DE19517753A1

DE19517753A1 - Schmalbandige, abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung

Info

Publication number: DE19517753A1
Application number: DE19517753A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Phys Dr Stamm; Peter Dipl Phys Lokai
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1995-05-15
Filing date: 1995-05-15
Publication date: 1996-11-21
Also published as: US5671241A

Description

Die Erfindung betrifft eine schmalbandige, abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung mit

- einem gepulsten Pumplaser zur Erzeugung von Pumpimpulsen,
- einem optisch-parametrischen Oszillator oder Leistungsver stärker mit zumindest einem Kristall aus optisch nichtlinea rem Material,
- einem Master-Oszillator zur Erzeugung schmalbandiger Strah lung, die als Seed-Strahlung in den optisch-parametrischen Oszillator oder Leistungsverstärker injiziert wird,
- einem Strahlteiler zum Zerlegen der Pumpimpulse in erste und zweite Teilimpulse, wobei die ersten Teilimpulse den Master-Oszillator oder Leistungsverstärker pumpen und die zweiten Teilimpulse nach Durchlaufen einer optischen Verzöge rungsstrecke den optisch-parametrischen Oszillator oder Leistungsverstärker pumpen

Gepulste, abstimmbare, schmalbandige Quellen für kohärente Strahlung sind insbesondere bekannt aus der DE 42 19 169 A1 und auch aus der Produktbroschüre der Firma LAMBDA PHYSIK über das Produkt SCANMATE (mit SCANMATE OPO) aus dem Jahre 1994.

Den Stand der Technik repräsentieren auch die Aufsätze von W.R. Bosenberg u. a., in Journal Opt. Soc. Am. B 10, S. 1716 (1993), und von A. Fix u. a. Journal Opt. Soc. Am. B 10, S. 1744 (1993) und auch die US Patente 5,053,641 und 5,047,668.

Die DE 42 19 169 AI beschreibt eine Laseranordnung zur Erzeugung abstimmbarer, schmalbandiger kohärenter Strahlung mit einem sogenannten Master-Oszillator und einem optisch-parametrischen Oszillator (auch als OPO bezeichnet). Der Master-Oszillator dient zum sogenannten "Seeden" (Anregen) des optisch-parametri schen Oszillators. Hierzu wird die spektrale Bandbreite der Ausgangsstrahlung des Master-Oszillators mittels einer wellenlängenselektiven Einrichtung reduziert und dann in den optisch- parametrischen Leistungsoszillator als sogenannte Injektions-Strah lung (üblicherweise als Seed-Strahlung bezeichnet) eingegeben. In dieser bekannten Anordnung ist auch der Master-Oszillator ein OPO. Beide optisch-parametrischen Oszillatoren werden mittels desselben Pumplasers gepumpt. Zu diesem Zweck werden die Pumpimpul se des Pumplasers mittels mindestens eines Strahlteilers in zwei Teilimpulse aufgeteilt, die in der Regel unterschiedliche Energien aufweisen. Um mit einer solchen bekannten Anordnung schmalbandige Ausgangsstrahlung zu erzeugen, ist es notwendig, daß die im Master-Oszillator erzeugte schmalbandige Seed-Strahlung den Leistungsoszillator etwa zu einem Zeitpunkt erreicht, zu dem auch der Teilimpuls des Pumplasers den Kristall des optisch- parametrischen Leistungsoszillators pumpt. Aufgrund der endlichen Anschwingzeit des Master-Oszillators (typischerweise einige Nanosekunden) ist eine optische Verzögerungsstrecke im Strahlengang desjenigen Teilimpulses, der den Leistungsoszillator pumpt, erforderlich, um der Anschwingzeit Rechnung zu tragen und dafür zu sorgen, daß der Pumppuls und der Seed-Puls den Kristall zeitlich richtig synchronisiert erreichen. Die Impulsdauer des den OPO-Kristall pumpenden Teilimpulses liegt typischerweise im Bereich einiger Nanosekunden.

Als Pumplaser werden heute weithin Nd:YAG Laser verwendet, zumeist gütegeschaltete Nd:YAG Laser mit instabilen Resonatoren, nachge schalteten Verstärkern und anschließender Frequenzverdoppelung oder -verdreifachung. Bei solchen Pumplasern (und auch anderen Pumplasern) ist das räumliche Strahlprofil direkt am Laseraustritt noch relativ homogen. Aufgrund von Beugungseffekten nimmt aber die räumliche Homogenität des Ausgangsstrahles des Pumplasers nach einigen Metern stark ab. Erst im sogenannten Fernfeld (nach deutlich mehr als 10 Metern Ausbreitung des Strahls) verbessert sich die Strahlhomogenität wieder, und die Intensitätsverteilung über den Querschnitt des Strahls entspricht dann annähernd einer Gauß-Kurve.

