitriev et al., ”Handbook of nonlinear optical crystals”. 3^rd Edition, Springer (Berlin, Heidelberg, New York), 1999]. Das rührt vorrangig von den Eigenschaften der optisch nichtlinearen Materialien her, die zur UV-Licht-Erzeugung benutzt werden. Die Aufgabe ist besonders fordernd im Falle von cw-Lasern, da die Ausgangsleistung eines jeden NLO-Prozesses quadratisch von der Eingansleistung abhängt. Folglich ist die Umwandlungseffizienz für gepulste (gütegeschaltete) oder modensynchronisierte Laser mit hohen Spitzenleistungen üblicherweise viel höher als für kontinuierliche Laser.The output radiation of frequency-doubled lasers in the visible spectral range can subsequently be converted to the UV by SHG or SFG. In an optically nonlinear crystal, sum frequency generation combines two low energy photons into a high energy photon (ω ₁ + ω ₂ = ω ₃ or 1 / λ ₁ + 1 / λ ₂ = 1 / λ ₃ , where ω and λ are angular frequency and wavelength describe). SFG is often used to detect long-wave radiation, eg. As infrared radiation, in short-wave radiation, namely to convert visible or ultraviolet light. It should be noted that the second harmonic generation is a special case of sum frequency formation with ω ₁ = ω ₂ , and that SFG is the inverse process for optical parametric oscillation (OPO) [VG Dmitriev et al., "Handbook of Nonlinear Optical Crystals". , 3 ^rd Edition, Springer (Berlin, Heidelberg, New York), 1999]. SFG is also called Sum Frequency Mixing (SFM). For the sake of completeness, the difference frequency formation should be mentioned. This process, also called differential frequency mixing, is not relevant in the context of the invention, since it is used for the conversion of short-wave radiation into long-wave radiation (ω ₁ -ω ₂ = ω ₃ or 1 / λ ₁ -1 / λ ₂ = 1 / λ ₃ ). Whenever the term mixture is used below, SFM (SFG) is meant. The conversion of IR wavelengths into the UV with successive SFG and / or SHG processes is typically inefficient [VG Dmitriev et al., "Handbook of Nonlinear Optical Crystals". 3 ^rd Edition, Springer (Berlin, Heidelberg, New York), 1999]. This is due primarily to the properties of the optically nonlinear materials used for UV light generation. The task is particularly demanding in the case of cw lasers, since the output power of each NLO process depends quadratically on the input power. Consequently, the conversion efficiency for pulsed (Q-switched) or mode-locked lasers with high peak powers is usually much higher than for continuous lasers.

Unlängst wurde eine Umwandlungseffizienz (optisch-optisch) so hoch wie nahezu 60% erzielt. Dies wurde in einem doppelt resonanten SFG-Ring erreicht, der einen NLO-Kristall enthielt, und von zwei injektions-synchronisierten („injection locked”) Ringlasern gepumpt wurde. Dieses besonders vielversprechende Beispiel war eine Strahlungsquelle bei 589 nm für Laser-Guidestar-Anwendungen, die auf der SFG von zwei ”Standard”-Wellenlängen für Nd:YAG-Laser (1064 nm und 1319 nm) basierte [J. C. Bienfang et al., Advanced Solid-State Photonics 2003, Paper PD6]. Ähnliche Effizienzen können für andere Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich und für einen zusätzlichen Frequenzumwandlungsschritt angestrebt werden.Recently, a conversion efficiency (optically-optically) as high as nearly 60% has been achieved. This was achieved in a double-resonant SFG ring containing an NLO crystal and pumped by two injection-locked ring lasers. This particularly promising example was a 589 nm radiation source for laser guidestar applications based on the SFG of two "standard" wavelengths for Nd: YAG lasers (1064 nm and 1319 nm) [J. C. Bienfang et al., Advanced Solid State Photonics 2003, Paper PD6]. Similar efficiencies may be sought for other wavelengths in the visible spectral range and for an additional frequency conversion step.

OPOs haben das Potential, sogar noch vielseitiger als die oben diskutierten aufeinanderfolgenden Frequenzumwandlungsprozesse zu sein. Da jedoch ein weiterer Frequenzumwandlungsschritt notwendig ist (bereits zwei Schritte erforderlich, um den UV-Bereich zu erreichen, um den OPO zu ”pumpen”), würden die Effizienz und die Leistung deutlich weiter reduziert werden.OPOs have the potential to be even more versatile than the sequential frequency conversion processes discussed above. However, since another frequency conversion step is needed (already taking two steps to reach the UV range to "pump" the OPO), efficiency and performance would be significantly reduced.

Die Offenlegungsschrift US 2002/0126715 A1 schlägt vor, die fünfte Harmonische (5 HG) eines bei 1047 nm arbeitenden Nd:YLF-Lasers für die SFG mit einem Laser bei etwa 1305 nm zu benutzen, um einen Ausgangsstrahl bei etwa 180 nm zu erzeugen. Jedoch ist die Effizienz eines solchen komplexen aufeinanderfolgenden NLO-Prozesses zu gering für Anwendungen im kontinuierlichen Betrieb (Insgesamt zwei SFG-Schritte und zwei SHG-Schritte sind involviert, da die 5 HG auf der vorherigen Erzeugung der vierten Harmonischen beruht.).The publication US 2002/0126715 A1 Proposes to use the fifth harmonic (5 HG) of a 1047 nm Nd: YLF laser for the SFG with a laser at about 1305 nm to produce an output beam at about 180 nm. However, the efficiency of such a complex consecutive NLO process is too low for continuous operation applications (a total of two SFG steps and two SHG steps are involved since the 5 HG is based on the previous fourth harmonic generation.).

Die Erzeugung der vierten Harmonischen (4 HG) durch aufeinanderfolgende Frequenzverdopplung wird auch Vervierfachung genannt. Vervierfachte 1064-nm Strahlung bei 266 nm wird in diodengepumpten Festkörperlasern (DPSSL) genutzt, die zum Schreiben von FBG angewandt werden. Beispiele für Produkte sind der „Millennia UV” von Spectra Physics Lasers und der „AZURE” von Coherent, Inc. Jedoch sind diese Systeme Lasern bei 242 nm unterlegen, da die Leistungswerte oder Belichtungszeiten für die FBG-Produktion bei 266 nm um Größenordnungen höher als die am Absorptionsspitzenwert bei 242 nm sein müssen. Der Absorptionskoeffizient bei 242 nm ist mehr als 10 mal größer als der bei 266 nm. Es ist erwähnenswert, dass der externe resonante Verdopplungsschritt (SHG zu 4 HG) im Falle des „Millennia UV” für Multimodelaser erfolgt. Selbständige Einheiten zur Durchführung der externen resonanten Frequenzverdopplung bei Multimodelasern, die auf dem „DeltaTrain”-Konzept basieren, werden ebenfalls von Spectra Physics Lasers angeboten. Die Frequenzverdopplung von Einmodenlasern (longitudinalen Einmodenlaser – SLM-Laser – vom englischen „Single Longitudinal Mode Laser”) ist sogar noch besser etabliert.Generation of the fourth harmonic (4 HG) by successive frequency doubling is also called quadrupling. Four-fold 1064-nm radiation at 266 nm is used in diode-pumped solid-state lasers (DPSSL), which are used to write FBG. Examples of products are "Millennia UV" from Spectra Physics Lasers and "AZURE" from Coherent, Inc. However, these systems are inferior to lasers at 242 nm because the power levels or exposure times for FBG production at 266 nm are orders of magnitude higher than which must be at the absorption peak at 242 nm. The absorption coefficient at 242 nm is more than 10 times greater than that at 266 nm. It is worth noting that the external resonant doubling step (SHG to 4 HG) occurs in the case of the "Millennia UV" for multimode lasers. Independent units for performing the external resonant frequency doubling Multimode lasers based on the "DeltaTrain" concept are also offered by Spectra Physics Lasers. The frequency doubling of single-mode lasers (longitudinal single-mode laser - SLM laser - from the English "single longitudinal mode laser") is even better established.

In den vergangenen Jahren hat es einen deutlichen Fortschritt bei Lasern gegeben, die auf sogenannten Quasi-Drei-Niveau-Übergängen arbeiten. Beispiele sind die Übergänge bei 946 nm in Nd:YAG und bei 914 nm in Nd:YVO₄. Effektives Lasern auf diesen Quasi-Drei-Niveau-Übergängen ist beträchtlich schwieriger zu erzielen als auf dem starken Übergang jenseits von 1 μm. Laser auf diesen Quasi-Drei-Niveau-Übergängen haben jedoch beträchtliches Interesse und Forschungsbemühungen auf sich gezogen, da sie die Erzeugung von blauem Licht durch Frequenzverdopplung ermöglichen. Solch eine leuchtstarke kohärente blaue Lichtquelle ist für viele Anwendungen wie Display-Anwendungen, Unter-Wasser-Anwendungen und für Anwendungen in Life Sciences erforderlich.In recent years, there has been a significant advance in lasers operating on so-called quasi-three-level transitions. Examples are the transitions at 946 nm in Nd: YAG and at 914 nm in Nd: YVO ₄ . Effective lasing on these quasi-tri-level transitions is considerably more difficult to achieve than on the strong transition beyond 1 μm. Lasers on these quasi-tri-level transitions, however, have attracted considerable interest and research efforts since they allow the generation of blue light by frequency doubling. Such a bright, coherent blue light source is required for many applications, such as display applications, underwater applications, and life science applications.

In EP 0 943 167 B1 werden verschiedene Resonatoranordnungen für eine effiziente resonatorinterne Frequenzverdopplung von Laserstrahlung vorgestellt. Die Konzepte finden sowohl für Vier-Niveau-Übergänge als auch für Quasi-Drei-Niveau-Übergänge Anwendung, wobei der Schwerpunkt auf Quasi-Drei-Niveau-Übergängen und der dadurch ermöglichten Erzeugung von blauem Licht bei z. B. 457 nm durch die Verdopplung von 914 nm liegt.In EP 0 943 167 B1 various resonator arrangements for efficient intracavity frequency doubling of laser radiation are presented. The concepts apply to both four-level transitions and quasi-three-level transitions, with an emphasis on quasi-three-level transitions and the consequent generation of blue light at e.g. B. 457 nm by the doubling of 914 nm.

