DE19836712B4 - Frequency-doubled, diode-pumped solid-state lasers - Google Patents

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Abstract

Frequenzverdoppelter Festkörperlaser, umfassend
– einen einem Laserkristall (5) nachgeordneten, nach Typ II frequenzverdoppelnden innerhalb einer Laserkavität angeordneten, nicht linearen Kristall (6) und
– ein optisches Element (7) innerhalb der Kavität, welches dem frequertzverdoppelnden Kristall (6) vor- oder nachgeordnet ist und die Polarisationsrichtung eines jeden, der entlang der Kristallachsen des frequenzverdoppelnden Kristalls (6) ausgesandten und linear polarisierten Anteils des Lichtes, bei doppeltem Durchgang durch das optische Element (7), in einen Polarisationszustand bringt, der bezüglich der zu den Hauptachsen des optischen Elements im 45°-Winkel liegenden Richtung symmetrisch ist,
wobei das optische Element (7) die Wirkung einer λ/8-Platte hat.Frequency doubled solid state laser comprising
- A laser crystal (5) downstream, frequency-doubling type II arranged within a laser cavity, non-linear crystal (6) and
- An optical element (7) within the cavity, which is before or after the frequertzverdoppelnden crystal (6) and the polarization direction of each, along the crystal axes of the frequency doubling crystal (6) emitted and linearly polarized portion of the light, with double passage brought into a polarization state by the optical element (7) which is symmetrical with respect to the direction at 45 ° to the principal axes of the optical element,
wherein the optical element (7) has the effect of a λ / 8 plate.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen frequenzverdoppelten, diodengepumpten Festkörperlaser mit stabilisierter Ausgangsleistung, insbesondere für Anwendungen in der Augenheilkunde.The The invention relates to a frequency doubled, diode pumped solid state laser with stabilized output power, especially for applications in ophthalmology.

Aus „OPTICS LEITERS", October 1988, Vol. 13, No. 10, Seiten 805 bis 807, ist ein diodengepumpter Nd:YAG Laser vom Typ II mit stabilisiertem Ausgang beschrieben, welcher als frequenzverdoppelndes Element einen Typ II phasenangepaßten, nichtlinearen Kristall aus Kaliumtitanylphosphat (KTP) besitzt, bei welchem zur Frequenzverdoppelung zwei Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen notwendig sind.From "OPTICS LEITERS, "October 1988, Vol. 13, no. 10, pages 805-807, is a diode-pumped one Nd: YAG type II laser with stabilized output, which as a frequency doubling element a type II phase-matched, non-linear Has crystal of potassium titanyl phosphate (KTP) in which Frequency doubling two beams with different polarization directions necessary.

Im Falle einer solchen Typ II-Frequenzverdopplung der Ausgangsstrahlung kann nicht mit einer polarisierten Grundwellenlänge gearbeitet werden, da die betreffenden frequenzverdoppelnden Kristalle, wie z. B. KTP, Anteile in zwei Polarisationsrichtungen benötigen. Es sind dieses ein ordentlicher und ein außerordentlicher Strahl. Ohne ein polarisierendes Element wird in diesem Falle nur eine instabile Ausgangsleistung erreicht. Diese Instabilität, welche durch die Kopplung der Polarisationsmoden der Grundwelle bewirkt wird, kann wirkungsvoll durch Einführung einer Lambda-Viertel-Platte (λ/4-Platte oder quarter-wave plate QWP) innerhalb der Kavität des Lasers unterdrückt werden. Um diesem sogenannten „green Problem" zu begegnen und eine Entkopplung der Polarisationsmoden und eine Stabilisierung zu bewirken, wird üblicherweise die genannte QWP für die Grundwellenlänge verwendet, deren Achsen im Winkel von 45° zu den Kristallachsen des verdoppelnden Kristalls gestellt sind. Nach Oka und Kubota wird hierbei eine Entkopplung von Polarisationsmoden und damit eine Stabilisierung bewirkt. Die theoretische Begründung setzt dabei voraus, daß es Polarisation-Eigenzustände im Resonator gibt, das heißt, daß der Polarisationszustand des Lichtes nach einem Resonatorumlauf (Durchlauf des Lichtes) erhalten bleiben muß.in the Case of such type II frequency doubling of the output radiation can not be worked with a polarized fundamental wavelength, as the relevant frequency doubling crystals, such as. B. KTP, shares in two polarization directions. It's a neat one and an extraordinary one Beam. Without a polarizing element in this case only reached an unstable output. This instability caused by the coupling of the polarization modes of the fundamental wave is effected, can be effective through introduction a quarter-wave plate (λ / 4 plate or quarter-wave plate QWP) within the cavity of the laser are suppressed. To this so-called "green Problem "to counter and a decoupling of polarization modes and stabilization It is usually done the named QWP for the fundamental wavelength used, whose axes are at an angle of 45 ° to the crystal axes of the doubling Crystals are put. After Oka and Kubota this is a decoupling of polarization modes and thus causes a stabilization. The theoretical Reason assumes that there are polarization eigenstates in the resonator there, that is, that the Polarization state of the light after a Resonatorumlauf (run of the light) must be preserved.