Die oben angesprochene optische Verzögerungsstrecke für den Teilimpuls, der den Kristall des OPO pumpt, muß aufgrund der Gegebenheiten (insbesondere der Anschwingzeit des Master-Oszilla tors) im Bereich von einigen Metern liegen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese erzwungene Verzögerungsstrecke im Bereich von einigen Metern dazu führt, daß aufgrund des inhomogenen Strahlprofils des pumpenden Teilimpul ses es zu einer inhomogenen Anregung des Kristalls im optisch-para metrischen Oszillator kommt und demzufolge auch zu einem inhomoge nen Strahlprofil der schmalbandigen Ausgangsstrahlung des optisch- parametrischen Oszillators. Darüber hinaus haben die vorstehend genannten Inhomogenitäten im pumpenden Strahlprofil auch lokale Intensitätsspitzen zur Folge, die Zerstörungen von optischen Komponenten nach sich ziehen können. Auch können Inhomogenitäten im Strahlprofil des den Kristall des OPO pumpenden Teilimpulses selbst lokale Zerstörungen im OPO-Kristall zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schmalbandige, abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Homogenität der Ausgangsstrahlung verbessert ist und die Gefahr der Zerstörung von optischen Kompo nenten vermindert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Strahlen gang zwischen dem Pumplaser und dem optisch-parametrischen Oszilla tor optisch abbildende Elemente angeordnet sind, die das räumliche Strahlprofil der zweiten Teilimpulse, so wie es am Ausgang des Pumplasers vorliegt, hinsichtlich der Amplitude und Phase in den Kristall des optisch-parametrischen Oszillators oder des optisch-parametrischen Leistungsverstärkers abbilden. Bevorzugt wird das Strahlprofil der zweiten Teilimpulse, so wie es am Ausgang des Pumplasers vorliegt, nicht nur hinsichtlich der Amplitude und Phase, sondern auch hinsichtlich der Divergenz des Strahlprofils getreu in den Kristall des optisch-parame trischen Oszillators oder des optisch-parametrischen Leistungs verstärkers abgebildet. In diesem Falle erfolgt die Abbildung im Maßstab 1 : 1. Der Kristall wird also mit einem Strahl gepumpt, dessen Profil im Kristall dem Strahlprofil am Ausgang des Pumplasers möglichst weitgehend entspricht.

Die Erfindung läßt sich sowohl mit optisch-parametrischen Oszil latoren (OPO) als auch mit optisch-parametrischen Verstärkern (OPA) verwirklichen. Letztere (OPA) werden bisweilen auch als optisch-parametrische Leistungsverstärker bezeichnet. Ein "optisch parametrischer Oszillator (OPO)" ist ein optisch-parametrischer Verstärker, um den ein Resonator aufgebaut ist (ähnlich wie ein Laser). Ein "optisch-parametrischer Verstärker (OPA)" hingegen weist im allgemeinen keinen Resonator auf, vielmehr wird er zur Lichtverstärkung genutzt, ähnlich wie ein Lasermedium.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegen die optisch abbildenden Elemente in der Verzögerungsstrecke der den Kristall des OPO oder OPA pumpenden Teilimpulse.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die optisch abbildenden Elemente zwei Linsen aufweisen.

Es ist auch möglich, die Erfindung dadurch zu verwirklichen, daß die optisch abbildenden Elemente einen phasenkonjugierenden Spiegel enthalten. Das Prinzip der Phasenkonjugation ist dem Fachmann als solches bekannt. Als phasenkonjugierender Spiegel kann beispielsweise ein Medium verwendet werden, das starke stimulierte Brillioun-Streuung (SBS) aufweist, beispielsweise CS₂ oder Freon.

Auch ein Raumfilter kann für die optisch abbildenden Elemente vorgesehen sein.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer schmal bandigen, abstimmbaren Quelle für kohärente Strahlung und

Fig. 2 bis 4 weitere Ausführungsbeispiele solcher Quellen.

Gemäß Fig. 1 ist ein Pumplaser 10 vorgesehen, bei diesem Ausfüh rungsbeispiel ein Nd : YAG Laser mit einer Bandbreite von weniger als 0,01 cm^-1 bei 355nm.

Die Ausgangsstrahlung des gepulsten Pumplasers 10 wird mittels eines Strahlteilers 18 in zwei Teilimpulse aufgeteilt, einen ersten, schwächeren Teilimpuls 20, der einen sogenannten Master- Oszillator 14 pumpt, und in einen zweiten, stärkeren Teilimpuls 22, der den optisch-parametrischen Oszillator pumpt. Statt des optisch-parametrischen Oszillators kann auch ein optisch-parame trischer Leistungsverstärker eingesetzt werden.

