DE19955599B4

DE19955599B4 - Laser mit Wellenlängenumwandlung und Bearbeitungsvorrichtung mit einem solchen Laser

Info

Publication number: DE19955599B4
Application number: DE19955599A
Authority: DE
Inventors: Susumu Konno; Koji Yasui; Kenji Kumamoto; Kuniaki Iwashiro
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: US6347102B1; CN1178343C; KR100411456B1; JP2000150999A; JP3977529B2; KR20000047672A; CN1258121A; DE19955599A1; TW453003B

Abstract

Laser mit Wellenlängenumwandlung zum Erzeugen eines Summenfrequenzlaserstrahls,
der folgendes aufweist:
– einen Laserresonator (1, 9);
– ein aktives Festkörperlasermedium (3);
– einen Wellenlängenumwandlungskristall (6) zum Erzeugen der zweiten Harmonischen; und
– einen Wellenlängenumwandlungskristall (7) zum Erzeugen einer Summenfrequenz;
– wobei das aktive Festkörperlasermedium, der Wellenlängenumwandlungskristall (6) zum Erzeugen der zweiten Harmonischen und der Wellenlängenumwandlungskristall (7) zum Erzeugen einer Summenfrequenz innerhalb des Laserresonators angeordnet sind und
– wobei die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls (6) entlang einer optischen Achse kürzer eingestellt ist als diejenige des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls (7), so daß die Leistung der resonatorinternen Erzeugung der Summenfrequenz optimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser mit Wellenlängenumwandlung, der einen Summenfrequenzlaserstrahl hoher Ausgangsleistung und hoher Fokussierbarkeit auf stabile Weise mit hoher Reproduzierbarkeit erzeugen kann, sowie eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung.
15 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausbildung eines herkömmlichen Lasers mit Wellenlängenumwandlung zeigt, der beispielsweise in der JP-OS 148096/1975 (Tokukaishou 50-148096) gezeigt ist. In 15 bezeichnet 1 einen Laserresonatorspiegel mit hohem Reflexionsvermögen in bezug auf einen Grundlaserstrahl, 3 ist ein aktives Festkörperlasermedium, 6c ist ein Wellenlängenumwandlungskristall zur Erzeugung von zweiten Harmonischen, 7c ist ein Umwandlungskristall zur Erzeugung einer Summenfrequenz (Erzeugung von dritten Harmonischen).
9 ist ein Laserresonatorspiegel mit hohem Reflexionsvermögen in bezug auf den Laserstrahl der zweiten Harmonischen und den Grundlaserstrahl, und 18 ist ein Spiegel, der hohes Reflexionsvermögen für den Grundlaserstrahl und außerdem einen hohen Durchlaßgrad für den Laserstrahl der zweiten Harmonischen und den Summenfrequenzlaserstrahl hat.
Bei dem in 15 gezeigten Laser mit Wellenlängenumwandlung wird ein Grundlaserstrahl, der von einem Laserresonator erzeugt wird, der aus den Laserresonatorspiegeln 1, 9 und dem Spiegel 18 sowie dem aktiven Festkörperlasermedium 3 besteht, von dem im Inneren des Laserresonators angeordneten Wellenlängenumwandlungskristall 6c für die Erzeugung der zweiten Harmonischen in einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen teilweise umgewandelt, sowie ein Teil des so erzeugten Laserstrahls der zweiten Harmonischen sowie ein Teil des Grundlaserstrahls werden von dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 7c in einen Laserstrahl der dritten Harmonischen umgewandelt, der als Summenfrequenzlaserstrahl dient.
Der Laserstrahl der zweiten Harmonischen (2ω), der nicht in der Wellenlänge umgewandelt wurde, und der Laserstrahl der dritten Harmonischen (3ω) werden aus dem Spiegel 18 extrahiert. Bei dem oben beschriebenen Laser mit Wellenlängenumwandlung, bei dem der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall und der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall in dem Laserresonator angeordnet sind, um den Summenfrequenzlaserstrahl zu erzeugen, wird der Ausgangswert des Summenfrequenzlaserstrahls dadurch maximiert, daß abwechselnd der Winkel und die Temperatur der jeweiligen Wellenlängenumwandlungskristalle justiert werden.