In der Schrift „Intracavity Doubling of CW Diode-Pumped Nd:AG Lasers with KTP" von D.W. Anthon et al. (IEEE J. Quantum Electronics April 1992, Vol. 28, No. 4, Seiten 1148 bis 1157), wird die Lösung nach Oka und Kubota durch das Einbringen einer zweiten λ/4-Platte in die Laserkavität ergänzt, um Beschädigungen des Laserkritalls durch „spatial hole burning" zu vermeiden.In the writing "Intracavity Doubling of CW Diode-Pumped Nd: AG Lasers with KTP "by D. W. Anthon et al. (IEEE J. Quantum Electronics April 1992, Vol. 28, No. 4, Pages 1148 to 1157), the solution to Oka and Kubota by the introduction of a second λ / 4 plate into the laser cavity added, for damage of the laser crisis by "spatial hole burning " avoid.

So ist es die Aufgabe der Erfindung, einen frequenzverdoppelnden, diodengepumpten Festkörperlaser zu schaffen, bei welchem durch Beeinflussung der resonatorinternen Polarisationsmoden mit Hilfe eines geeigneten optischen Elementes neben einer Stabilisierung auch eine Erhöhung der Ausgangsleistung erzielbar ist.So It is the object of the invention, a frequency doubling, diode pumped Solid-state lasers to create, in which by influencing the intracavity Polarization modes using a suitable optical element in addition to a stabilization and an increase in the output achievable is.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe der Erfindung bei einem derartigen Festkörperlaser mit den im ersten Anspruch angegebenen Mitteln gelöst. In den übrigen Ansprüchen sind weitere Ausführungen der Erfindung und Einzelheiten derselben beschrieben.According to the invention this Object of the invention in such a solid state laser with the first Claim specified means solved. In the other claims are further explanation of the invention and details thereof.

Dabei ist die erfindungsgemäße λ/8-Platte so im Laserstrahlengang angeordnet, daß deren Hauptachsen mit den Kristallachsen des nichtlinearen Kristalls einen Winkel von 45° einschließen. Der nicht lineare, frequenzverdoppelnde Kristall, vorzugsweise KTP, bewirkt aufgrund seiner doppelbrechenden Eigenschaften eine Aufspaltung der Polarisationsmoden der Grundwellenlänge in zu den Kristallachsen linearen Anteilen. Durch den Einsatz des so geschaffenen und angeordneten, optischen Elementes wird erreicht, daß jeder dieser Anteile nach zweimaligem Durchgang durch das optische so beeinflußt wird, daß dem frequenzverdoppelnden KTP-Kristall wieder beide Polarisationsanteile in gleicher Größe zur Verfügung stehen, wodurch eine optimale Frequenzverdopplung ermöglicht wird.there is the λ / 8 plate according to the invention so arranged in the laser beam path that their main axes with the Crystal axes of the nonlinear crystal at an angle of 45 °. Of the non-linear, frequency-doubling crystal, preferably KTP, causes splitting due to its birefringent properties the polarization modes of the fundamental wavelength in to the crystal axes linear shares. Through the use of the so created and arranged, optical element is achieved that each of these shares after twice pass through the optical is so affected that the frequency doubling KTP crystal again both polarization components in the same size are available, whereby an optimal frequency doubling is possible.

