DE102006031183B4 - Laserquelle für verschiedene Wellenlängen im IR-Bereich - Google Patents

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Abstract

Laserquelle, welche einen durch Pumpvorrichtungen (3; 25) pumpbaren, neodymdotieren Kristall (2; 23) enthält sowie einen nichtlinearen, methanstimulierten Raman-Konverter (4, 32) und einen optischen parametrischen Oszillator (5; 41) aufweist,
wobei die Pumpvorrichtungen (3; 25) einen Festkörperlaser, wie zum Beispiel mindestens eine Laserdiode, enthalten und
der optische parametrische Oszillator (5; 41) durch die aus dem Raman-Konverter (4; 32) kommende zweite Strahlung (7; 36) pumpbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kristall (2; 23) aus neodymdotierten Yttriumvanadat besteht und die Pumpvorrichtungen (3; 25) derart ausgebildet sind, dass die Emission des neodymdotierten Kristalls (2; 23) auf dem Übergang 4F3/2 → 4I13,2 erfolgt und der durch die Pumpvorrichtungen (3; 25) gepumpte Kristall eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1.342 μm emittiert,
dass der Raman-Konverter (4; 32) derart ausgebildet ist, dass die von dem Kristall (2; 23) erzeugte Strahlung in mindestens eine zweite Strahlung (7; 36) mit einer Wellenlänge zwischen 2,1 und...

Description

  • Die Erfindung betrifft vor allem den Bereich Laser und insbesondere eine Laserquelle, die bei verschiedenen Wellenlängen im Infrarotbereich emittieren kann.
  • Für zahlreiche Anwendungen, wie z. B. Lidars, die Detektion von atmosphärischen Schadstoffen bzw. optronische Gegenmaßnahmen, werden Laserquellen benötigt, welche bei mehreren Wellenlängen und in verschiedenen atmosphärischen Transmissionsbändern emittieren.
  • Die verschiedenen Architekturen solcher heutzutage entwickelter Laser haben gemeinsam, dass sie eine Festkörperlaserquelle mit fester oder abstimmbarer Wellenlänge zusammen mit nichtlinearen optischen Bauteilen, wie z. B. einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) oder einem Raman-Konverter, verwenden.
  • Die bei der Entwicklung dieser Quellen angetroffenen Probleme betreffen die räumliche Qualität der erhaltenen Strahlen, die mittlere Leistung bzw. energetische Leistung pro Impuls sowie den Gesamtwirkungsgrad, ausgedrückt als in den abzudeckenden Spektralbändern erzeugte, nutzbare Laserleistung verglichen mit der in die Pumpdioden injizierten elektrischen Leistung. Beim Austritt aus einem OPO-Konverter liegt sehr häufig eine der beiden erzeugten Wellenlängen (Signalwelle oder Idlerwelle) außerhalb des gewünschten Spektralbereichs. Wenn eine Wellenlänge 2 μm nicht überschreitet, kann ein OPO, der Band II, das heißt den Bereich zwischen 3 und 5 μm, abdecken soll, nicht zugleich im hohen Bandbereich bei 5 μm und im niedrigen Bandbereich emittieren. Soll bei Anwendungen im Bereich der optronischen Gegenmaßnahmen das Band I bei 2,1–2,2 μm und das Band II bei 4,1/4,2 und 4,6/4,7 μm mit einem Pumplaser und einem OPO abgedeckt werden, so muss die Pumpwellenlänge mehr als 2 μm betragen. Für diese Anwendungen bevorzugt man heute zwei verschiedene diodengepumpte Festkörperlaser-Architekturen.
  • Zunächst einen bei 1 μm emittierenden Neodymlaser in Verbindung mit 2 kaskadenartig aufgebauten OPOs zur Erreichung des Bandes II, z. B. Nd:YVO4, emittierend bei 1,06 μm mit einer Repetitionsrate von 5 kHz in Verbindung mit einem ersten OPO (PPNL, PPKTP, KTP, KTA ...), welcher zwei Wellen bei 2,18 μm und 2.06 μm liefert. Es darf angenommen werden, dass λ1 = 2,06 μm sich im Band I befindet. Die Welle bei 2,18 μm pumpt einen zweiten OPO (z. B. ZGP-OPO), wodurch man zwei Austrittswellenlängen, nämlich 4,1 und 4,6 μm im Band II erhält. Der theoretische Wirkungsgrad beträgt am Ausgang des ersten OPOs bei λ = 2,18 μm 18%, gesetzt den Fall, dass die Wirkungsgrade für Signal- und Idlerwelle beinahe identisch sind. Im Vergleich zum Pumpstrahl bei 1,06 μm besitzt der Strahl bei 2,18 μm ein qualitativ wesentlich schlechteres räumliches Profil. Am Ausgang des zweiten OPOs beträgt der Wirkungsgrad für die beiden Wellen im Band II, λ2 bei 4,1/4,2 μm und λ3 bei 4,6/4,7 μm, weniger als 9% und die emittierten Strahlprofile sind noch schlechter.