In dem in 15 gezeigten Fall ist der Laser mit Wellenlängenumwandlung zum Erzeugen des Summenfrequenzlaserstrahls aufgebaut durch Einsetzen des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls und des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls in den Laserresonator.
Der Wirkungsgrad der Wellenlängenumwandlung ist jedoch in Abhängigkeit von dem Winkel und der Temperatur des Wellenlängenumwandlungskristalls unterschiedlich, was dazu führt, daß auch die Eigenschaften des Grundlaserstrahls innerhalb des Laserresonators schwanken können; es ist also schwierig, eine solche Vorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit aufzubauen.
Die Komplexität und die Schwierigkeiten beim Aufbau einer solchen Vorrichtung sind weit größer als beim Bau einer Grundlaserstrahl-Erzeugungsvorrichtung und einer Laserstrahlerzeugungsvorrichtung für die zweite Harmonische, da hier nur ein Wellenlängenumwandlungskristall im Inneren des Laserresonators vorhanden ist.
Außerdem zeigt das japanische Patent Nr. 2654728 einen Laser mit Wellenlängenumwandlung, bei dem ein Wellenlängenumwandlungskristall im Inneren des Laserresonators angeordnet ist; wie bei dem Beispiel in 15 ist es jedoch auch bei Anwendung dieser Vorrichtungen schwierig, eine Vorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit bereitzustellen.
Die beschriebene Komplexität hinsichtlich der Schwankung der Ausgangsleistung des Lasers mit Wellenlängenumwandlung, die von dem Winkel und der Temperatur der Wellenlängenumwandlungskristalle und von bei der Herstellung der Vorrichtung unvermeidlichen Faktoren, wie z.B. Unterschieden der Teile und der Fähigkeiten einzelner Bearbeiter abhängig ist, machen die Herstellung und Massenfertigung von Lasern mit Wellenlängenumwandlung in Fertigungsanlagen usw. schwierig. Komplexe Bearbeitungsvorgänge, die für die Herstellung und die Wartungsarbeiten an der Vorrichtung erforderlich sind, steigern die Fertigungskosten noch weiter. Außerdem werden Facharbeiter benötigt.
Wenn ein Laserstrahl, der von dem oben angegebenen Laser mit Wellenlängenumwandlung erzeugt wird, zum maschinellen Bearbeiten eingesetzt wird, müssen dann, wenn ein Bestandteil des Lasers (etwa ein Halbleiterlaser und eine Lampe für eine Pumplichtquelle, ein Wellenlängenumwandlungskristall und ein optisches Teil, wie etwa ein Spiegel) beschädigt ist und eine Auswechslung notwendig macht, zeitaufwendige Justierungen an der Optik und dem Resonator durchgeführt werden; und manchmal ist es schwierig, auch bei maschineller Bearbeitung unter den gleichen Betriebsbedingungen das gleiche Bearbeitungsergebnis wie vor der Reparatur zu erzielen, da der Laser nicht den gleichen Zustand wie vor der Reparatur reproduziert.
Aus den Veröffentlichungen WO 97/45902 A1 , DE 25 22 338 A1 , DE 195 06 608 A1 und US 5 278 852 sind jeweils Laseranordnungen bekannt, bei denen Verdopplungs- und Summenfrequenz-Kristalle im Resonator eingesetzt werden, die auch als „intra-cavity" – Bauformen bezeichnet werden. Aus der zuletzt genannten Druckschrift ist es auch bekannt, daß Verdopplungs- und Summenfrequenz-Kristalle sich in ihren Längen unterscheiden können.
Gemäß der Erfindung wird daher ein Laser mit Wellenlängenumwandlung zum Erzeugen eines Summenfrequenzlaserstrahls angegeben, der folgendes aufweist:
einen Laserresonator;
ein aktives Festkörperlasermedium;
einen Wellenlängenumwandlungskristall zum Erzeugen der zweiten Harmonischen; und
einen Wellenlängenumwandlungskristall zum Erzeugen einer Summenfrequenz;
wobei das aktive Festkörperlasermedium, der Wellenlängenumwandlungskristall zum Erzeugen der zweiten Harmonischen und der Wel lenlängenumwandlungskristall zum Erzeugen einer Summenfrequenz innerhalb des Laserresonators angeordnet sind und
wobei die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls entlang einer optischen Achse kürzer eingestellt ist als diejenige des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls, so daß die Leistung der resonatorinternen Erzeugung der Summenfrequenz optimiert wird.