Eine Möglichkeit, in das optische Element weitere Funktionen zu integrieren, besteht u. a. darin, daß durch eine entsprechende Verspiegelung an optisch wirksamen Flächen dieses Elementes die in Richtung dieses Elementes emittierte Strahlung in Richtung des Auskoppelspiegels zurückgeworfen wird und der direkt austretenden frequenzverdoppelten Strahlung überlagert wird. Somit wird wirksam eine Steigerung der Leistung des Lasers erreicht.A Possibility, exists in the optical element to integrate more functions exists u. a. in that through a corresponding mirroring of optically active surfaces of this Elementes the radiation emitted in the direction of this element is thrown back in the direction of Auskoppelspiegels and directly Exceeding frequency doubled radiation is superimposed. Thus, will effectively achieved an increase in the power of the laser.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn das optische Element so in seiner optisch wirksamen Dicke dimensioniert ist, daß es bezüglich der Drehung der jeweiligen Polarisationsebene für Strahlung mit der Grundwellenlänge wie eine λ/8-Platte wirkt und für die frequenzverdoppelte Strahlung eine λ/4-Platte darstellt.It is also advantageous if the optical element so in its optical dimensioned effective thickness that it is with respect to the rotation of the respective Polarization plane for Radiation with the fundamental wavelength like a λ / 8-plate works and for the frequency doubled radiation represents a λ / 4 plate.

Damit wird eine interferenzfreie Überlagerung mit dem direkten Strahl erreicht und eine Rückkonversion des frequenzverdoppelten Strahls in einen Strahl mit der Grundwellenlänge beim erneuten Durchgang des Lichtes durch den besagten Kristall verhindert.In order to becomes an interference-free overlay achieved with the direct beam and a reverse conversion of the frequency doubled Beam into a beam with the fundamental wavelength on re-passage of the light prevented by the said crystal.

Die λ/8-Platte ist vorteilhaft anwendbar bei einem durch Laserdioden gepumpten Festkörperlaser mit einem Typ II-phasenangepaßten, nichtlinearen, frequenzverdoppelnden Kristall, wie beispielsweise KTP. Ihre Anwendung ist jedoch nicht auf einen solchen beschränkt, Die erfindungsgemäße Anordnung der λ/8-Platte bei einem frequenzverdoppelnden, durch Laserdioden gepumpten Festkörperlaser bewirkt, daß ein konstanter und optimaler Wirkungsgrad der Frequenzkonversionerreicht wird, daß Schwankungen der Strahlung weitestgehend unterdrückt werden und daß die Ausgangsleistung der frequenzverdoppelten Strahlung erhöht wird.The λ / 8 plate is advantageously applicable to a solid state laser pumped by laser diodes with a type II phase matched, nonlinear, frequency doubling crystal such as KTP. However, their application is not limited to such. The inventive arrangement of the λ / 8 plate in a frequency-doubling laser diode pumped solid-state laser causes a constant and optimum frequency conversion efficiency to be achieved Variations in the radiation are largely suppressed and that the output power of the frequency doubled radiation is increased.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung ist schematisch ein erfindungsgemäßer Festkörperlaser dargestellt.The Invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the drawing is schematically a solid state laser according to the invention shown.

Der in der Zeichnung schematisch dargestellte frequenzverdoppelte Festkörperlaser umfaßt in der dargestellten Reihenfolge von links nach rechts eine Pumplichtquelle 1, welche eine oder mehrere Laserdioden oder andere geeignete lichtaussendende Elemente umfaßt, eine Einkoppeloptik 2 für das Pumplicht und die Laserkavität begrenzende Reflektoren im Form eines Spiegels 3 und eines die frequenzverdoppelte Strahlung auskoppelnden Auskoppelspiegels 4, welche beispielsweise als Spiegel mit konkaven Reflexionsflächen dargestellt sind. Es sind aber durchaus auch Spiegel mit ebenen Reflexionsflächen mit entsprechender Beschichtung denkbar.The frequency-doubled solid state laser shown schematically in the drawing comprises in the order shown from left to right a pump light source 1 comprising one or more laser diodes or other suitable light-emitting elements, a coupling-in optics 2 for the pump light and the laser cavity limiting reflectors in the form of a mirror 3 and a decoupling mirror which decouples the frequency-doubled radiation 4 , which are shown for example as a mirror with concave reflection surfaces. But there are also mirror with flat reflective surfaces with appropriate coating conceivable.