  • Eine weitere, zumindest ebenso vorteilhafte Lösung basiert auf einer bei 2,09 μm emittierenden Tm-Ho-Quelle in Verbindung mit einem einzigen OPO zur Emission im Band II. Bei 2,09 μm besitzt der Strahl eine hervorragende Qualität (M 1,2), und der Wirkungsgrad beträgt mehr als 20%. Jedoch ist in einem ZGP-OPO, welcher bei 3,83 und 4,6 μm emittiert, eine der beiden Wellenlängen, nämlich λ2 = 3,83 μm, für Anwendungen im Bereich der optronischen Gegenmaßnahmen nicht ideal platziert. Zudem besitzt der ZGP-Kristall bei 2,09 μm je nach Qualität einen Absorptionskoeffizienten zwischen 0,03 und 0,1 cm–1. Diese Architektur, welche zum Pumpen eines OPOs eine Tm:YLF → Ho:YAG-Quelle verwendet, weist zwei weitere Nachteile auf:
    Die von der Tm:YLF-Quelle bei 1,91 μm gelieferte Ho:YAG-Pumpwelle befindet sich in der Nähe einer Wasserdampf-Absorptionslinie, was zu Intensitätsschwankungen führt. Für eine militärische Anwendung muss die Tm:YLF-Quelle in einem Gehäuse mit trockener Luft installiert werden. Der Ersatz der Tm:YLF-Quelle bei einem thuliumdotierten Siliziumoxidfaser-Laser macht den Aufbau stabiler, führt aber zu einem geringeren Wirkungsgrad, da die Pumpwirksamkeit von Thulium bei λ = 0,793 μm in Siliziumoxid nicht dieselbe ist wie in einem YLF-Kristall. Außerdem schwankt die Impulsdauer eines Ho:YAG-Kristall-Lasers im gütegeschalteten Betrieb beträchtlich mit der Repetitionsrate. Bei einer Steigerung der Repetitionsrate von 10 kHz auf 50 kHz nimmt die Dauer von 30 ns auf 120 ns zu. Somit weist der OPO hinter der gepulsten Ho:YAG-Laserquelle ein in Abhängigkeit von der Repetitionsrate stark schwankendes Verhalten auf. Bei der Tm:YLF → Ho:YAG-Quelle bleibt der Tm:YLF-Kristall ziemlich zerbrechlich, obwohl durch die Verwendung von Verbundkristallen die Bruchgrenze bis auf 15 kW/cm2 erhöht werden kann.
  • Die US 5 088 096 A zeigt eine gattungsgemäße Laserquelle.
  • Die EP 0 462 613 A2 betrifft einen Laserverstärker im 1,3 μm Wellenlängenbereich. Der Laserverstärker umfasst eine dotierte Glasfaser.
  • Eine Veröffentlichung (Jan. K. Jabczyski u. a. „Application of V3 +:YAG crystals for Q-switching and mode-locking of 1,3 μm diode-pumped neodymium lasers”. In: Optical Engineering, Vol. 40, No. 12, 2001, S. 2802–2811.) zeigt einen Güteschalter (Q-Switch) zur Erzeugung von kurzen oder ultrakurzen Impulsen im 1,3 μm Wellenlängenbereich. Der Güteschalter umfasst einen V3 +:YAG Kristall.
  • Die US 6 496 634 B1 geht auf einen Raman-Verstärker ein, der zum Einsatz in der optischen Nachrichtentechnik ausgebildet ist. Der Raman-Verstärker umfasst einen hohlen Lichtwellenleiter (Faser), der mit einem Raman-aktiven Gas gefüllt ist. Das Pumpen des Raman-Verstärkers erfolgt über den Mantelbereich der Faser.