In der US 6304584 B1 wird die Erzeugung blauer Laserstrahlung durch die Ausnutzung von speziellen Übergängen in Yb-dotierten Materialien angesprochen. Die üblicherweise verwendeten Yb-dotierten Materialien und Übergänge generieren IR-Strahlung im Bereich von etwa 1000 nm und 1100 nm, die durch Frequenzverdopplung in Strahlung im grünen Spektralbereich umgewandelt werden kann. Die in der genannten Patentschrift diskutierten speziellen Übergänge in Yb-dotierten Materialien emittieren bei etwa 986 nm (+/–6 nm) mit resultierender Laserstrahlung im blauen Spektralbereich zwischen etwa 490 nm und 496 nm.In the US 6304584 B1 the generation of blue laser radiation is addressed by the use of special transitions in Yb-doped materials. The commonly used Yb-doped materials and junctions generate IR radiation in the range of about 1000 nm and 1100 nm, which can be converted by frequency doubling into radiation in the green spectral range. The specific transitions in Yb-doped materials discussed in the cited patent emit at about 986 nm (+/- 6 nm) with resulting laser radiation in the blue spectral range between about 490 nm and 496 nm.

Die US 2002/0126715 A1 schlägt die Anwendung der 4 HG eines bei 946 nm arbeitenden Nd:YAG-Lasers zum Schreiben von FBG vor. Ein Laser bei dieser Wellenlänge von 236,5 nm ist eine recht gute Lösung im Vergleich zu bei 266 nm arbeitenden DPSSL, da der Absorptionskoeffizient bei dieser Wellenlänge nahezu 10 mal größer ist. Aber ein bei 236,5 nm arbeitender Laser ist weiterhin einem beim Absorptionsspitzenwert für Ge-dotierte Quarzfasern bei 242 nm arbeitenden System klar unterlegen. Der erforderliche Leistungswert bei 236,5 nm (die Belichtungszeit) ist mehr als 10 mal größer als bei 242 nm, wenn das Schreiben im linearen Bereich der Photoempfindlichkeit bezüglich der Leistung (Belichtungszeit) betrachtet wird. Die US 2002/0126715 A1 schlägt einen gepulsten Laser vor und beschreibt bestimmte Ausführungsformen. Die Eignung der Wellenlänge von 236,5 nm für das Schreiben von FBG wurde klar so früh wie bereits 1999 durch W. A. Clarkson [W. A. Clarkson, ”Diode pumped lasers – Latest developments”. Vortrag auf ”Optik + Elektronik” (26 Oktober 1999, Kista, Schweden) – Projektorfolien] hervorgehoben.The US 2002/0126715 A1 suggests using the 4 HG of a 946 nm Nd: YAG laser to write FBG. A laser at this wavelength of 236.5 nm is a pretty good solution compared to working at 266 nm DPSSL, since the absorption coefficient at this wavelength is almost 10 times greater. But a laser operating at 236.5 nm is still clearly inferior to a system operating at the absorption peak for Ge-doped quartz fibers at 242 nm. The required power value at 236.5 nm (the exposure time) is more than 10 times greater than at 242 nm when writing in the linear range of photosensitivity is considered in terms of power (exposure time). The US 2002/0126715 A1 proposes a pulsed laser and describes certain embodiments. The suitability of the 236.5 nm wavelength for writing FBG became clear as early as 1999 by WA Clarkson [WA Clarkson, "Diode pumped lasers - Latest developments". Lecture on "Optics + Electronics" (26 October 1999, Kista, Sweden) - Projector slides] highlighted.

In der WO 02/103863 A1 wird die Summenfrequenzbildung der Strahlung von einem Vier-Niveau-Laser und von einem Quasi-Drei-Niveau-Laser zur Erzeugung kürzerer Wellenlängen beschrieben. Die resultierenden Wellenlängen bei z. B. 491 nm oder 488 nm ermöglichen in vielen Fällen den Einsatz dieser Laser als Ersatz für Gaslaser, z. B. Ar-Ionen-Laser. Wenn auch die Kombination von verschiedenen Materialien und Übergängen (jeweils ein Vier-Niveau und ein Quasi-Drei-Niveau-Übergang) eine gewisse Variation der resultierenden Wellenlänge im Sichtbaren zulässt, so ist eine Abstimmbarkeit nicht gegeben.In the WO 02/103863 A1 For example, sum-frequency generation of radiation from a four-level laser and from a quasi-three-level laser to produce shorter wavelengths is described. The resulting wavelengths at z. B. 491 nm or 488 nm allow in many cases the use of these lasers as a substitute for gas laser, z. B. Ar ion laser. Although the combination of different materials and transitions (each a four-level and a quasi-three-level transition) allows some variation of the resulting wavelength in the visible, there is no tunability.

Die sogenannten „vibronischen” Laser sind spezielle Festkörperlaser, die sich durch Durchstimmbarkeit auszeichnen. Ein prominentes Beispiel ist der Ti:Saphir-Laser, welcher zwischen etwa 670 nm und 1070 nm durchstimmbar sind, wobei das Maximum der Verstärkungskurve bei etwa 800 nm liegt. Aus der Literatur ist die Verwendung eines solchen abstimmbaren Ti:Saphir-Lasers in Kombination mit einem frequenzverdoppelten Nd-dotierten Laser für die Erzeugung von UV-Licht durch Summenfrequenzbildung bekannt (H. Schnitzler et al., Appl. Opt. 41 (2002) 7000–7005).The so-called "vibronic" lasers are special solid-state lasers, which are characterized by tunability. A prominent example is the Ti: sapphire laser, which is tunable between about 670 nm and 1070 nm, with the maximum of the gain curve being about 800 nm. From the literature, the use of such a tunable Ti: sapphire laser in combination with a frequency-doubled Nd-doped laser for the generation of UV light by summation frequency formation is known (H. Schnitzler et al., Appl. Opt. 41 (2002) 7000 -7005).

Keiner dieser bekannten Laser kann effizient einen Ausgangsstrahl mit einer hohen Strahlqualität bei einer Wellenlänge dicht bei 242 nm bereitstellen, der geeignet für eine FBG-Produktion und andere Anwendungen wäre.None of these known lasers can efficiently provide an output beam with a high beam quality at a wavelength close to 242 nm which would be suitable for FBG production and other applications.

Die Aufgabe besteht darin, Verfahren zur Erzeugung von kohärentem UV-Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge, z. B. bei etwa 242 nm zum Schreiben von Faser-Bragg-Gittern, durch Summenfrequenzbildung oder Frequenzverdopplung von Laserstrahlen vorzuschlagen, wobei die Grundwellenlaser-Strahlen von herkömmlichen IR-Lasern erzeugt werden. Es werden Vorrichtungen angegeben, mit denen die erfindungsgemäßen Verfahren realisierbar sind.The object is to provide a method for generating coherent UV light having a predetermined wavelength, z. At about 242 nm for writing fiber Bragg gratings, by summing frequency generation or frequency doubling laser beams, the fundamental laser beams of conventional IR lasers are generated. Devices are provided with which the inventive method can be realized.

Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren und Vorrichtungen zur effizienten Erzeugung von kohärentem ultraviolettem Licht zur Verfügung. Das UV Licht wird durch Summenfrequenzbildung von Wellenlängen, die durch Erzeugung der zweiten Harmonischen entstanden sind (SHG + SFG), oder durch die Verdopplung von Wellenlängen, die von vorheriger Summenfrequenzbildung herstammen (SFG + SHG), erzeugt.The present invention provides methods and apparatus for efficiently generating coherent ultraviolet light. The UV light is generated by summing up frequency of wavelengths created by second harmonic generation (SHG + SFG) or by doubling wavelengths originating from previous sum frequency generation (SFG + SHG).

Die Nutzung der Vielzahl von existierenden Laserwellenlängen in üblichen Lasermaterialien erzeugt zahlreiche diskrete Wellenlängen im UV. Das Resultat ist im Prinzip ein „quasi-durchstimmbarer” Laser, nur durch praktische Gesichtspunkte eingeschränkt. Um einen wirklich durchstimmbaren Laser zu ermöglichen, ist zumindest einer der für die SFG genutzten Laser ein einfacher durchstimmbarer Laser wie ein Yb:YAG-Laser (oder frequenzverdoppelter Yb:YAG-Laser), d. h., zumindest einer der IR-Laser ist ein einfacher durchstimmbarer Laser. „Einfach” bedeutet direkt diodengepumpt im Gegensatz zu z. B. Ti:Saphir-Lasern, die Ionen-Laser oder frequenzverdoppelte DPSSL als Pumpquelle erfordern.The use of the variety of existing laser wavelengths in common laser materials produces numerous discrete wavelengths in the UV. The result is in principle a "quasi-tunable" laser, limited only by practical considerations. To enable a truly tunable laser, at least one of the lasers used for the SFG is a simple tunable laser such as a Yb: YAG (or Yb: YAG frequency doubled) laser, i. That is, at least one of the IR lasers is a simple tunable laser. "Simple" means directly diode pumped in contrast to z. For example, Ti: sapphire lasers that require ion lasers or frequency-doubled DPSSL as the pump source.

Die Erfindung betrifft kontinuierliche Laser, gepulste (gütegeschaltete) Laser und modensynchronisierte Laser. Für einige Anwendungen wie das Schreiben von FBG ist ein cw-Laser, für andere wie das Bohren von Löchern ein gepulster Laser mit hoher Spitzenleistung vorteilhaft. In anderen Fällen ist ein modensynchronisierter Laser die beste Alternative. Modensynchronisierte ermöglichen kurze Impulse und hohe Umwandlungseffizienzen bei den einbezogenen NLO-Prozessen mit gleichzeitig reduziertem Beschädigungsrisiko aufgrund der geringeren Impulsenergie im Vergleich zu gepulsten Laser.The invention relates to continuous lasers, pulsed (Q-switched) lasers and mode-locked lasers. For some applications, such as writing FBG, a cw laser is advantageous, while for others, such as drilling holes, a high-power pulsed laser is advantageous. In other cases, a mode-locked laser is the best alternative. Mode-locked devices enable short pulses and high conversion efficiencies in the involved NLO processes, while reducing the risk of damage due to lower pulse energy compared to pulsed lasers.