Innerhalb der Laserkavität sind ein Licht mit der Grundwellenlänge aussendender Laserkristall 5 sowie ein nichtlinearer, nach Typ II die Frequenz des Laserlichtes verdoppelnder Kristall 6 aus KTP oder einem anderen geeigneten Material, wie LiNbO3 oder LiIO3, angeordnet. Zwischen dem Laserkristall 5, und dem nach Typ II frequenzverdoppelnden, nichtlinearen Kristall ist ein vorteilhaft aus Quarz hergestelltes optisches Element, welches in seiner optischen Wirkung für die Grundwellenlänge eine λ/8-Platte 7 darstellt, innerhalb der Laserkavität angeordnet. Die λ/8-Platte 7 ist so im Laserstrahlengang innerhalb der Laserkavität angeordnet, daß deren Hauptachsen mit den Kristallachsen des nichtlinearen verdoppelnden Kristalls 6 einen Winkel von 45° einschließen, womit erreicht wird, daß dem verdoppelnden Kristall 6 zwei gleiche Leistungsanteile von Strahlen mit der Grundwellenlänge zugeleitet werden, wodurch ein nahezu konstanter und optimaler Wirkungsgrad der Frequenzkonversion, eine Unterdrückung von Schwankungen und eine Erhöhung der Ausgangsleistung der verdoppelten Strahlung erzielt werden. Die dem verdoppelnden Kristall 6 zugewandte Fläche der λ/8-Platte 7 ist mit einer, das in seiner Frequenz verdoppelte Licht reflektierenden Schicht 10 versehen. So wird bewirkt, daß das durch den Kristall 6 auch in Richtung der λ/8-Platte 7 emittierte, frequenzverdoppelte Licht in Richtung des Auskoppelspiegels 4 zurückgeworfen und der direkt austretenden verdoppelten Strahlung überlagert wird. Eine andere Möglichkeit der Strahlengestaltung und -führung innerhalb der Kavität besteht darin, die λ/8-Platte 7 so auszugestalten; daß eine interferenzfreie Überlagerung mit dem direkten Licht erzielt und eine Rückkonversion in die Grundwellenlänge beim erneuten Durchlaufen des Kristalls 6 verhindert wird.Within the laser cavity are a light with the fundamental wavelength emitting laser crystal 5 and a nonlinear crystal doubling the frequency of the laser light according to type II 6 of KTP or other suitable material, such as LiNbO 3 or LiIO 3 . Between the laser crystal 5 and the type II frequency-doubling non-linear crystal is an optical element advantageously made of quartz which has a λ / 8 plate in its optical action for the fundamental wavelength 7 represents, disposed within the laser cavity. The λ / 8 plate 7 is disposed in the laser beam path within the laser cavity such that its major axes coincide with the crystal axes of the nonlinear doubling crystal 6 enclose an angle of 45 °, thus achieving that of the doubling crystal 6 two equal power components of fundamental wavelength beams are supplied, whereby a nearly constant and optimal frequency conversion efficiency, suppression of variations and an increase in the output power of the double radiation are achieved. The crystal doubling 6 facing surface of the λ / 8 plate 7 is with one, in its frequency doubled light reflective layer 10 Mistake. This will cause that through the crystal 6 also in the direction of the λ / 8 plate 7 emitted, frequency-doubled light in the direction of the coupling-out mirror 4 thrown back and superimposed on the directly exiting double radiation. Another possibility of beam design and guidance within the cavity is the λ / 8 plate 7 to do so; that achieves an interference-free superimposition with the direct light and a return conversion into the fundamental wavelength when the crystal is re-traversed 6 is prevented.

Hierzu ist das optische Element in Form der λ/8-Platte 7 in seiner optisch wirksamen Dicke so dimensioniert, daß es bezüglich des Drehung der jeweiligen Polarisationsebene für Strahlung mit der Grundwellenlänge wie eine λ/8-Platte wirkt und für die frequenzverdoppelte Strahlung in ihrer optischen Wirkung eine λ/4-Platte darstellt.For this purpose, the optical element in the form of λ / 8-plate 7 dimensioned in its optically effective thickness so that it acts with respect to the rotation of the respective polarization plane for radiation with the fundamental wavelength as a λ / 8-plate and represents a λ / 4-plate for the frequency-doubled radiation in their optical effect.

Die Retroreflektion für die frequenzverdoppelte Strahlung kann in diesem Falle von einer entsprechenden Verspiegelung 12 auf den optischen Element 7 oder durch die Beschichtung 11 auf dem Laserkristall 5 übernommen werden. Auch bei 10 kann eine entsprechende Schicht vorgesehen sein. Auf diese Weise kann die frequenzverdoppelte Strahlung, die der Verdopplerkristall 6 in der falschen Richtung verläßt, zurückreflektiert werden, so daß auch dieser Leistungsanteil ausgenutzt werden kann.The retroreflection for the frequency-doubled radiation can in this case by a corresponding mirroring 12 on the optical element 7 or through the coating 11 on the laser crystal 5 be taken over. Also at 10 a corresponding layer can be provided. In this way, the frequency doubled radiation, the doubler crystal 6 leaves in the wrong direction, be reflected back, so that this power component can be exploited.