Mit einem derartigen Laser ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Charakteristik der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls, die von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls abhängig ist, zu vereinfachen und somit einen Laser mit Wellenlängenumwandlung hoher Reproduzierbarkeit und einfacher Handhabung zu bauen.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall als Wellenlängenumwandlungskristall zum Erzeugen der dritten Harmonischen dient.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall eine Vielzahl von Wellenlängenumwandlungskristallen aufweist.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall zwei Wellenlängenumwandlungskristalle aufweist, um einen Laserstrahl der vierten Harmonischen zu erzeugen.
Die vorstehend genannten Maßnahmen tragen dazu bei, einen Laser mit Wellenlängenumwandlung mit hoher Reproduzierbarkeit und einfacher Handhabbarkeit zu bauen.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall zwischen dem aktiven Festkörperlasermedium und dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall positioniert ist.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß der Laser ein Resonatorgütewert-Modulationselement in dem Resonator aufweist. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad verbessert wird. Insbesondere ist es möglich, die Schwankung der Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen sowie die Grundleistungsschwankung im Inneren des Resonators zu glätten und zu vereinfachen und somit die Winkelabhängigkeit der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls von dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall zu vereinfachen.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß der Laser eine Winkeljustiereinrichtung aufweist, die den Winkel von wenigstens einem der Wellenlängenumwandslungskristalle mit einer Präzision von nicht mehr als ±0,1° justiert. Auf diese Weise kann die Handhabung des Lasers mit Wellenlängenumwandlung, die bisher wegen der komplexen Winkelabhängigkeit schwierig ist, vereinfacht werden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß der Laser eine Temperaturjustiereinrichtung aufweist, die die Temperatur von wenigstens einem der Wellenlängenumwandlungskristalle mit einer Präzision von nicht mehr als ±0,5°C justiert. Damit kann die Handhabung des Lasers mit Wellenlängenumwandlung, die bisher die Temperatursteuerung des Wellenlängenumwandslungskristalls erfordert hat und infolge der komplexen Winkelabhängigkeit des Wellenlängenumwandlungskristalls bisher schwierig war, vereinfacht werden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß der Laser ein Polarisationssteuerungselement in dem Resonator aufweist. Auf diese Weise ist es in vorteilhafter Weise möglich, den stabilen Laser mit Wellenlängenumwandlung mit hoher Reproduzierbarkeit und hohem Wirkungsgrad dahingehend zu verbessern, daß er eine verbesserte Reproduzierbarkeit besitzt und einfach zu handhaben ist.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß das aktive Festkörperlasermedium aus einem Material aus der Gruppe Nd:YAG, Nd:YLF und Nd:YVO₄ besteht. Mit diesen Maßnahmen ist es möglich, den Laser mit Wellenlängenumwandlung mit hoher Reproduzierbarkeit, hohem Wirkungsgrad und kurzer Impulsdauer dahingehend zu verbessern, daß er eine noch höhere Reproduzierbarkeit besitzt und einfach zu handhaben ist.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß ein LBO(LiB₃O₅)-Kristall wenigstens entweder als der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall oder als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall verwendet wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Laser mit Wellenlängenumwandlung dahingehend zu verbessern, daß er eine noch höhere Reproduzierbarkeit besitzt und einfach zu handhaben ist.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß die Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls nicht geringer als 1 Watt ist. Auch unter der Bedingung, daß eine Abweichung des Phasenanpassungswinkels infolge von thermisch bedingter Verwerfung, Beschädigungen der optischen Elemente und Temperaturschwankungen in dem Wellenlängenumwandlungskristall vorhanden sind, ist es dadurch, daß der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall kurz und die Toleranz des Phasenanpassungswinkels groß ist, bei einer derartigen Vorrichtung möglich, einen stabilen Laser mit Wellenlängenumwandlung mit hoher Reproduzierbarkeit und hohem Erzeugungs-Wirkungsgrad zu bauen, der auch dann einfach zu handhaben ist, wenn die mittlere Ausgangsleistung hoch ist.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers ist vorgesehen, daß der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall und der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall zu einem integrierten Wellenlängenumwandlungselement ausgebildet sind, so daß die Temperatur oder der Winkel der Wellenlängenumwandlungskristalle integral justiert werden.