  • Die US 6 782 014 B1 beschreibt eine Anordnung, um die Frequenz einer Laserstrahlung zu teilen. Die Anordnung umfasst zwei in Reihe angeordnete, nichtlineare Kristalle.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben, indem eine Vorrichtung vorgeschlagen wird, welche Laserstrahlungen bei mehreren verschiedenen Wellenlängen emittiert und eine gepulste Strahlung mit hoher bzw. niedriger Repetitionsrate und hoher Impulsenergie erzeugt, so dass etwa 100 kHz bei sehr geringer Schwankung der Impulsdauer und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.
  • Als Lösung wird eine Laserquelle mit den Merkmalen des einzigen Patentanspruchs vorgeschlagen.
  • Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Beschreibung der Erfindung sowie den beigefügten Figuren hervor, wobei:
  • in 1 die allgemeinen Bauelemente der Erfindung dargestellt werden,
  • in 2 eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt wird.
  • 1 zeigt das allgemeine Funktionsschema einer erfindungsgemäßen Laserquelle.
  • Diese Laserquelle beinhaltet einen durch Pumpvorrichtungen 3 pumpbaren, neodymdotierten Kristall 2, einen nichtlinearen, methanstimulierten Raman-Konverter 4 und einen optischen parametrischen Oszillator 5.
  • Die Pumpvorrichtungen 3 bewirken die Emission des neodymdotierten Kristalls am Übergang 4F3/2 → 4I13/2, so dass dieser Kristall eine Laserstrahlung 6 mit einer Wellenlänge λp zwischen 1,3 und 1,4 μm je nach Art des Kristalls emittiert.
  • Der methanstimulierte, nichtlineare Raman-Konverter 4 ist eine bekannte Vorrichtung und besteht aus einem hohlen Lichtwellenleiter, der mit unter Druck stehendem Methan gefüllt ist.
  • Die von dem neodymdotierten Kristall emittierte Laserstrahlung gelangt in den hohlen Lichtwellenleiter und reagiert mit dem Methan, wodurch, in Abhängigkeit von der Eintrittswellenlänge λp der Strahlung und, wie bereits zuvor erwähnt, der Art des neodymdotierten Kristalls, eine Strahlung 7 mit einer Wellenlänge λ1 zwischen 2,1 und 2,3 μm entsteht.
  • Vorrichtungen 8, 9 zur Teilung der aus dem Raman-Konverter 4 kommenden Strahlung 7 befinden sich zwischen dem Konverter und dem optischen parametrischen Oszillator 5. Diese Teilungsvorrichtungen 8, 9 teilen die aus dem Raman-Konverter 4 kommende Strahlung 7 in eine erste Strahlung 10, welche direkt von der Laserquelle emittiert wird, und eine zweite Strahlung 11 zur Versorgung des optischen parametrischen Oszillators 5.
  • Bei dem optischen parametrischen Oszillator 5 handelt es sich um einen klassischen Oszillator entsprechend dem Stand der Technik. Er ist einfach resonant bei einmaligem Pumpen und verwendet klassische ZnGeP2-Kristalle für eine Phasenanpassung bei λp = 2,2 μm.
  • Die Strahlung 11 zur Versorgung des optischen parametrischen Oszillators bei einer Wellenlänge λ1 wird im Oszillator in zwei Strahlungen 12 und 13, jeweils mit einer Wellenlänge λ2 und λ3 zwischen 3 und 5 μm, umgeformt.
  • Nachstehende Tabelle zeigt die annähernden Werte der Wellenlängen λp, λ1, λ2 und λ3 für Yttriumvanadat (YVO4).
    Nd:X λ (μm) λ1 (μm) λ2/λ3 (μm)
    Nd:YVO4 1,3425 2,205 4,1/4,8
  • 2 zeigt eine besondere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserquelle. Diese Quelle beinhaltet drei Resonatoren 20, 30 und 40.
  • Der erste Resonator 20 beinhaltet einen ersten Spiegel 21, einen akustoptischen Modulator oder elektrooptischen Q-switch 22, einen Kristall 23 und einen zweiten Spiegel 34. Der Resonator und insbesondere der Kristall 23 besitzen Pumpvorrichtungen 25 für den Kristall 23. Der Resonator 20 wird somit durch die beiden Spiegel 21 und 34 begrenzt.
  • Der akustooptische Modulator 22 ist eine bekannte Vorrichtung. Er soll einen diskontinuierlichen Betrieb der Laserquelle und eine bedarfsgerechte Einstellung ihrer Betriebsfrequenz ermöglichen. So ist z. B. ein Betrieb mit hoher Repetitionsrate von bis zu über 100 kHz möglich, wenn es sich um einen neodymdotierten Yttriumvanadat-Kristall (Nd:YVO4) handelt.