Ein spezifischer „Teil” der Erfindung stellt ein All-Festkörper-UV-Laser-System, das bei 242 nm arbeitet, zur Verfügung. Ein solches Lasersystem, bevorzugt ein kontinuierliches, ist einfach die beste Wahl für ein Lasersystem für das Schreiben von Faser-Bragg-Gittern, insbesondere in Ge-dotierten Quarzglasfasern.A specific "part" of the invention provides an all-solid UV laser system operating at 242 nm. Such a laser system, preferably a continuous one, is simply the best choice for a laser system for writing fiber Bragg gratings, especially in Ge doped silica glass fibers.

1 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit der Absorption in Ge-dotierten Quarzglasfasern. 1 shows the wavelength dependence of the absorption in Ge-doped silica glass fibers.

2 zeigt die möglichen Kombinationen von Wellenlängen, um 242 nm und 484 nm durch Summenfrequenzbildung zu erreichen. Die Erzeugung von kohärentem Licht bei 484 nm resultiert in 242-nm-Licht nach Frequenzverdopplung. Viele der Vielzahl der „interessanten” Wellenlängen werden durch Gaslaser wie z. B. Ar-Ionen-Laser abgedeckt oder könnten durch (frequenzverdoppelte) Ti:Saphir-Laser erreicht werden. Jedoch war eine der Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung das Vermeiden der ernergieverbrauchenden Ionen-Laserssysteme oder der komplexen Ti:Saphir-Laser, die Ionen-Laser oder frequenzverdoppelte DPSSL als Pumpquelle benötigen. Diese Laser sind einfach zu komplex für die angestrebte kompakte Lösung für praktische Anwendungen. 2 shows the possible combinations of wavelengths to achieve 242 nm and 484 nm by sum frequency generation. The generation of coherent light at 484 nm results in 242 nm light after frequency doubling. Many of the variety of "interesting" wavelengths by gas lasers such. B. Ar-ion laser covered or could be achieved by (frequency doubled) Ti: sapphire laser. However, one of the objects of the present invention has been to avoid the energy consuming ion laser systems or the complex Ti: sapphire lasers that require ion lasers or frequency doubled DPSSL as a pump source. These lasers are simply too complex for the desired compact solution for practical applications.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung umfaßt zwei frequenzverdoppelte Festkörperlaser. die bei etwa 457 nm und bei 514,5 nm emittieren, und einen optisch nichtlinearen Kristall für die Summenfrequenzbildung zu einem ultraviolettem Ausgangsstrahl, der eine Wellenlänge von etwa 242 nm hat.A preferred embodiment of the invention comprises two frequency doubled solid state lasers. which emit at about 457 nm and at 514.5 nm, and an optically nonlinear crystal for sum frequency generation into an ultraviolet output beam having a wavelength of about 242 nm.

In einer anderen Ausführung werden die Grundwellen der obigen Laser bei etwa 914 nm und 1029 nm erst in einer Summenfrequenzanordnung gemischt, was in Laserbetrieb im blauen Spektralbereich bei etwa 484 nm resultiert, bevor die endgültige Erzeugung der zweiten Harmonischen erfolgt.In another embodiment, the fundamental waves of the above lasers at about 914 nm and 1029 nm are first mixed in a sum frequency arrangement, resulting in laser operation in the blue spectral range at about 484 nm, before the final second harmonic generation occurs.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die „Basis”-IR-Laser (Grundwellenlaser) ein bei 914 nm arbeitender Nd:YVO₄-Laser (SHG bei 457 nm) und ein Yb:YAG-Laser, der bei 1029 nm arbeitet. Die Wellenlänge von 914 nm ist die ”natürliche” Wellenlänge eines Grundzustands-Nd:YVO₄-Lasers. Die 1029-nm-Wellenlänge kann durch Durchstimmen des Yb:YAG-Lasers, z. B. durch Einfügen eines Doppelbrechungsfilters, erreicht werden.In a preferred embodiment, the "base" IR (fundamental) lasers are an Nd: YVO ₄ laser (SHG at 457 nm) operating at 914 nm and a Yb: YAG laser operating at 1029 nm. The wavelength of 914 nm is the "natural" wavelength of a ground state Nd: YVO ₄ laser. The 1029 nm wavelength can be tuned by tuning the Yb: YAG laser, e.g. B. by inserting a birefringence filter can be achieved.

Die SHG-Wellenlängen in der blauen und grünen Spektralregion werden aus Effizienzgründen bevorzugt resonatorintern oder extern resonant erzeugt.For reasons of efficiency, the SHG wavelengths in the blue and green spectral regions are preferably generated resonator-internally or externally resonantly.

Die Grundwellenlaser sind vorzugsweise Scheibenlaser. Das Scheibenlaserkonzept ist im Vergleich zu endgepumpten DPSSL aufgrund der signifikant reduzierten thermischen Probleme überlegen [A. Giesen et al., Appl. Phys. B58 (1994) 365–372]. Der Hauptnachteil von Faserlasern in diesem Kontext ist, daß sie keine effiziente resonatorinterne SHG oder resonante externe SHG zulassen.The fundamental lasers are preferably disk lasers. The disk laser concept is superior to end-pumped DPSSL due to significantly reduced thermal problems [A. Giesen et al., Appl. Phys. B58 (1994) 365-372]. The major disadvantage of fiber lasers in this context is that they do not allow efficient intracavity SHG or resonant external SHG.

Mit realistischen Effizienzen für die SFG ist es kein Problem, einen Leistungsbereich von etwa 100 mW bei 242 nm zu erreichen, was ausreichend für das Schreiben von FBG im industriellen Maßstab ist. Die erforderlichen Leistungswerte im Blauen und grünen sind deutlich geringer als die bereits erzielten Leistungswerte. Werte in jüngsten Datenblättern für Scheibenlaser sind 800 mW im Blauen bei 457 nm (Nd:YVO₄) [Jen Las. D2-APUS – JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH, 2003] und > 10 W im Grünen bei etwa 514 nm (Yb:YAG) [VersaDisk-515 – Datenblatt, ELS Elektronik Laser System GmbH, 2003]. Die Leistungen, die im longitudinalen Einmodenbetrieb erzielt wurden, sind etwa 500 mW im Blauen bei 457 nm (Nd:YVO₄) [Persönliche Mitteilung auf der LASER 2003, München] und > 10 W im Grünen bei etwa 514 nm (Yb:YAG)[VersaDisk-515 – Datenblatt, ELS Elektronik Laser System GmbH, 2003]. Durch Anwendung von doppelt resonanter Summenfrequenzerzeugung ist eine Leistung von etwa 500 mW bei 242 nm erzielbar, nur durch die verfügbare Leistung im Blauen beschränkt. With realistic efficiencies for the SFG, it is no problem to achieve a power range of about 100 mW at 242 nm, which is sufficient for writing FBG on an industrial scale. The required performance values in blue and green are significantly lower than the already achieved performance values. Values in recent data sheets for disk lasers are 800 mW in the blue at 457 nm (Nd: YVO ₄ ) [Jen Las. D2-APUS - JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH, 2003] and> 10 W in the green at about 514 nm (Yb: YAG) [VersaDisk-515 - data sheet, ELS Elektronik Laser System GmbH, 2003]. The achievements achieved in longitudinal single-mode operation are about 500 mW in the blue at 457 nm (Nd: YVO ₄ ) [Personal communication at the LASER 2003, Munich] and> 10 W in the green at about 514 nm (Yb: YAG) [VersaDisk-515 - Datasheet, ELS Elektronik Laser System GmbH, 2003]. By applying double resonant sum frequency generation, a power of about 500 mW at 242 nm is achievable, limited only by the available power in the blue.

Eine andere Vorrichtung, die auf eine Wellenlänge von etwa 242 nm für das Schreiben von FBG abzielt, nutzt Summenfrequenzbildung von frequenzverdoppelten Festkörperlasern, die bei 523,5 nm und 451,5 nm arbeiten, um einen Ausgang von 242,4 nm zu erzielen. Die betreffenden „Basis”-IR-Laser sind ein Nd:YLF-Laser, der bei 1047 nm arbeitet, und ein bei 903 nm arbeitender Nd:YLF-Laser.Another device, aiming at a wavelength of about 242 nm for writing FBG, uses sum frequency generation of frequency doubled solid state lasers operating at 523.5 nm and 451.5 nm to achieve an output of 242.4 nm. The subject "base" IR lasers are an Nd: YLF laser operating at 1047 nm and a Nd: YLF laser operating at 903 nm.

In einer anderen Ausführung werden die Grundwellen obiger Laser bei etwa 1047 nm und 903 nm erst in einer Summenfrequenzanordnung gemischt, was in Laserbetrieb im blauen Spektralbereich bei etwa 484,8 nm resultiert, bevor die endgültige Bildung der zweiten Harmonischen erfolgt.In another embodiment, the fundamental waves of the above lasers at about 1047 nm and 903 nm are first mixed in a sum frequency arrangement, resulting in laser operation in the blue spectral region at about 484.8 nm before the final formation of the second harmonic occurs.

Andere Ausführungsbeispiele verwenden einen bei 908 nm arbeitenden Nd:YLF-Laser und einen mittels Doppelbrechungsfilters durchgestimmten Yb:YAG-Laser, der bei 1036 nm arbeitet. Durch Summenfrequenzbildung der Wellenlängen der zweiten Harmonischen (bei 454 nm und 518 nm) oder durch Verdopplung der 484 nm, die aus der vorhergehenden Summenfrequenzbildung resultiert, wird kohärentes UV-Licht bei etwa 242,2 nm erhalten.Other embodiments use a Nd: YLF laser operating at 908 nm and a birefringent tuned Yb: YAG laser operating at 1036 nm. By summing the second harmonic wavelengths (at 454 nm and 518 nm) or doubling the 484 nm resulting from the previous sum frequency generation, coherent UV light at about 242.2 nm is obtained.