Will man noch zusätzlich erreichen, daß diese zurückreflektierte frequenzverdoppelte Strahlung keine ungewünschten, ungünstigen Interferenzen bewirkt oder im verdoppelnden Kristall (KTP-Kristall) rückkonvertiert wird, ist es günstig, die Verspiegelung 12 anstelle der Beschichtung 10 an der λ/8-Platte 7 vorzusehen.If it is desired to additionally achieve that this back-reflected frequency-doubled radiation causes no undesired, unfavorable interference or is converted back in the doubling crystal (KTP crystal), it is favorable to use the mirroring 12 instead of the coating 10 at the λ / 8-plate 7 provided.

In an sich bekannter Weise ist der Spiegel 3 mit einer das Licht des Laserkristalls 5 (Licht mit der Grundfrequenz) reflektierenden, jedoch das Pumplicht durchlassenden Beschichtung 8 versehen. Der Auskoppelspiegel 4 ist dagegen mit einer das Laserlicht (Grundfrequenz) des Laserkristalls 5 reflektierenden, jedoch das durch den Kristall in seiner Frequenz verdoppelte Licht durchlassenden Beschichtung 9 belegt.In known manner is the mirror 3 with one the light of the laser crystal 5 (Light with the fundamental frequency) reflective, but the pump light transmitting coating 8th Mistake. The Auskoppelspiegel 4 on the other hand, with one is the laser light (fundamental frequency) of the laser crystal 5 reflective, but the light passing through the crystal in its frequency doubled coating 9 busy.

Claims (5)

Frequenzverdoppelter Festkörperlaser, umfassend – einen einem Laserkristall (5) nachgeordneten, nach Typ II frequenzverdoppelnden innerhalb einer Laserkavität angeordneten, nicht linearen Kristall (6) und – ein optisches Element (7) innerhalb der Kavität, welches dem frequertzverdoppelnden Kristall (6) vor- oder nachgeordnet ist und die Polarisationsrichtung eines jeden, der entlang der Kristallachsen des frequenzverdoppelnden Kristalls (6) ausgesandten und linear polarisierten Anteils des Lichtes, bei doppeltem Durchgang durch das optische Element (7), in einen Polarisationszustand bringt, der bezüglich der zu den Hauptachsen des optischen Elements im 45°-Winkel liegenden Richtung symmetrisch ist, wobei das optische Element (7) die Wirkung einer λ/8-Platte hat.Frequency-doubled solid state laser, comprising - a laser crystal ( 5 ), type II frequency-doubling within a laser cavity arranged, non-linear crystal ( 6 ) and - an optical element ( 7 ) within the cavity, which is the frequency doubling crystal ( 6 ), and the direction of polarization of each along the crystal axes of the frequency-doubling crystal ( 6 ) emitted and linearly polarized portion of the light, with double passage through the optical element ( 7 ) is brought into a polarization state that is symmetrical with respect to the direction lying at the main axes of the optical element in the 45 ° angle, wherein the optical element ( 7 ) has the effect of a λ / 8 plate. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (7) eine λ/8-Platte ist, welche vorzugsweise aus Quarz besteht.Solid state laser according to claim 1, characterized in that the optical element ( 7 ) is a λ / 8 plate, which preferably be made of quartz stands. Festkörperlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die λ/8-Platte (7) so innerhalb der Laserkavität angeordnet ist, dass deren Hauptachsen mit den Kristallachsen des nicht linearen Kristalls (6) einen Winkel von 45° einschließen.Solid state laser according to Claim 2, characterized in that the λ / 8 plate ( 7 ) is arranged within the laser cavity such that their major axes are aligned with the crystal axes of the non-linear crystal ( 6 ) enclose an angle of 45 °. Festkörperlaser nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (7) für die Wellenlänge der frequenzverdoppelten Strahlung verspiegelt ist.Solid-state laser according to one of the preceding claims, characterized in that the optical element ( 7 ) is mirrored for the wavelength of the frequency-doubled radiation. Festkörperlaser nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser durch Laserdioden gepumpt ist.Solid-state lasers according to one of the preceding claims, characterized in that the solid-state laser by laser diodes is pumped.
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