  • Der Kristall 23 besteht aus neodymdotierten Yttriumvanadat, während die Pumpvorrichtungen 25 Dioden und Mittel zu deren Versorgung beinhalten. Diese Dioden emittieren bei einer Wellenlänge von 0,808 μm und bewirken somit die Emission des neodymdotierten Kristalls am Übergang 4F3/2 → 4I13,2, so dass dieser nach dem Pumpvorgang eine Laserstrahlung 26 mit einer Wellenlänge λp von 1,3425 μm emittiert. Die Spiegel 21 und 34 sind bei einer Emissionswellenlänge λp von 1,3425 μm des Kristalls 23 hoch reflektierend, so dass der Raman-Konverter mit der im Resonator 20 vorhandenen Höchstleistung gepumpt wird.
  • Der zweite Resonator 30 beinhaltet einen Spiegel 24 mit einer maximalen Transmission bei einer Wellenlänge λp von 1,3425 μm und einer maximalen Reflexion bei einer Wellenlänge λ1 von ungefähr 2,1 bzw. 2,2 μm. Er beinhaltet auch eine erste Kollimationslinse 31, einen methanstimulierten (CH4, V R = 2914 cm–1 ), nichtlinearen Raman-Konverter 32, eine zweite Kollimationslinse 33 und einen dritten, mit dem Resonator 20 gemeinsamen Spiegel 34 mit einer maximalen Reflexion bei einer Wellenlänge λp von 1,3425 μm und einer für die Wellenlängen λ1 bei ungefähr 2,1 und 2,2 μm optimierten Transmission im Hinblick auf den höchsten Wirkungsgrad des Raman-Konverters.
  • Dieser Raman-Konverter 32 besteht aus einem hohlen Lichtwellenleiter mit Zweiband-Photonenkristallen, welcher bei 1,34 und 2,2 μm geringe Verluste aufweist und an jedem Ende ein Fenster beinhaltet. Zur Erreichung eines befriedigenden Umwandlungswirkungsgrades von 1,3 bis 2,1/2,2 μm wird Methan unter einem Druck von mehreren zehn atm verwendet, und die Pumpleistungsdichte erreicht einige 100 MW/cm2 bis 1 GW/cm2 [1]. Der Kern des hohlen Lichtwellenleiters besitzt einen Durchmesser von ca. 20 bis 50 μm, wohingegen seine Länge einige 10 cm beträgt. Die theoretische Wirksamkeit am Austritt des Raman-Konverters beträgt beinahe 45%, und es wird praktisch eine Wirksamkeit von mindestens 15% (Diode 0,808 μm → 2,2 μm) erreicht.
  • Der zweite Spiegel 24 ist bei der Emissionswellenlänge des Raman-Konverters 32 hoch reflektierend, während der dritte Spiegel 34 für die Wellenlängen bei 2,1/2,2 μm eine optimierte Transmission aufweist.
  • Somit wird der Raman-Konverter durch die Laserstrahlung 26 gepumpt und emittiert eine Strahlung 36 auf der ersten Stokes-Linie von Methan bei einer Wellenlänge λ1 zwischen 2,1 und 2,2 μm.
  • Der dritte Resonator 40 besteht aus einem herkömmlichen optischen parametrischen Oszillator 41, welcher zwischen den Spiegeln 44 und 54 bei einmaligem Pumpen einfach resonant ist, wobei in diesem Fall die Strahlung 36 eine Wellenlänge λp = 2,2 μm besitzt, und bei dem klassische ZnGeP2-Kristalle für eine Phasenanpassung bei λp = 2,2 μm zum Einsatz kommen. Dieser optische parametrische Oszillator 41 emittiert zwei Strahlungen 45 und 46, nämlich die Signalwelle und die Idlerwelle, wobei erstere eine Wellenlänge λ2 von ungefähr 4,1/4,2 μm und letztere eine Wellenlänge λ3 von ungefähr 4,6/4,7 μm aufweist.
  • Außerdem befinden sich Vorrichtungen 50 zur Teilung der aus dem Raman-Konverter 32 kommenden Strahlung 36 zwischen dem zweiten Resonator 30 und dem dritten Resonator 40. Ein Teil 52 dieser Strahlung wird mittels Fokussierungsvorrichtungen 51, und zwar mittels einer Fokussierungslinse, zum optischen parametrischen Oszillator 41 gelenkt, während ein zweiter Teil 53 von der Laserquelle emittiert wird.