Die letztere Ausführung ist nur ein Beispiel für Ausführungen, die auf einem Nd-dotierten Laser, der auf Quasi-Drei-Niveau-Übergängen im Bereich zwischen etwa 903 nm und etwa 915 nm arbeitet, und einem Yb:YAG-Laser, der auf eine passende Wellenlänge abgestimmt ist, beruhen. Der notwendige Durchstimmbereich zwischen etwa 1043 nm und 1027 nm, um 242 nm zu erhalten, ist gut abgedeckt durch diesen Lasertyp. Die spezifische feste Wellenlänge des Nd-dotierten Lasers wird durch das Wirtsmaterial bestimmt. Für die früher erwähnten Materialien sind diese Wellenlängen etwa 914 nm (π-Polarisation) und 915 nm (σ-Polarisation) in Nd:YVO₄ und 903 nm(π) und 908 nm (σ) in Nd:YLF. Übergänge mit ähnlichen Wellenlängen existieren in anderen Wirtsmaterialien. Beispiele sind Nd:GdVO₄ mit Übergängen bei etwa 912 nm (π, σ) und Nd:LiLu₄, das bei etwa 905 nm (π) und etwa 910 nm (σ) arbeitet.The latter embodiment is only one example of embodiments operating on an Nd-doped laser operating on quasi-tri-level transitions ranging between about 903 nm and about 915 nm and a Yb: YAG laser operating on a matching wavelength is based. The necessary tuning range between about 1043 nm and 1027 nm to obtain 242 nm is well covered by this type of laser. The specific fixed wavelength of the Nd-doped laser is determined by the host material. For the materials mentioned earlier, these wavelengths are about 914 nm (π polarization) and 915 nm (σ polarization) in Nd: YVO ₄ and 903 nm (π) and 908 nm (σ) in Nd: YLF. Transitions with similar wavelengths exist in other host materials. Examples are Nd: GdVO ₄ with transitions at about 912 nm (π, σ) and Nd: LiLu ₄ operating at about 905 nm (π) and about 910 nm (σ).

Die Wellenlängen der Vier-Niveau-Übergange in den genannten aktiven Materialien betragen in Nd:YLF 1047 nm (π) und 1054 nm (σ), in Nd:LiLu₄ 1047 nm (π) und 1053 nm (σ), 1063 nm in Nd:GdVO₄ – und 1064 nm in Nd:YAG und in Nd:YVO₄. Berücksichtigt man noch andere Materialien wie z. B. Nd:YAlO₃, mit einem Vier-Niveau Übergang bei 1080 nm, so kann man unter Ausnutzung der bekannten Wellenlängen in diesen Materialien zwischen 903 nm und 1080 nm in aufeinanderfolgenden Frequenzumwandlungs-Anordnungen zahlreiche diskrete Wellenlängen zwischen etwa 226 nm und 270 nm in erzielen. Da hier ausschließlich die „natürlichen” Wellenlängen der Quasi-Drei-Niveau-Übergänge bzw. Vier-Niveau-Übergänge ausgenutzt werden, sind keine Elemente zum Durchstimmen erforderlich.The wavelengths of the four-level transitions in the active materials mentioned are in Nd: YLF 1047 nm (π) and 1054 nm (σ), in Nd: LiLu ₄ 1047 nm (π) and 1053 nm (σ), 1063 nm in Nd: GdVO ₄ and 1064 nm in Nd: YAG and in Nd: YVO ₄ . If you consider other materials such. B. Nd: YAlO ₃ , with a four-level transition at 1080 nm, so using the known wavelengths in these materials between 903 nm and 1080 nm in successive frequency conversion arrangements numerous discrete wavelengths between about 226 nm and 270 nm in achieve. Since only the "natural" wavelengths of the quasi-three-level transitions or four-level transitions are used here, no elements for tuning are required.

Von besonderem Interesse sind Kombinationen, bei denen die Lasermaterialien mit einer gemeinsamen Pumpwellenlänge angeregt werden können. Beispiele hierfür unter den bereits genannten Laserkristallen sind Nd:YAG, Nd:GdVO₄ und Nd:YVO₄, deren Anregung bei etwa 808 nm erfolgt. Dies bietet die Möglichkeit, anstelle von zwei separaten Pumplichtquellen eine einzige Pumpquelle zu nutzen, und so die Kosten und Komplexität weiter zu verringern.Of particular interest are combinations in which the laser materials can be excited at a common pump wavelength. Examples of the laser crystals already mentioned are Nd: YAG, Nd: GdVO ₄ and Nd: YVO ₄ , whose excitation occurs at about 808 nm. This offers the possibility of using a single pump source instead of two separate pump light sources, further reducing costs and complexity.

Unter Nutzung der Lasermaterialien Nd:GdVO₄, Nd:YVO₄ und Nd:YAG läßt sich in aufeinanderfolgenden Frequenzumwandlungsschritten auf der Basis jeweils eines Quasi-Drei-Niveau-Lasers (im Wellenlängenbereich von etwa 912 nm bis etwa 915 nm) und eines Vier-Niveau-Lasers (mit einer Wellenlänge von etwa 1063 nm oder 1064 nm) kohärentes UV-Licht mit einer Wellenlänge von etwa 245 nm bis etwa 246 nm erzeugen, die sehr dicht am Optimum zum Schreiben von FBG liegt. Die für die Kombination gewählten Lasermaterialien müssen nicht notwendigerweise gleich sein.Using the laser materials Nd: GdVO ₄ , Nd: YVO ₄ and Nd: YAG, successive frequency conversion steps can be performed on the basis of one quasi-three-level laser (in the wavelength range from about 912 nm to about 915 nm) and a four-phase laser. Level lasers (having a wavelength of about 1063 nm or 1064 nm) produce coherent ultraviolet light having a wavelength of about 245 nm to about 246 nm, which is very close to the optimum for writing FBG. The laser materials chosen for the combination need not necessarily be the same.

Eine besonders vielversprechende Variante ist die Verwendung eines Grundzustands-Nd:YVO₄-Lasers (Quasi-Drei-Niveau) und eines gewöhnlichen Vier-Niveau-Nd:YVO₄-Lasers. Die Wellenlängen von etwa 914 nm und 1064 nm resultieren nach aufeinanderfolgenden Frequenzumwandlungsschritten in einer Wellenlänge von etwa 246 nm. Mit nur einem Lasermaterial und nur einer Pumpwellenlänge (einer Pumplichtquelle) läßt sich so kohärentes UV-Licht mit einer Wellenlänge, die sehr dicht am Optimum zum Schreiben von FBG liegt, erzeugen. Als Grundwellenlaser sind vorzugsweise Scheibenlaser einsetzbar; vor allem für den 914-nm-Laser. A particularly promising variant is the use of a ground state Nd: YVO ₄ laser (quasi-three level) and a standard four-level Nd: YVO ₄ laser. The wavelengths of about 914 nm and 1064 nm result after successive frequency conversion steps in a wavelength of about 246 nm. With only one laser material and only one pump wavelength (a pump light source) can thus be coherent UV light with a wavelength that is very close to the optimum Writing FBG is, generate. As a fundamental wave laser disk lasers are preferably used; especially for the 914 nm laser.

Bei Wahl von Nd:GdVO₄ als Lasermaterial resultieren die entsprechenden Wellenlängen von etwa 912 nm (Quasi-Drei-Niveau) und 1063 nm (Vier-Niveau) in einer für das Schreiben von FBG noch etwas günstigeren Wellenlänge von etwa 245 nm.Selecting Nd: GdVO ₄ as the lasant material results in the corresponding wavelengths of about 912 nm (quasi-three level) and 1063 nm (four levels) in a somewhat more favorable wavelength of about 245 nm for writing FBG.

Die Anwendung eines durchstimmbaren Yb:YAG-Lasers in Kombination mit einem üblichen Nd-dotierten Laser für aufeinanderfolgende Frequenzumwandlung (SHG + SFG) oder (SFG + SHG) ermöglicht UV-Licht-Erzeugung in einem weiten Wellenlängenbereich. Im Kontext einer UV-Quelle zum Schreiben von FBG sind Nd-dotierte Laser, die auf Quasi-Drei-Niveau-Übergängen zwischen etwa 903 nm und 915 nm arbeiten, von besonderem Interesse. Zum Beispiel ergibt das Anwenden von (SHG + SFG) oder (SFG + SHG) auf einen bei 914 nm arbeitenden Nd:YVO₄-Laser und einen bei 1047 nm emittierenden Yb:YAG-Laser in 244-nm-Strahlung. Da diese Wellenlänge gegenwärtig die bevorzugte Arbeitswellenlänge zum Schreiben von FBG ist, ist ein All-Festkörperlaser-System bei dieser Wellenlänge sehr attraktiv.The use of a tunable Yb: YAG laser in combination with a conventional Nd-doped sequential frequency conversion laser (SHG + SFG) or (SFG + SHG) enables UV light generation over a wide wavelength range. In the context of a UV source for writing FBG, Nd-doped lasers operating on quasi-tri-level transitions between about 903 nm and 915 nm are of particular interest. For example, applying (SHG + SFG) or (SFG + SHG) to an Nd: YVO ₄ laser operating at 914 nm and a Yb: YAG laser emitting at 1047 nm results in 244 nm radiation. Since this wavelength is currently the preferred operating wavelength for writing FBG, an all-solid state laser system is very attractive at this wavelength.

Durchstimmbare Yb-dotierte Laser sind nicht auf Yb:YAG-Laser beschränkt. Jüngst wurde ein gewaltiger Fortschritt bezüglich anderer Wirtsmaterialien erzielt, die bei Yb-Dotierung ein breites Emissionsband aufweisen (meistens für die Erzeugung ultrakurzer Impulse genutzt). Diese Materialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Yb:KYW und Yb:CS-FAP.Tunable Yb-doped lasers are not limited to Yb: YAG lasers. Recently, tremendous progress has been achieved with respect to other host materials that have a broad emission band at Yb doping (mostly used to generate ultrashort pulses). These materials include, but are not limited to, Yb: KYW and Yb: CS-FAP.