Auch dann, wenn die Wellenlängenumwandlungskristalle Temperaturänderungen unterworfen sind, obwohl der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall und der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall, bei denen im allgemeinen eine jeweils verschiedene Änderung der Toleranz des Phasenanpassungswinkels infolge von Temperaturen eintritt, integral ausgebildet sind, ist bei einem solchen Laser die Anordnung so getroffen, daß die Phasenanpassungswinkel-Toleranzen der beiden Kristalle einander bis zu einem Wert überlappen dürfen, der im praktischen Betrieb nicht zu einem Problem führt. Damit ist es möglich, einen stabilen Laser zu bauen.
Des weiteren wird gemäß der Erfindung eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Bearbeitungsobjektes angegeben, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Ausgangslaserstrahl verwendet wird, der von dem erfindungsgemäßen Laser mit Wellenlängenumwandlung der vorstehend angegebenen Art als Lichtquelle erzeugt wird.
Damit steht eine kostengünstige Vorrichtung zur Verfügung, die die Bearbeitung eines Bearbeitungsobjektes mit hoher Reproduzierbarkeit und hoher Präzision sowie über einen langen Zeitraum stabil ausführen kann und außerdem einfach zu warten ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine Anordnung des Lasers mit Wellenlängenumwandlung der Ausführungsformen 1 bis 8 gemäß der Erfindung;
2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der mittleren Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen von einem Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls im Fall einer außerhalb des Hohlraums erfolgenden Frequenzumwandlung zeigt, wobei ein Frequenzumwandlungskristall außerhalb des Resonators angeordnet ist;
3 ein Diagramm, das die Kristallwinkelabhängigkeit der Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen im Fall der im Hohlraum erfolgenden Frequenzumwandlung zeigt, wobei ein Frequenzumwandlungskristall in dem Resonator angeordnet ist;
4 ein Diagramm, das die Kristallwinkelabhängigkeit der mittleren Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls zeigt, der unter Verwendung des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls und des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls erzeugt wird, die in dem Laserresonator angeordnet sind;
5 ein Diagramm der Kristallwinkelabhängigkeit der mittleren Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen im Fall der Verwendung eines langen, die zweite Harmonische erzeugenden Frequenzumwandlungskristalls;
6 ein Diagramm der Kristallwinkelabhängigkeit der Leistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen im Fall der Verwendung eines kurzen, die zweite Harmonische erzeugenden Frequenzumwandlungskristalls;
7 ein Diagramm der Kristallwinkelabhängigkeit der mittleren Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls im Fall der Verwendung eines langen, die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls;
8 ein Diagramm der Kristallwinkelabhängigkeit der mittleren Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls im Fall der Verwendung eines kurzen, die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls;
9 ein Diagramm zur Erläuterung der Änderung der Leistung des Summenfrequenzlaserstrahls in Abhängigkeit von der Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls;
10 eine Anordnung der neunten Ausführungsform der Erfindung;
11 eine Anordnung der zehnten Ausführungsform der Erfindung;
12 eine Anordnung der elften Ausführungsform der Erfindung;
13 eine Anordnung der zwölften Ausführungsform der Erfindung;
14 eine Anordnung zur der Anwendung des Lasers gemäß der Erfindung; und
15 eine Anordnung eines herkömmlichen Lasers mit Wellenlängenumwandlung.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
1 zeigt schematisch den Aufbau der Ausführungsform 1 der Erfindung. In 1 bezeichnet 1 einen Laserresonatorspiegel, der in bezug auf einen Grundlaserstrahl 2 ein hohes Reflexionsvermögen hat, 2 ist ein Polarisator, wie etwa eine Brewstersche Platte, zur Steuerung der Polarisation des Grundlaserstrahls im Inneren des Resonators, 3 ist ein aktives Festkörperlasermedium, 4 ist ein Spiegel, der für den Grundlaserstrahl hohes Reflexionsvermögen und außerdem einen hohen Durchlaßgrad für den Laserstrahl der zweiten Harmonischen hat.