Der erste Teilimpuls 20 der Pumpstrahlung wird auf den Master- Oszillator 14 gerichtet. Beim hier beschriebenen Ausführungs beispiel ist der Master-Oszillator 14 eine Anordnung aus einer Farbstoffzelle (nicht gezeigt), einem Strahlaufweiter (nicht gezeigt) und einem Gitter (nicht gezeigt), sowie einem Spiegel. Der Master-Oszillator ist also ein Farbstofflaser, dessen Band breite durch ein Gitter stark reduziert ist. Ein solcher Master- Oszillator ist als solches im Stand der Technik bekannt (vgl. die obengenannte Produktbroschüre von LAMBDA PHYSIK).

Der den OPO pumpende Teilimpuls 22 durchläuft eine optische Verzögerungsstrecke 24 und wird über einen Spiegel 26 auf den Kristall gerichtet. Der Kristall des optisch-parametrischen Oszillatars 12 ist hier nicht näher dargestellt, da der optisch- parametrische Oszillator 12 als solches ebenfalls dem Stand der Technik entspricht. Der optisch-parametrische Oszillator gibt schmalbandige kohärente Strahlung ab, die durch Einstellung der Orientierung des Kristalls in Bezug auf die Pumpstrahlen abstimm bar ist.

In als solches bekannter Weise wird die schmalbandige Ausgangs strahlung des Master-Oszillators 14 als sogenannte Seed-Strahlung in den Kristall des optisch-parametrischen Oszillators 12 in jiziert.

Um das Eintreffen des pumpenden Teilimpulses 22 am Kristall des optisch-parametrischen Oszillators 12 und das Eintreffen der Seed-Strahlung zu synchronisieren, durchläuft der Teilimpuls 22 die optische Verzögerungsstrecke 24, die in den Figuren schema tisch angedeutet ist.

Wie eingangs bereits erläutert ist, beträgt die optische Verzöge rungsstrecke 24 aufgrund der geforderten Zeitverzögerung in aller Regel einige Meter, was zur Folge hat, daß der den Kristall des OPO pumpende Teilimpuls 22 keine gute räumliche Homogenität (am Kristall) aufweist. Dies hat zur Folge, daß auch die schmal bandige Ausgangsstrahlung 32 des optisch-parametrischen Oszilla tors entsprechend inhomogen ist.

Um dem abzuhelfen, wird das Strahlprofil des Pumpstrahls hinsichtlich Amplitude, Phase und Divergenz, so wie es direkt am Ausgang 30 des Pumplasers 10 vorliegt, mittels optisch abbildender Elemen te 28 auf bzw. in den Kristall des optisch-parametrischen Oszilla tors 12 abgebildet. Die optisch abbildenden Elemente sind in Fig. 1 schematisch mit dem Bezugszeichen 28 angedeutet. Sie liegen in der Verzögerungsstrecke 24 des Teilimpulses 22.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der optisch abbildenden Elemente 28, nämlich in Form zweier Linsen 28a, 28b. Die übrigen, funktionsgleichen Bauteile sind mit Fig. 1 entsprechenden Bezugs zeichen versehen, so daß sich eine nochmalige Beschreibung erüb rigt. Die zwei Linsen 28a, 28b sind so angeordnet, daß ihr Abstand d etwa der Summe ihrer beiden Brennweiten f₁ und f₂ entspricht. Sie sind so angeordnet, daß die Eigenschaften des Strahlimpulses unmittelbar am Ausgang 30 des Pumplasers 10, nämlich die elektri sche Feldverteilung und die Strahldivergenz, weitestgehend in den Kristall des optisch-parametrischen Oszillators transformiert (abgebildet) werden.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der zuvor beschriebenen Ausführungs beispiele, bei der ein phasenkonjugierender Spiegel 32 verwendet wird. Als phasenkonjugierender Spiegel kann z. B. ein Medium verwendet werden, das starke stimulierte Brillioun-Streuung (SBS) aufweist, wie etwa CS₂ oder Freon. Ein solches SBS-Medium wirkt oberhalb einer bestimmten energetischen Schwelle als Spie gel, der nicht nur die Ausbreitungsrichtung der Strahlung ändert, sondern auch die Phasenfläche der einfallenden elektromagnetischen Welle invertiert, letzteres wird als "Phasenkonjugation" bezeich net. Dies hat zur Folge, daß Phasenveränderungen in der elektromag netischen Feldverteilung, die bei der Ausbreitung der Strahlung über eine bestimmte Strecke L auftreten, nach einer Reflexion an dem phasenkonjugierenden Spiegel und nach erneutem Durchlaufen der Strecke L wieder aufgehoben sind. Stellt man also einen phasenkonjugierenden Spiegel im Abstand L vor den Ausgang des Pumplasers 10, wird der Pumpstrahl reflektiert, und das räumliche Strahlprofil, wie es am Ausgang des Pumplasers 10 vorgelegen hat, wird im reflektierten Strahl nach Durchlaufen der Strecke L genau reproduziert. Beim Ausführungsbespiel gemäß Fig. 3 wird dies dadurch verwirklicht, daß das linear polarisierte Licht des vom Pumplaser 10 abgegebenen Pumpimpulses an einem Polarisa tionsstrahlteiler 26a reflektiert wird und danach eine Viertel wellenlängenplatte 34 durchläuft, die aus der linear polarisierten Pumpstrahlung zirkular polarisierte Strahlung macht. Der Pumpim puls trifft dann auf den phasenkonjugierenden Spiegel 32, der den Pumpimpuls reflektiert und die Phasenfläche umkehrt. Ein erneutes Durchlaufen der Viertelwellenlängenplatte dreht die Polarisation des reflektierten Impulses um 900 gegenüber dem einfallenden Strahl. Der Abstand zwischen dem Ausgang 30 des Pumplasers 10 und dem phasenkonjugierenden Spiegel 32 ist so gewählt, daß er gleich dem Abstand zwischen dem phasenkonjugie renden Spiegel 32 und dem Kristall des optisch-parametrischen Oszillators (OPO) oder des optisch-parametrischen Verstärkers (OPA) ist. Dies bewirkt, daß das Strahlprofil vom Ausgang 30 des Pumplasers direkt in den OPO- oder OPA-Kristall reproduziert wird.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform einer schmalbandigen, abstimmbaren Quelle kohärenter Strahlung, bei der die optisch abbildenden Elemente einen Raumfilter enthalten. Der Raumfilter besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Linsen 29a, 29b und einer Blende 36. Das ganze bildet ein Raumfilter 28c. Die Größe der Blende 36 ist so gewählt, daß bei einer Fokussierung des Pumpimpulses durch die erste Linse 29a möglicherweise auftre tende Nebenmaxima in der räumlichen Intensitätsverteilung durch die Blende 36 abgeschnitten werden, so daß nur das zentrale Maximum der Intensitätsverteilung ungehindert die Blende passieren kann. Da der Abstand der beiden Linsen 29a, 29b wieder so wie in Fig. 2 gewählt ist, wird das räumliche Strahlprofil vom Pumplaserausgang 30 weitestgehend unverfälscht in den OPO/OPA-Kristall abgebildet, wodurch bei geeigneter Wahl des Druchmessers der Blende 36 die Strahlhomogenität noch weiter verbessert werden kann.