Es gibt weitere durchstimmbare Laser, insbesondere sogenannte „vibronische” Laser. Die stimulierte Emission von Photonen ist innig mit der Emission von Phononen in einem Kristallgitter verkoppelt. Obwohl die Gesamtenergie des Laserübergangs festgelegt ist, kann die Energie zwischen Photonen und Phononen in einer kontinuierlichen Art und Weise aufgeteilt werden, wobei Durchstimmbarkeit erzielt wird. Prominente Beispiele sind Alexandrit-Laser mit einer Wellenlänge zwischen etwa 700 nm und 820 nm, Cr:LiSAF-Laser mit einem typischen Durchstimmbereich zwischen etwa 780 nm und 950 nm und Ti:Saphir-Laser, welche zwischen etwa 670 nm und 1070 nm durchstimmbar sind, wobei das Maximum der Verstärkungskurve bei etwa 800 nm liegt. Die Verwendung eines solchen abstimmbaren Lasers in Kombination mit einem üblichen Nd-dotierten Laser für aufeinanderfolgende Frequenzumwandlung (SHG + SFG) oder (SFG + SHG) ermöglicht die Erzeugung von UV-Licht in einem extrem breiten Wellenlängenbereich.There are other tunable lasers, in particular so-called "vibronic" lasers. The stimulated emission of photons is intimately coupled with the emission of phonons in a crystal lattice. Although the total energy of the laser junction is fixed, the energy between photons and phonons can be split in a continuous fashion, achieving tunability. Prominent examples are alexandrite lasers with a wavelength between about 700 nm and 820 nm, Cr: LiSAF lasers with a typical tuning range between about 780 nm and 950 nm, and Ti: sapphire lasers tunable between about 670 nm and 1070 nm , wherein the maximum of the gain curve is about 800 nm. The use of such a tunable laser in combination with a conventional Nd-doped successive frequency conversion laser (SHG + SFG) or (SFG + SHG) enables generation of ultraviolet light in an extremely broad wavelength range.

Für die nichtlinearen optischen Prozesse ist es erforderlich, daß die Phasen der wechselwirkenden Wellen angepaßt sind. Periodisch gepolte Kristalle haben anders als konventionelle Kristalle den unikalen Vorteil, daß sie so gestaltet werden können, daß sie für jede nichtlinear-optische Wechselwirkung im Transparenzbereich phasenangepaßt sind. Darüber hinaus weisen sie große nichtlineare Koeffizienten auf, was verbesserte Effizienz ermöglicht. Sie können für alle oben diskutierten nichtlinearen Prozesse ausgenutzt werden; sie sind aber von besonderem Vorteil für den zweiten (letzten) Schritt, d. h. SFG von SHG-Wellenlängen für (SHG + SFG) oder Verdopplung einer Wellenlänge, die aus vorheriger Summenfrequenzbildung resultiert (SFG + SHG).For the non-linear optical processes it is necessary that the phases of the interacting waves are matched. Periodically poled crystals unlike conventional crystals have the unique advantage that they can be made to phase match for any non-linear optical interaction in the transparency region. In addition, they have large nonlinear coefficients, allowing for improved efficiency. They can be exploited for all nonlinear processes discussed above; but they are of particular advantage for the second (last) step, d. H. SFG of SHG wavelengths for (SHG + SFG) or doubling of a wavelength resulting from previous sum frequency formation (SFG + SHG).

Die SHG von infraroten Wellenlängen im Fall von (SHG + SFG) ist keine besondere Herausforderung. Die SHG-Wellenlängen werden aus Gründen der Effizienz bevorzugt resonatorintern bzw. extern resonant erzeugt. Abgesehen von periodisch gepolten (quasi-phasenangepaßten) Kristallen wie periodisch gepoltem KTP (PPKTP) oder periodisch gepoltem LiNbO₃ (PPLN) gibt es verschiedene Volumen-Kristalle, die für diese Anwendung der Erzeugung von sichtbarem Licht hoher Leistung erprobt sind. Beispiele sind KTP (für die Erzeugung von grünem Licht), LiNbO₃, LBO, BBO und BiBO. Diese Volumenkristalle und periodisch gepolten Kristalle sind ebenfalls für die Erzeugung von sichtbarem Licht durch Summenfrequenzbildung aus zwei IR-Wellenlängen geeignet.The SHG of infrared wavelengths in the case of (SHG + SFG) is not a particular challenge. For reasons of efficiency, the SHG wavelengths are preferably generated resonator-internally or externally resonantly. Apart from periodically poled (quasi-phase matched) crystals such as periodically poled KTP (PPKTP) or periodically poled LiNbO ₃ (PPLN), there are several bulk crystals that have been tested for this application of high power visible light generation. Examples are KTP (for green light generation), LiNbO ₃ , LBO, BBO and BiBO. These volume crystals and periodically poled crystals are also suitable for the generation of visible light by summation frequency generation from two IR wavelengths.

Summenfrequenzbildung von Wellenlängen der zweiten Harmonischen (SHG + SFG) oder die Verdopplung einer Wellenlänge, die aus vorhergehender Summenfrequenzbildung resultiert (SFG + SHG), bewerkstelligt die endgültige Erzeugung von UV-Licht. Dieser zweite Schritt ist eine anspruchsvolle Aufgabe, besonders in Hinblick auf Leistung und Effizienz. Die prominenten periodisch gepolten (quasi-phasenangepaßten) Kristalle PPKTP und PPLN sind nicht anwendbar, da ihre Transparenz unterhalb von etwa 0,35 μm (PPKTP) oder 0,4 μm (PPLN) nur unzureichend ist.Sum frequency generation of second harmonic wavelengths (SHG + SFG) or doubling of a wavelength resulting from previous sum frequency generation (SFG + SHG) accomplishes the final generation of UV light. This second step is a challenging task, especially in terms of performance and efficiency. The prominent periodically poled (quasi- phase-matched) crystals PPKTP and PPLN are not applicable, since their transparency below about 0.35 μm (PPKTP) or 0.4 μm (PPLN) is only insufficient.

Geeignete NLO-Kristalle sind LBO, BBO, BiBO und CLBO. Sie werden bevorzugt in einer für Temperaturabstimmung oder nichtkritische Phasenanpassung (NCPM) geeigneten Weise geschnitten und angeordnet, um hohe Konversionseffizienz zu erzielen.Suitable NLO crystals are LBO, BBO, BiBO and CLBO. They are preferably cut and arranged in a manner suitable for temperature tuning or non-critical phase matching (NCPM) to achieve high conversion efficiency.

Wir müssen zwischen den geeigneten Resonatoren für die unterschiedlichen Betriebsregime gepulst (gütegeschaltet), modensynchronisiert und kontinuierlich unterscheiden. Für die letztgenannten ist der Spezialfall des Einmodenbetriebs, d. h. Betrieb auf einer einzigen longitudinalen Mode, von besonderer Bedeutung. Die verschiedenen Schemata für den SFG-Schritt wie z. B. externe nicht-resonante SFG, einfach resonante SFG, doppelt resonante resonatorinterne SFG und doppelt resonante externe SFG sind vom Stand der Technik bekannt. Jedoch ist die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch SFG von SHG-Wellenlängen (SHG + SFG) oder die Verdopplung von aus SFG resultierenden Wellenlängen (SFG + SHG) auf den spezifisch beschriebenen Wegen neu.We need to be pulsed (Q-switched), mode-locked, and continuously differentiated between the appropriate resonators for the different operating regimes. For the latter, the special case of single mode operation, i. H. Operation in a single longitudinal mode, of particular importance. The different schemes for the SFG step, such as External non-resonant SFG, singly resonant SFG, intracavity intracavity SFG and double resonant external SFG are well known in the art. However, the generation of coherent UV light by SFG of SHG wavelengths (SHG + SFG) or the doubling of SFG-resultant wavelengths (SFG + SHG) is novel in the ways specifically described.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren:The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments. The figures show:

1 Darstellung der Wellenlängenabhängigkeit der Absorption in Ge-dotierten Quarzglasfasern und die Absorption für ausgewählte Wellenlängen, die gegenwärtig zum Schreiben von FBG genutzt werden 1 Representation of the wavelength dependence of the absorption in Ge-doped silica fibers and the absorption for selected wavelengths currently used for writing FBG

2 zeigt die möglichen Kombinationen von Wellenlängen, um 242 nm und 484 nm durch Summenfrequenzbildung zu erreichen 2 shows the possible combinations of wavelengths to achieve 242 nm and 484 nm by sum frequency generation

3 zeigt die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch externe nicht-resonante SFG von SHG-Wellenlängen (SHG + SFG) 3 shows the generation of coherent UV light by external non-resonant SFG of SHG wavelengths (SHG + SFG)

4 zeigt die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch Verdopplung von Wellenlängen, die aus externer nicht-resonanter SFG resultieren (SFG + SHG) 4 shows the generation of coherent UV light by doubling wavelengths resulting from external non-resonant SFG (SFG + SHG)

5 zeigt die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch die Verdopplung einer Wellenlänge, die aus SR resonatorinterner SFG resultiert (SFG + SHG) 5 shows the generation of coherent UV light by doubling a wavelength resulting from SR resonator-internal SFG (SFG + SHG)

6 zeigt die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch Verdopplung einer Wellenlänge, die aus SR resonatorinterner SFG resultiert (SFG + SHG), wobei als Besonderheit ein gemeinsamer Spiegel für die beiden zu mischenden Laser auf dem NLK angeordnet ist, um eine gute Modenüberlagerung in dem NLK zu erreichen 6 shows the generation of coherent UV light by doubling a wavelength resulting from SR intracavity SFG (SFG + SHG), as a special feature a common mirror for the two lasers to be mixed is placed on the NLK to ensure good mode superposition in the NLK to reach

7 zeigt die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch die Verdopplung einer Wellenlänge, die aus doppelt resonanter (DR) resonatorinterner SFG resultiert (SFG + SHG) 7 shows the generation of coherent UV light by doubling a wavelength resulting from double resonant (DR) intracavity SFG (SFG + SHG)

8 zeigt die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch doppelt resonante (DR) SFG aus SHG-Wellenlängen (SHG + SFG) in einem externen Resonator 8th shows the generation of coherent UV light by double resonant (DR) SFG from SHG wavelengths (SHG + SFG) in an external cavity

9 zeigt die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch externe resonante Verdopplung einer Wellenlänge, die aus doppelt resonanter (DR) SFG in einem externen Resonator resultiert (SFG + SHG).