5 ist ein Spiegel, der einen hohen Durchlaßgrad für den Summenfrequenzlaserstrahl und außerdem ein hohes Reflexionsvermögen für den Laserstrahl der zweiten Harmonischen und den Grundlaserstrahl hat, 6 ist ein die zweite Harmonische erzeugender Wellenlängenumwandlungskristall zum Erzeugen eines Laserstrahls der zweiten Harmonischen.
7 ist ein Summenfrequenzerzeugungs-Wellenlängenumwandlungskristall zum Erzeugen des Summenfrequenzlaserstrahls (oder des Laserstrahls der dritten Harmonischen), 8 ist eine Güteschalteinrichtung, die als Resonatorgütefaktor-Modulationselement dient, und 9 ist ein Laserresonatorspiegel mit hohem Reflexionsvermögen für den Grundlaserstrahl und den Laser strahl der zweiten Harmonischen. 20 bezeichnet ferner eine optische Achse der Laserschwingung.
Wie die Figur zeigt, ist die Länge l_2ω in Richtung der optischen Achse des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 6 kürzer als die Länge l_3ω in Richtung der optischen Achse des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 7 eingestellt.
In dem in 1 gezeigten Laser mit Wellenlängenumwandlung wird ein linear polarisierter Grundimpulslaserstrahl erzeugt von den Laserresonatorspiegeln 1 und 9, die einen Laserresonator bilden, den Spiegeln 4 und 5, die als Umlenkspiegel in bezug auf den Grundstrahl dienen, dem aktiven Festkörperlasermedium 3, dem Polarisator 2 und der Güteschalteinrichtung 8, und ein Teil dieses Strahls wird von dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 6, der im Inneren des Laserresonators angeordnet ist, in einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen umgewandelt.
Ein Teil des so erzeugten Laserstrahls der zweiten Harmonischen und ein Teil des Grundlaserstrahls, der nicht in den Laserstrahl der zweiten Harmonischen umgewandelt worden ist, werden zu einem Laserstrahl der dritten Harmonischen, der als Summenfrequenzlaserstrahl dient, von dem im Inneren des Laserresonators angeordneten, die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 7 umgewandelt. Der so erzeugte Laserstrahl der dritten Harmonischen (3ω) wird aus dem Spiegel 5 extrahiert, und der Laserstrahl der zweiten Harmonischen (2ω) wird aus dem Spiegel 4 extrahiert.
Gemäß der Erfindung wurde dabei erstmals erkannt, daß die Anordnung, bei der die Länge l_2ω in Richtung der optischen Achse des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenum wandlungskristalls 6 kürzer als die Länge l_3ω in Richtung der optischen Achse des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 7 vorgegeben ist, es ermöglicht, nachteilige Auswirkungen auf die Erzeugung des Summenfrequenzlaserstrahls zu vermindern, die durch den Winkel und die Temperatur des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls hervorgerufen werden, so daß ein hoher Summenfrequenzerzeugungs-Wirkungsgrad erhalten wird. Die nachstehende Beschreibung erläutert die Gründe für diesen Fortschritt.
Zur Erläuterung der Abhängigkeit der Ausgangsleistung des Laserstrahls von dem Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls bei der Summenfrequenzerzeugung im Inneren des Hohlraums wird zuerst die Wellenlängenumwandlung außerhalb des Resonators erläutert, d. h. die Abhängigkeit der Ausgangsleistung des Laserstrahls bei der Erzeugung der zweiten Harmonischen von dem Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls, wenn der Wellenlängenumwandlungskristall sich außerhalb des Resonators befindet.
2 zeigt schematisch die Abhängigkeit der Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen von dem Winkel θ des Wellenlängenumwandlungskristalls um den Phasenanpassungswinkel θ₀, angegeben in dem Dokument "Handbook of Nonlinear Optical Crystals" (Second, Revised and Updated Edition (Springer Verlag)), etc.
Der Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls auf der Horizontalachse ist bezeichnet unter Anwendung der Winkelabweichung (θ – θ₀) von dem Phasenanpassungswinkel θ₀ (wobei der Auftreffzustand des Grundstrahls konstant ist).
In 2 sind die Beziehungen zwischen der Ausgangsleistung I des Laserstrahls der zweiten Harmonischen, der Größe der Phasenfehlanpassung Δk und der Länge l des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls wie folgt gegeben: I ∝ (sin(Δkl/2)/(Δkl/2))2 (1).