  • Die Laserquelle wird folgendermaßen betrieben:
    Die elektrisch versorgten Laserdioden emittieren bei einer Wellenlänge von 0,808 μm eine kontinuierliche Strahlung in Richtung des Kristalls 23, welche zu einer Emission am Übergang 4F3/2 → 4I13/2 von Neodym führt. Da der akustooptische Modulator 22 auf eine bestimmte Betriebsfrequenz, z. B. 100 kHz, der Laserquelle eingestellt ist, lasert der Kristall 23 bei dieser Frequenz und erzeugt somit eine Impulsstrahlung 26 mit einer Wellenlänge von 1,3425 μm. Diese Impulsstrahlung 26 tritt aus dem ersten Resonator aus und in den zweiten Resonator 30 und anschließend den Raman-Konverter 32 ein, der ihre Wellenlänge verändert. Der Raman-Konverter 32 wird nämlich durch die gepulste Laserstrahlung 26 gepumpt und emittiert eine Strahlung 36 auf der ersten Stokes-Linie von Methan bei einer Wellenlänge λ1 zwischen 2,1 und 2,2 μm.
  • Ein Teil dieser Impulsstrahlung 36 wird von Vorrichtungen 50 zur Teilung der aus dem Raman-Konverter 32 kommenden Strahlung 36 verwendet und somit von der Quelle emittiert, während der andere Teil dieser Strahlung 36 die Fokussierungslinse 51 durchdringt, so dass ein Brennfleck mit einem Durchmesser von einigen hundert μm entsteht, wobei die Wechselwirkungslänge (Rayleigh-Länge) je nach Brennweite der Linse, M2 und Durchmesser des Pumpstrahls wenige Millimeter bzw. 1 cm betragen kann. Die aus der Fokussierungslinse kommende Strahlung gelangt in den dritten Resonator 40, d. h. den optischen parametrischen Oszillator 41, aus welchem wiederum zwei synchronisierte Impulsstrahlungen kommen, nämlich die Signalwelle 45 und die Idlerwelle 46, erstere bei einer Wellenlänge λ2 von ungefähr 4,1/4,2 μm und letztere bei einer Wellenlänge λ3 von ungefähr 4,6/4,7 μm, wobei beide Strahlungen 45 et 46 von der Laserquelle emittiert werden können. Durch die Verwendung eines Nd:YVO4-Kristalls kann mit hoher Repetitionsrate (über 100 kHz) gearbeitet werden, und es kann eine Impulsenergie zwischen 0,1 und 0,5 mJ oder sogar darüber geliefert werden.

Claims (1)

  1. Laserquelle, welche einen durch Pumpvorrichtungen (3; 25) pumpbaren, neodymdotieren Kristall (2; 23) enthält sowie einen nichtlinearen, methanstimulierten Raman-Konverter (4, 32) und einen optischen parametrischen Oszillator (5; 41) aufweist, wobei die Pumpvorrichtungen (3; 25) einen Festkörperlaser, wie zum Beispiel mindestens eine Laserdiode, enthalten und der optische parametrische Oszillator (5; 41) durch die aus dem Raman-Konverter (4; 32) kommende zweite Strahlung (7; 36) pumpbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall (2; 23) aus neodymdotierten Yttriumvanadat besteht und die Pumpvorrichtungen (3; 25) derart ausgebildet sind, dass die Emission des neodymdotierten Kristalls (2; 23) auf dem Übergang 4F3/2 → 4I13,2 erfolgt und der durch die Pumpvorrichtungen (3; 25) gepumpte Kristall eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1.342 μm emittiert, dass der Raman-Konverter (4; 32) derart ausgebildet ist, dass die von dem Kristall (2; 23) erzeugte Strahlung in mindestens eine zweite Strahlung (7; 36) mit einer Wellenlänge zwischen 2,1 und 2,2 μm umgewandelt wird, der Raman-Konverter (4; 32) aus einem hohlen Lichtwellenleiter, der mit unter Druck stehendem Methan gefüllt ist, besteht und es sich bei dem hohlen Lichtwellenleiter um einen Photonenkristall-Wellenleiter handelt, dass der optische parametrische Oszillator (5; 41) aus einem Resonator unter Einsatz eines Kristalls ZnGeP2 (ZGP) besteht und eine erste Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 4,1 und 4,2 μm sowie eine zweite Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 4,6 und 4,7 μm erzeugt.
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