• • Resonatoren für gütegeschaltete und modensynchronisierte Laser mit ihren hohen Spitzenintensitäten ermöglichen hinreichend effiziente externe nicht-resonante Frequenzumwandlungs-Schemata.

9 shows the generation of coherent UV light by external resonant doubling of a wavelength resulting from double resonant (DR) SFG in an external cavity (SFG + SHG).

• • Resonators for Q-switched and mode-locked lasers with their high peak intensities allow sufficiently efficient external non-resonant frequency conversion schemes.

3 illustriert die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch externe nicht-resonante SFG von SHG-Wellenlängen (SHG + SFG). Die Abbildung zeigt eine Situation, in welcher die SHG ebenfalls extern nicht-resonant erfolgt. Jedoch ist auch resonatorinterne SHG im Sinne der Erfindung. 3 illustrates the generation of coherent UV light by external non-resonant SFG of SHG wavelengths (SHG + SFG). The figure shows a situation in which the SHG is also externally non-resonant. However, intracavity SHG is also within the meaning of the invention.

4 illustriert die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch Verdopplung von Wellenlängen, die aus externer nicht-resonanter SFG resultieren (SFG + SHG). 4 illustrates the generation of coherent UV light by doubling wavelengths resulting from external non-resonant SFG (SFG + SHG).

Diese externen nicht-resonanten Frequenzumwandlungs-Schemata bestechen durch ihre inhärente Einfachheit und die ausgezeichnete Strahlqualität, die erreicht werden kann. Im cw-Betrieb würden sie das sogenannte „green problem” vermeiden und dadurch einen nahezu rauschfreien Ausgang liefern. Leider können aufgrund der Beschränkungen in der Leistung der Grundwelle auf diesem Wege nur sehr geringe Umwandlungseffizienzen und vergleichsweise geringe Ausgangsleistungen erreicht werden.

• • Die folgenden Schemata oder prinzipiellen Ausführungen konzentrieren sich auf die kontinuierliche Erzeugung von kohärentem UV-Licht.

These external non-resonant frequency conversion schemes impress with their inherent simplicity and excellent beam quality that can be achieved. In cw operation, they would avoid the so-called "green problem" and thus provide an almost noiseless output. Unfortunately Due to the limitations in the performance of the fundamental wave in this way only very low conversion efficiencies and comparatively low output powers can be achieved.

• • The following schemes or principal embodiments focus on the continuous generation of coherent UV light.

Der erste Ansatz in Richtung von cw-SFG mit höherer Leistung ist einfach resonante (SR) resonatorinterne SFG. In diesem Aufbau ist der NLK innerhalb eines der Resonatoren angeordnet (im weiteren: der Intracavity-Laser), während Strahlung vom zweiten Laser („Seed-Laser”) in den NLK von außen mittels Einfachdurchlaufs eingespeist wird. Dieses Design vermeidet die Komplikationen, die auftreten, wenn zwei Laser innerhalb eines einzigen Laserresonators arbeiten müssen, wie bei DR SFG zu beobachten. Beide Laser können unabhängig voneinander hinsichtlich höchster Stabilität und maximaler Ausgangsleistung justiert werden. Da der NLK nur innerhalb eines Laserresonators angeordnet ist, weist der andere Laser geringere interne lineare Verluste und keinen nichtlinearen Verlust auf. Da weiterhin nur ein Laser über nichtlineare Verluste an den anderen gekoppelt ist, ist der zweite nicht beeinflußt. Leider ist der Vorteil des Nutzens der resonatorinternen Leistung, die um Größenordnungen größer als die externen Leistungen ist, auf einen Laser beschränkt.The first approach towards higher power cw-SFG is simply resonant (SR) intracavity SFG. In this structure, the NLK is disposed within one of the resonators (hereinafter: the intracavity laser), while radiation from the second laser ("seed laser") is fed to the NLK from the outside by single-pass. This design avoids the complications that occur when two lasers must operate within a single laser cavity, as observed in DR SFG. Both lasers can be independently adjusted for maximum stability and maximum output power. Since the NLK is located only within one laser cavity, the other laser has lower internal linear losses and no non-linear loss. Further, since only one laser is coupled to the other via nonlinear losses, the second is unaffected. Unfortunately, the benefit of utilizing the intracavity power, which is orders of magnitude greater than the external powers, is limited to one laser.

5 illustriert die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch die Verdopplung einer Wellenlänge, die aus SR resonatorinterner SFG (SFG + SHG) resultiert. Details wie eine fokussierende Linse zwischen Seed-Laser und Intracavity-Laser und Blenden sind nicht gezeigt. Aus Gründen der Effizienz und der UV-Ausgangsleistung ist die externe SHG-Einheit (Ext-SHG) vorzugsweise eine externe resonante. 5 illustrates the generation of coherent UV light by doubling a wavelength resulting from SR resonator-internal SFG (SFG + SHG). Details such as a focusing lens between seed laser and intracavity laser and aperture are not shown. For reasons of efficiency and UV output, the external SHG unit (Ext-SHG) is preferably an external resonant.

Für die bisher diskutierte Ausgestaltung (Erzeugung von 242 nm durch SHG von etwa 484 nm, die aus SFG von ungefähr 914 nm und ungefähr 1029 nm resultiert, wobei die IR-Laser ein bei 914 nm arbeitender Nd:YVO₄-Laser und ein bei 1029 nm arbeitender Yb:YAG-Laser sind; der Yb:YAG-Laser abgestimmt durch z. B. ein eingesetztes doppelbrechendes Filter), würde der Seed-Laser vorzugsweise der bei 914 nm arbeitende Nd:YVO₄-Laser sein. Solch ein Laser ist viel schwieriger zu betreiben (hauptsächlich aufgrund des konkurrierenden viel stärkeren Übergangs bei 1064 nm) als der (abstimmbare) Yb:YAG-Laser, welcher keine konkurrierenden Linien hat. So profitiert das Betriebsverhalten (Leistung und Stabilität) des Nd:YVO₄-Lasers mehr davon, durch nichtlineare Verluste ”ungestört” zu sein.For the heretofore discussed embodiment (generation of 242 nm by SHG of about 484 nm resulting from SFG of about 914 nm and about 1029 nm, the IR lasers operating at 914 nm Nd: YVO ₄ laser and one at 1029 nm nm working Yb: YAG lasers; of Yb:. YAG laser tuned employed a birefringent filter) by, for example, the seed laser would preferably of operating at 914 nm Nd: YVO ₄ laser to be. Such a laser is much more difficult to operate (mainly because of the competing much stronger transient at 1064 nm) than the (tunable) Yb: YAG laser, which has no competing lines. Thus, the performance (power and stability) of the Nd: YVO ₄ laser benefits more from being "undisturbed" by non-linear losses.

6 zeigt eine andere Anordnung für die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch Verdopplung einer Wellenlänge, die aus SR resonatorinterner SFG resultiert (SFG + SHG). Diese Ausführung weist als Besonderheit einen gemeinsamen Spiegel für die beiden zu mischenden Laser auf, der auf dem NLK angeordnet ist, um eine gute Modenüberlagerung in dem NLK zu erreichen. Das ist normalerweise eine andere Herausforderung im Kontext der NLO-Prozesse neben der Phasenanpassung. Der Spiegel fungiert als teildurchlässiger Reflektor (Auskoppelspiegel) für den Seed-Laser und als hochreflektierender Spiegel für den Intracavity-Laser (und die SFG). 6 shows another arrangement for generating coherent UV light by doubling a wavelength resulting from SR intracavity SFG (SFG + SHG). As a special feature, this embodiment has a common mirror for the two lasers to be mixed, which is arranged on the NLK in order to achieve a good mode superposition in the NLK. This is usually another challenge in the context of NLO processes besides phase matching. The mirror acts as a semi-transparent reflector (output mirror) for the seed laser and as a highly reflective mirror for the intracavity laser (and the SFG).

Ein anderes Konzept für SFG ist doppelt resonante (DR) resonatorinterne SHG. Bei diesem Ansatz findet die Mischung innerhalb beider Resonatoren statt. So sind hohe resonatorinterne Leistungen, die Größenordnungen höher als die externen Leistungen sind, verfügbar. Mit diesen hohen Leistungen sind höhere Umwandlungseffizienzen in die SFG und höhere Ausgangsleistungen erreichbar.Another concept for SFG is double resonant (DR) intracavity SHG. In this approach, the mixing takes place within both resonators. Thus high intra-cavity powers, which are orders of magnitude higher than the external powers, are available. With these high outputs, higher conversion efficiencies into the SFG and higher output powers can be achieved.

7 illustriert die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch die Verdopplung einer Wellenlänge, die aus doppelt resonanter (DR) resonatorinterner SFG resultiert (SFG + SHG). Der gemeinsame Teil des ”Mixers” wird durch den dichroitischen Strahlteiler, der antireflektionsbeschichtet für λ 1 und hochreflektierend für λ 2 (beide Seiten) ist, sowie die den NLK ”einschließenden” gekrümmten Spiegel gebildet. Der NLK ist an der Position der Strahltaille angeordnet, um die erhöhten resonatorinternen Intensitäten im Fokus zu nutzen. Aus Gründen der Effizienz und der UV-Ausgangsleistung ist die externe SHG-Einheit (Ext-SHG) vorzugsweise eine externe resonante. Der Hauptnachteil der DR resonatorinternen SFG ist das als ”green problem” bekannte Rausch-Problem. 7 illustrates the generation of coherent UV light by doubling a wavelength resulting from double resonant (DR) intracavity SFG (SFG + SHG). The common part of the "mixer" is formed by the dichroic beam splitter, which is antireflection-coated for λ 1 and highly reflective for λ 2 (both sides), as well as the NLK "enclosing" curved mirrors. The NLK is located at the beam waist position to take advantage of the increased intracavity intensities in the focus. For reasons of efficiency and UV output, the external SHG unit (Ext-SHG) is preferably an external resonant. The main drawback of the DR intracavity SFG is the noise problem known as the "green problem".