In der Gleichung (1) ist der Wert der Phasenabweichung Δk proportional zu der Winkelabweichung (θ – θ₀) von dem Phasenanpassungswinkel. Δk ∝ (θ – θ0) (2).
Dabei wird der Phasenanpassungs-Akzeptanzwinkel (Δθ) im allgemeinen als eine Größe genutzt, die die Winkelabhängigkeit des Wellenlängenumwandlungskristalls charakterisiert. Wie 2 zeigt, bezeichnet Δθ eine Winkelbreite zwischen Winkeln, bei denen die Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen die halbe maximale Ausgangsleistung ist.
Dabei gilt aus der Beziehung zwischen Gleichung (1) und Δθ, die Relation (θ – θ₀) = Δθ, wenn Δk = 0,886π. Δθ ist ein inhärenter Wert für den Wellenlängenumwandlungskristall und seine Phasenanpassungsmethode.
In bezug auf spezielle Beispiele von Zahlenwerten, die in dem "Handbook of Nonlinear Optical Crystals" (Second, Revised and Updated Edition, 1998 (Springer Verlag)) angegeben sind, gilt im Fall des LBO(Li3₃O₅)-Winkels vom Typ 1 für die Phasenanpassung der Erzeugung der zweiten Harmonischen Δθ = 0,34 (Grad × cm), und im Fall des KTP(KTiOPO₄)-Winkels vom Typ 2 für die Phasenanpassung der Erzeugung der zweiten Harmonischen Δθ = 0,53 (Grad × cm).
Wenn der Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls geändert wird, tritt ein Peak auf, wenn Δkl/2 = 0, ±(2n + 1)π/2 (n = 1, 2, 3 ...), und daher sind, je größer die Länge l des Wellenlängenumwandlungskristalls ist, die Intervalle der Ausgangspeaks der zweiten Harmonischen ebenso wie die Breite der Einzelpeaks in 2 um so schmaler; und somit nimmt die Anzahl der Ausgangsleistungspeaks der zweiten Harmonischen, die im Fall einer Verlagerung des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls innerhalb eines gegebenen Winkelbereichs auftritt, mit größer werdender Länge des Wellenlängenumwandlungskristalls zu.
Wenn dabei der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall außerhalb des Grundlaserresonators angeordnet ist, um die Erzeugung der zweiten Harmonischen auszuführen, also im Fall der Wellenlängenumwandlung außerhalb des Hohlraums, sind die zweiten Harmonischen, die bei dem Phasenanpassungswinkel θ₀ (Δkl = 0 in Gleichung (1)) abgegeben werden, hinreichend größer als die zweiten Harmonischen, die bei den anderen Peaks (Δk1/2 = ±(2n + 1)π/2 (n = 1, 2, 3 ...)) in Gleichung (1) abgegeben werden, wie 2 zeigt; daher wird die Ausfluchtung auf einfache Weise ausgeführt, ohne daß bei der Anwendung in der Praxis irgendwelche Schwierigkeiten auftreten.
Auf der Grundlage der vorstehenden Erläuterung folgt nun die Erklärung eines Falls, bei dem der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall im Inneren des Laserresonators angeordnet ist, um die Wellenlängenumwandlung auszuführen, d. h. des Falls einer Innerhohlraum-Wellenlängenumwandlung.
3 zeigt schematisch die Abhängigkeit der Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen von dem Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls (Kurve B) und die Grundlaserstrahl-Leistung (Kurve A) innerhalb des Hohlraums in einem Fall, in dem die Erzeugung der zweiten Harmonischen erfolgt, indem nur der Wellenlängenumwandlungskristall für die Erzeugung der zweiten Harmonischen als ein Wellenlängenumwandlungskristall in dem Laserresonator angeordnet ist.
Zum Vergleich bezeichnet eine gestrichelte Kurve C ein schematisches Diagramm, das die Winkelabhängigkeit zeigt, die erhalten wird, wenn derselbe Wellenlängenumwandlungskristall zur Durchführung der Wellenlängenumwandlung außerhalb des Hohlraums verwendet wird. Pfeile zwischen den Kurven B und C bezeichnen die Änderung der Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen zwischen dem Umwandlungsfall außerhalb des Hohlraums und dem Umwandlungsfall innerhalb des Hohlraums.