Claims

1. Schmalbandige, abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung mit

- einem gepulsten Pumplaser (10) zur Erzeugung von Pumpimpulsen,
- einem optisch-parametrischen Oszillator oder Leistungsverstär ker (12) mit zumindest einem Kristall aus optisch nichtlinea rem Material,
- einem Master-Oszillator (14) zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung (16), die als Seed-Strahlung in den optisch-parame trischen Oszillator oder Leistungsverstärker (12) injiziert wird,
- einem Strahlteiler (18) zum Zerlegen der Pumpimpulse in erste und zweite Teilimpulse, wobei die ersten Teilimpulse (20) den Master-Oszillator pumpen und die zweiten Teilimpulse (22) nach Durchlaufen einer optischen Verzögerungsstrecke (24) den optisch-parametrischen Oszillator oder Leistungsver stärker (12) pumpen,

dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Pumplaser (10) und dem optisch-pa rametrischen Oszillator oder Leistungsverstärker (12) optisch abbildende Elemente (28; 28a, 28b; 28c; 32, 34) angeordnet sind, die das räumliche Strahlprofil der zweiten Teilimpulse (22) vom Ausgang (30) des Pumplasers (10) in Amplitude und Phase in den Kristall des optisch-parametrischen Oszillators oder Leistungs verstärkers (12) abbilden.

2. Schmalbandige, abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch abbildenden Elemente (28; 28a, 28b) in der Verzögerungs strecke (24) der zweiten Teilimpulse (22) liegen.

3. Schmalbandige, abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch abbildenden Elemente zwei Linsen (28a, 28b) aufweisen.

4. Schmalbandige, abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch abbildenden Elemente einen phasenkonjugierenden Spiegel (32) aufweisen.

5. Schmalbandige, abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch abbildenden Elemente einen Raumfilter (28c) aufweisen.

6. Schmalbandige, abstimmbare Quelle kohärenter Strahlung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch abbildenden Elemente (28; 28a; 28b; 28c; 32; 34) das räumliche Strahlprofil der zweiten Teilimpulse (22) vom Ausgang (30) des Pumplasers (10) auch bezüglich der Divergenz getreu in den Kristall des optisch-parametrischen Oszillators oder Leistungsverstärkers (12) abbilden.