Das effektivste SFG-Schema ist die doppelt resonante (DR) in einem externen Resonator. Das Mischen erfordert linear polarisierte Einfrequenz-Laser, die injektions-synchronisiert (”injection locked”) sind. Zusätzlich zur hohen Effizienz wird dieser Ansatz eines externen Resonators nicht von chaotischen Leistungsschwankungen ”heimgesucht”, d. h., durch das ”green problem”, das ein Problem für resonatorinterne Ansätze sein kann. Die externen optischen Resonatoren können als diskrete oder monolithische Resonatoren ausgebildet sein.The most effective SFG scheme is the double resonant (DR) in an external resonator. The mixing requires linearly polarized single frequency lasers that are injection locked. In addition to high efficiency, this approach of an external resonator is not "haunted" by chaotic power fluctuations, i. h., by the "green problem", which can be a problem for intracavity approaches. The external optical resonators may be formed as discrete or monolithic resonators.

8 illustriert die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch doppelt resonante (DR) SFG aus SHG-Wellenlängen (SHG + SFG) in einem externen Resonator. In dieser Anordnung sind die Einfrequenzlaser resonatorintern frequenzverdoppelte longitudinale Einmodenlaser. Die SFG wird gleichzeitig mit beiden Lasern durch die Pound-Drever-Hall-Technik resonant gemacht. 8th illustrates the generation of coherent UV light by double resonant (DR) SFG from SHG wavelengths (SHG + SFG) in an external cavity. In this arrangement, the single frequency lasers are intracavity frequency doubled single mode longitudinal lasers. The SFG is resonated simultaneously with both lasers by the Pound-Drever-Hall technique.

In einer anderen Ausführung werden zwei Einmodenlaser erst jeweils frequenzverdoppelt in einem externen resonanten Verdoppler und schließlich in einem DR externen Resonator gemischt (SHG + SFG).In another embodiment, two single-mode lasers are first respectively frequency-doubled mixed in an external resonant doubler and finally mixed in a DR external resonator (SHG + SFG).

9 illustriert ein anderes Herangehen. Die zwei Einmoden-IR-Laser werden erst in einem DR externen Resonator gemischt, gefolgt von der abschließenden externen resonanten Verdopplung (SFG + SHG). 9 illustrates another approach. The two single-mode IR lasers are first mixed in a DR external resonator, followed by the final external resonant doubling (SFG + SHG).

Während das beste Vorgehen zur Ausübung der Erfindung im Detail beschrieben wurde, wird der Fachkundige erkennen, daß unzählige alternative Designs, Ausführungen, Modifikationen und Anwendungsbeispiele existieren, die im Sinne der vorliegenden Erfindung sind. Entsprechend ist der Anwendungsbereich der Erfindung nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsformen beschränkt. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen ”Terminologie” • IR-Laser 1,2 Grundwellenlaser 1,2 • SHG 1, 2 SHG von IR-Laser 1, 2 • LK 1, 2 ”Laserkristall” 1, 2 (Lasermaterial 1, 2) • PD 1, 2 Pumpdiode 1, 2 • λ 1, 2, SFG λ von IR-Laser 1, 2, und von SFG • S Spiegel • Ext-SHG Externe SHG-Einheit • DR-Ext-SFG Doppelt resonante externe SFG-Einheit • IC-SLM-SHG-1, 2 Resonatorintern frequenzverdoppelter SLM-Laser 1, 2 • IR-SLM-1, 2 IR-SLM-Laser 1, 2 • NLK Geeigneter nichtlinear optischer Kristall • DS Dichroitischer Spiegel • HR-Spiegel Hochreflektierender Spiegel While the best mode for practicing the invention has been described in detail, those skilled in the art will recognize that there are innumerable alternative designs, designs, modifications, and uses that are within the meaning of the present invention. Accordingly, the scope of the invention is not limited to the aforementioned embodiments. List of used reference numbers "Terminology" • IR laser 1.2 Fundamental wave laser 1,2 • SHG 1, 2 SHG of IR laser 1, 2 • LK 1, 2 "Laser crystal" 1, 2 (laser material 1, 2) • PD 1, 2 Pump diode 1, 2 • λ 1, 2, SFG λ of IR laser 1, 2, and SFG • p mirror • Ext-SHG External SHG unit • DR-Ext-SFG Double resonant external SFG unit • IC-SLM-SHG-1, 2 Resonatorintern frequency doubled SLM laser 1, 2 • IR-SLM-1, 2 IR-SLM laser 1, 2 • NLK Suitable nonlinear optical crystal • DS Dichroic mirror • HR level Highly reflective mirror

Wiederholtes Vorkommen einer Bezeichnung wie z. B. ”NLK” in einer Abbildung oder in verschiedenen Abbildungen bedeutet nicht notwendigerweise, daß ein identisches Element z. B. als nichtlinearer optischer Kristall verwendet wird.Repeated occurrence of a name such. "NLK" in a figure or in various figures does not necessarily mean that an identical element is e.g. B. is used as a nonlinear optical crystal.

Claims (35)