Die nachstehende Beschreibung erörtert die Gründe für die in 3 gezeigten Charakteristiken. In dem Fall, in dem der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall im Inneren des Laserresonators angeordnet ist, so daß die Erzeugung der zweiten Harmonischen durch Ausbildung des Laserresonators nur unter Verwendung der Spiegel, die ein hohes Reflexionsvermögen für den Grundlaserstrahl haben, erfolgt, wird ein Anteil der Grundstrahlleistung in dem Resonator, die zu dem Strahl der zweiten Harmonischen umgewandelt wurde, aus dem Resonator als Ausgangsleistung extrahiert.
Daher ist eine Erhöhung des Umwandlungs-Wirkungsgrads zu dem Strahl der zweiten Harmonischen tatsächlich das gleiche wie eine Erhöhung der Ausgangskopplungsrate des Grundstrahls, und im Gegensatz dazu ist eine Verringerung des Umwandlungs-Wirkungsgrads tatsächlich das gleiche wie eine Verringerung der Ausgangskopplungsrate.
Während also der Umwandlungs-Wirkungsgrad zu dem Strahl der zweiten Harmonischen zunimmt, nimmt die Grundstrahlleistung im Inneren des Resonators ab, während mit Abnahme des Umwandlungs-Wirkungsgrads zu dem Strahl der zweiten Harmonischen die Grundstrahlleistung im Inneren des Resonators zunimmt.
Wenn der Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls verändert wird, nimmt die Grundleistung im Inneren des Resonators bei einem Winkel (beispielsweise einem Phasenanpassungswinkel θ₀), der einen hohen Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad hat, ab, und im Gegensatz dazu nimmt die Grundleistung im Inneren des Resonators bei einem Winkel, der einen niedrigen Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad hat, zu, wie 3 zeigt.
Dabei ist die Ausgangsleistung des Strahls der zweiten Harmonischen gegeben durch das Produkt zwischen (Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad) und (Innerhohlraum-Grundstrahlleistung). Im Vergleich mit der äußeren Wellenlängenumwandlung, die durch die gestrichelte Kurve bezeichnet ist, wird bei der Innerhohlraum-Wellenlängenumwandlung die Differenz zwischen der Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen bei einem Winkel, der einen höheren Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad hat, und der Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen bei einem Winkel, der einen niedrigeren Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad hat, kleiner. Somit wird, wie 3 zeigt, die Differenz zwischen den Ausgangsleistungspeaks der zweiten Harmonischen bei anderen Winkeln als dem Phasenanpassungswinkel θ₀ (Δk1/2 = ±(2n + 1)π/2 (n = 1, 2, 3 ...)) in Gleichung (1)) und denjenigen bei dem Phasenanpassungswinkel θ₀ (Δk1/2 = 0 in Gleichung (1)) kleiner.
Wie 3 zeigt, erscheint somit eine Vielzahl von Peaks, deren Ausgangswerte keine großen Unterschiede zeigen, in der Winkelabhängigkeit der Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls, wie 3 zeigt, was zu Schwierigkeiten beim Auffinden des Winkels, bei dem die maximale Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen erhalten wird, durch Ändern der Winkel führt.
Bisher wurden in bezug auf die komplizierte Abhängigkeit der Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen von dem Winkel des Wellenlängenumwandlungskristall, hervorgerufen durch diese Änderungen der Innerhohlraum-Strahlleistung, keine detaillierten Beobachtungen vorgenommen.
Die Änderung der Grundstrahlleistung im Inneren des Resonators zum Zeitpunkt der Innerhohlraum-Wellenlängenumwandlung, die wie oben beschrieben von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls abhängig ist, wird ferner signifikanter, wenn ein Resonatorgütewert-Modulationselement im Inneren des Resonators angeordnet ist, um eine Güteschaltungsschwingung zu erhalten, und zwar wegen des höheren Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrads. In diesem Fall wird die Ausgangscharakteristik der zweiten Harmonischen, die von dem Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls wie beschrieben abhängig ist, komplexer.
Es folgt eine Erläuterung der Abhängigkeit der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls für den Fall, daß eine Summenfrequenzerzeugung mit einer Anordnung durchgeführt wird, bei der zu dem Aufbau für die Erzeugung der zweiten Harmonischen durch die Innerhohlraum-Wellenlängenumwandlung mit der oben erwähnten Charakteristik außerdem ein Summenfrequenzerzeugungs-Wellenlängenumwandlungskristall im Inneren des Laserresonators vorgesehen wird, um eine Summenfrequenzerzeugung auszuführen.