Verfahren zur Erzeugung von kohärentem UV-Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge durch Summenfrequenzbildung oder Frequenzverdopplung von Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwellenlaser-Strahlen von zwei Quasi-Drei-Niveau-Lasern erzeugt werden, von denen mindestens einer durchstimmbar ist, die nacheinander in beliebiger Reihenfolge durch Summenfrequenzbildung und Frequenzverdopplung frequenzumgewandelt werden, so dass ein kohärenter Laserstrahl mit der gewünschten Wellenlänge erzeugt wird.A method for generating coherent ultraviolet light having a predetermined wavelength by summing frequency generation or frequency doubling laser beams, characterized in that the fundamental laser beams are generated by two quasi-three-level lasers, at least one of which is tunable successively in arbitrary Sequence are frequency converted by sum frequency formation and frequency doubling, so that a coherent laser beam is generated with the desired wavelength. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Wellenlänge durch Summenfrequenzbildung von Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich, die durch vorhergehende Frequenzverdopplung entstanden sind, erzeugt wird.A method according to claim 1, characterized in that the desired wavelength by summation frequency of wavelengths in the visible spectral range, which are caused by previous frequency doubling, is generated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Wellenlänge durch die Frequenzverdopplung von Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich, die durch vorherige Summenfrequenzbildung entstanden sind, erzeugt wird.A method according to claim 1, characterized in that the desired wavelength by the frequency doubling of wavelengths in the visible spectral range, which are caused by previous sum frequency formation, is generated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser zur Erzeugung der Grundwellenlaser-Strahlen entweder in kontinuierlichem, gütegeschaltetem oder modensynchronisiertem Betriebsregime arbeiten. A method according to claim 1, characterized in that the lasers for generating the fundamental wave laser beams operate either in continuous, Q-switched or mode-synchronized operating regime. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein All-Festkörperlaser-System bei etwa 242 nm zum Schreiben von Faser-Bragg-Gittern, vorzugsweise in kontinuierlichem Betrieb erreicht wird.A method according to claim 1, characterized in that an all-solid-state laser system at about 242 nm for writing fiber Bragg gratings, preferably in continuous operation is achieved. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen von UV-Licht bei etwa 242 nm die Summenfrequenzbildung von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 457 nm und von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 514.5 nm ausgenutzt wird.A method according to claim 2, characterized in that for generating UV light at about 242 nm, the sum frequency formation of light having a wavelength of about 457 nm and of light having a wavelength of about 514.5 nm is utilized. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass UV-Licht bei etwa 242 nm durch Summenfrequenzbildung von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 454 nm und von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 518 nm erzeugt wird.A method according to claim 2, characterized in that UV light at about 242 nm is generated by summation frequency generation of light having a wavelength of about 454 nm and of light having a wavelength of about 518 nm. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen von UV-Licht bei etwa 242 nm die Frequenzverdopplung von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 484 nm, das aus Summenfrequenzbildung von Licht mit einer Wellenlänge etwa 914 nm und von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1029 nm resultiert, ausgenutzt wird.The method of claim 3, characterized in that for generating UV light at about 242 nm, the frequency doubling of light having a wavelength of about 484 nm, the sum frequency of light having a wavelength about 914 nm and light having a wavelength of about 1029 nm results, is exploited. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass UV-Licht bei etwa 242 nm durch Frequenzverdopplung von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 484 nm, das aus der Summenfrequenzbildung von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 908 nm und von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1036 nm resultiert, erzeugt wird.A method according to claim 3, characterized in that UV light at about 242 nm by frequency doubling of light having a wavelength of about 484 nm, the sum frequency of light having a wavelength of about 908 nm and light having a wavelength of about 1036 nm is generated. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass UV-Licht bei etwa 242 nm durch Summenfrequenzbildung von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 523,5 nm und von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 451,5 nm erzeugt wird.A method according to claim 1, characterized in that UV light is generated at about 242 nm by summation frequency of light having a wavelength of about 523.5 nm and of light having a wavelength of about 451.5 nm. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass UV-Licht bei etwa 242 nm durch Frequenzverdopplung von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 484 nm erzeugt wird, das aus der Summenfrequenzbildung von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 1047 nm und von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 903 nm resultiert.A method according to claim 1, characterized in that UV light is generated at about 242 nm by frequency doubling light having a wavelength of about 484 nm, which consists of the sum frequency formation of light having a wavelength of about 1047 nm and light having a wavelength of about 903 nm results. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen von Licht bei etwa 242 nm als IR-Laser ein Nd-dotierter Laser, der auf einem Quasi-Drei-Niveau-Übergang im Bereich zwischen etwa 903 nm und etwa 915 nm arbeitet, und ein Yb:YAG-Laser, der auf einer passenden Wellenlänge im Bereich zwischen etwa 1043 nm und 1027 nm abgestimmt ist, verwendet werden.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that for generating light at about 242 nm as an IR laser, an Nd-doped laser operating on a quasi-three-level transition in the range between about 903 nm and about 915 nm and a Yb: YAG laser tuned at an appropriate wavelength in the range between about 1043 nm and 1027 nm. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, als IR-Laser ein bei etwa 908 nm arbeitender Nd:YLF-Laser sowie ein bei etwa 1036 nm arbeitender Yb:YAG-Laser verwendet werden, wobei der Yb:YAG-Laser durch z. B. den Einsatz eines Doppelbrechungsfilters abgestimmt ist.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that, as an IR laser, an Nd: YLF laser operating at approximately 908 nm and a Yb: YAG laser operating at approximately 1036 nm are used, the Yb: YAG laser Laser by z. B. the use of a birefringence filter is tuned. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen von UV-Strahlung in einem weiten Wellenlängenbereich als IR-Laser ein durchstimmbarer Yb:YAG-Laser, der den gesamten Durchstimmbereich weiter als zwischen etwa 1027 nm und etwa 1047 nm ausnutzt, sowie ein Nd-dotierter Laser, der auf Quasi-Drei-Niveau-Übergängen zwischen etwa 903 nm und 915 nm arbeitet, verwendet werden.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that for generating UV radiation in a wide wavelength range as an IR laser, a tunable Yb: YAG laser exploits the entire tuning range further than between about 1027 nm and about 1047 nm and an Nd-doped laser operating at quasi-three level transitions between about 903 nm and 915 nm. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen von UV-Strahlung in einem weiten Wellenlängenbereich als ein IR-Laser ein durchstimmbarer Yb-dotierter Laser genutzt wird, der andere Yb-dotierte Materialien als Yb:YAG, z. B. Yb:KYW oder Yb:CS-FAP, verwendet.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that for generating UV radiation in a wide wavelength range as an IR laser, a tunable Yb-doped laser is used, the other Yb-doped materials as Yb: YAG, z. Yb: KYW or Yb: CS-FAP. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass, zum Erzeugen von 244-nm-Strahlung für z. B. FBG-Schreiben als IR-Laser ein bei 1047 nm arbeitender Yb:YAG-Laser und ein bei 914 nm arbeitender Nd:YVO₄-Laser verwendet werden.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that, for generating 244 nm radiation for z. For example, FBG writing as the IR laser, a Yb: YAG laser operating at 1047 nm, and an Nd: YVO ₄ laser operating at 914 nm may be used. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im kontinuierlichen Betrieb aus Effizienzgründen die Frequenzverdopplung der Wellenlängen vorzugsweise resonatorintern oder extern resonant vorgenommen wird. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that in continuous operation for efficiency reasons, the frequency doubling of the wavelengths is preferably performed resonatorinternally or externally resonant. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der IR-Laser ein Scheibenlaser ist.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that at least one of the IR lasers is a disk laser. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide IR-Laser SLM-Laser sind.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that both IR lasers are SLM lasers. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, einer der nachfolgend genannten passenden Nd-dotierten Laser unter Nutzung unterschiedlicher Wirtsmaterialien zur Erzeugung eines der Grundwellenlaser-Strahlen verwendet wird: Nd:YVO₄ mit Übergängen bei etwa 914 nm (π-Polarisation) und 915 nm (σ-Polarisation), Nd:YLF betrieben bei etwa 903 nm (π) und 908 nm (σ), Nd:GdVO₄ mit Übergängen bei etwa 912 nm (π, σ), und Nd:LiLu₄ betrieben bei etwa 905 nm (π) und etwa 910 nm (σ).Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that one of the following suitable Nd-doped lasers using different host materials is used to generate one of the fundamental wave laser beams: Nd: YVO ₄ with transitions at about 914 nm (π-). Polarization) and 915 nm (σ polarization), Nd: YLF operated at about 903 nm (π) and 908 nm (σ), Nd: GdVO ₄ with transitions at about 912 nm (π, σ), and Nd: LiLu ₄ operated at about 905 nm (π) and about 910 nm (σ). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass periodisch gepolte Kristalle (quasi-phasenangepaßte Kristalle) wie PPKTP oder PPLN für alle NLO-Prozesse benutzt werden, welche besonders vorteilhaft für den zweiten (finalen) Schritt sind, d. h. die Summenfrequenzbildung von Frequenzverdopplung-Wellenlängen für (SHG + SFG) oder die Verdopplung einer Wellenlänge, die aus vorhergehender Summenfrequenzbildung resultiert (SFG + SHG).Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that periodically poled crystals (quasi-phase matched crystals) such as PPKTP or PPLN are used for all NLO processes, which are particularly advantageous for the second (final) step, i. H. the sum frequency formation of frequency doubling wavelengths for (SHG + SFG) or the doubling of a wavelength resulting from previous sum frequency formation (SFG + SHG). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der nachfolgend genannten Volumenkristalle für die Erzeugung von sichtbarem Licht durch Frequenzverdopplung oder Summenfrequenzbildung von IR-Lasern genutzt wird: KTP (nur für grün), LiNbO₃, LBO, BBO, BiBO.Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that one of the following volume crystals is used for the generation of visible light by frequency doubling or sum frequency formation of IR lasers: KTP (only for green), LiNbO ₃ , LBO, BBO, BiBO , Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der nachfolgend genannten Volumenkristalle für die Erzeugung von UV-Licht durch Summenfrequenzbildung (SHG + SFG) oder Frequenzverdopplung (SFG + SHG) benutzt wird: LBO, BBO, BiBO, CLBO.Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that one of the following volume crystals is used for the production of UV light by summation frequency generation (SHG + SFG) or frequency doubling (SFG + SHG): LBO, BBO, BiBO, CLBO. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kohärente UV-Licht durch externe nicht-resonante Summenfrequenzbildung von frequenzverdoppelten Wellenlängen erzeugt wird (SHG + SFG).Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the coherent UV light is generated by external non-resonant sum frequency formation of frequency-doubled wavelengths (SHG + SFG). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kohärente UV-Licht durch Verdopplung einer Wellenlänge, die aus externer nicht-resonanter Summenfrequenzbildung SFG resultiert, erzeugt wird (SFG + SHG).Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the coherent UV light is generated by doubling a wavelength resulting from external non-resonant sum frequency formation SFG (SFG + SHG). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch Verdopplung einer Wellenlänge, die aus einfach resonanter (SR) resonatorinterner SFG resultiert, erfolgt (SFG + SHG).Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the generation of coherent UV light by doubling a wavelength resulting from singly resonant (SR) intracavity SFG takes place (SFG + SHG). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als IR-Laser ein bei 914 nm arbeitender Nd:YVO₄-Laser und ein bei 1029 nm arbeitender Yb:YAG-Laser verwendet werden, wobei der Yb:YAG-Laser z. B. durch Einsatz eines Doppelbrechungsfilters abgestimmt ist.Apparatus for carrying out the method according to claim 8, characterized in that the IR laser used is a Nd: YVO ₄ laser operating at 914 nm and a Yb: YAG laser operating at 1029 nm, wherein the Yb: YAG laser z , B. is tuned by using a birefringence filter. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch Verdopplung einer Wellenlänge, die aus zuvor erfolgter doppelt resonanter (DR) resonatorinterner Summenfrequenzbildung resultiert, geschieht (SFG + SHG).Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the generation of coherent UV light by doubling a wavelength resulting from previously done double resonant (DR) intracavity cumulative frequency formation occurs (SFG + SHG). Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass, die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch doppelt resonante (DR) Summenfrequenzmischung von frequenzverdoppelten Wellenlängen in einem externen Resonator erfolgt (SHG + SFG).Apparatus according to claim 19, characterized in that the generation of coherent UV light by double resonant (DR) sum frequency mixing of frequency doubled wavelengths takes place in an external resonator (SHG + SFG). Vorrichtung nach Anspruch 26 und 27, dadurch gekennzeichnet, dass der bei 914 nm arbeitende Nd:YVO₄-Laser als Seed-Laser fungiert und der bei 1029 nm arbeitende Yb:YAG-Laser, der durch z. B. das Einfügen eines Doppelbrechungsfilters abgestimmt ist, als Intracavity-Laser fungiert.Device according to claim 26 and 27, characterized in that the Nd: YVO ₄ laser operating at 914 nm acts as a seed laser and the Yb: YAG laser operating at 1029 nm, which is replaced by e.g. B. the insertion of a birefringence filter is tuned, acts as intracavity laser. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzverdopplung extern nicht-resonant erfolgt.Apparatus according to claim 24, characterized in that the frequency doubling occurs externally non-resonantly. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzverdopplung resonatorintern erfolgt.Apparatus according to claim 24, characterized in that the frequency doubling occurs intracavity. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass, zum Erzeugen von kohärentem UV-Licht durch doppelt resonante (DR) Summenfrequenzmischung von frequenzverdoppelten Wellenlängen die Einfrequenzlaser resonatorintern frequenzverdoppelte longitudinale Einmodenlaser sind. Apparatus according to claim 29, characterized in that, for generating coherent UV light by double resonant (DR) sum frequency mixing of frequency doubled wavelengths, the single frequency lasers are intracavity frequency doubled single mode longitudinal lasers. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen von kohärentem UV-Licht durch doppelt resonante (DR) Summenfrequenzbildung von frequenzverdoppelten Wellenlängen die beiden IR-Einfrequenzlaser erst jeweils in einem externen resonanten Verdoppler frequenzverdoppelt werden.Apparatus according to claim 29, characterized in that for generating coherent UV light by doubly resonant (DR) sum frequency formation of frequency doubled wavelengths, the two IR single frequency lasers are first doubled in frequency in each case in an external resonant doubler. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von kohärentem UV-Licht durch externe resonante Verdopplung einer Wellenlänge, die aus doppelt resonanter (DR) Summenfrequenzmischung in einem externen Resonator resultiert, erfolgt (SFG + SHG).Device according to claim 19, characterized in that the generation of coherent UV-light takes place by external resonant doubling of a wavelength resulting from double resonant (DR) sum-frequency mixing in an external resonator (SFG + SHG).

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