4 zeigt schematisch die Änderung der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls (Kurve B) und die Leistung des Grundlaserstrahls in dem Resonator (Kurve A) in einem Fall, in dem der Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls verändert wird. Zum Vergleich bezeichnet die gestrichelte Kurve C die Leistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen im Fall der Umwandlung außerhalb des Hohlraums.
Da die Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen proportional ist zu (Grundlaserstrahl-Intensität an der Wellenlängenumwandlungskristall-Position)², und da die Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls proportional ist zu (Intensität des Laserstrahls der zweiten Harmonischen an der Wellenlängenumwandlungskristall-Position) × (Grundlaserstrahl-Intensität an der Wellenlängenumwandlungskristall-Position), ist die Wahrscheinlichkeit größer, daß die Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls durch die Änderung der Leistung des Innerhohlraum-Grundlaserstrahls beeinflußt wird, verglichen mit der Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen, die in den 3 und 4 gestrichelt gezeigt ist.
Infolgedessen wird, wie 4 zeigt, die Differenz zwischen der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls für den Fall, daß der Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls bei dem Phasenanpassungswinkel θ₀ (Δk1/2 = 0 in Gleichung (1)) liegt, und für den Fall, daß er an einem Peak an dessen Peripherie liegt (Δk1/2 = ±(2n + 1)π/2 (n = 1, 2, 3 ...)) in Gleichung (1)), noch kleiner als im Fall der Erzeugung der zweiten Harmonischen.
Im Vergleich mit der Ausgangscharakteristik der zweiten Harmonischen, die in 3 gezeigt ist, wird die Anzahl von Peaks mit gleichartigen Ausgangswerten noch größer, was zu Schwierigkeiten beim Auffinden des Winkels, bei dem die maximale Summenfrequenz-Ausgangsleistung erhalten wird, durch Ändern von Winkeln führt.
In einem Fall, in dem die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls größer als eine vorbestimmte Länge vorgegeben ist, wie 4 zeigt, wird ferner die Intensität des Laserstrahls der zweiten Harmonischen an der Position des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls bei dem Phasenanpassungswinkel θ₀ und dessen Peripherie, wo die Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen am höchsten ist, höher, während die Intensität des Grundlaserstrahls verringert wird, so daß, wie die Bereiche a und b in 4 zeigen, die maximale Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls manchmal an einer Position erreicht wird, die von dem Phasenanpassungswinkel θ₀ abweicht, bei dem der Maximalwert der Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen erhalten wird.
In diesem Fall gibt es mehrere Peaks, bei denen gleiche Ausgangswerte des Summenfrequenzlaserstrahls erhalten werden. Hinsichtlich des Montageablaufs für einen Laser mit Wellenlängenumwandlung wird zuerst der eine der Spiegel, die einen Laserresonator bilden, als ein teildurchlässiger Spiegel für den Grundstrahl eingestellt, und während ein Anteil des Grundlaserstrahls aus dem Resonator extrahiert wird, wird die Anordnung der optischen Elemente, wie etwa von Laserresonatorspiegeln in bezug auf die Grundausgangsleistung optimiert.
Danach wird der teildurchlässige Spiegel gegen einen Totalreflexionsspiegel ausgewechselt, und ein Wellenlängenumwandlungskristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen wird in den Laserresonator eingesetzt, so daß die optischen Elemente und der Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls in bezug auf die Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen optimiert werden.
Dann wird ein Wellenlängenumwandlungskristall zur Erzeugung der Summenfrequenz in den Laserresonator so eingesetzt, daß die Wellenlängenumwandlungskristalle und die optischen Elemente ausgefluchtet sind, so daß die Abgabe einer Summenfrequenz erfolgen kann.
Da hierbei die optischen Winkel der optischen Elemente und der Wellenlängenumwandlungskristalle durch das Einfügen des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls in den Laserresonator geändert werden und der Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls, der für die Erzeugung der zweiten Harmonischen optimal ist, nicht unbedingt mit einem optimalen Winkel für eine stabile Summenfrequenzerzeugung hoher Ausgangsleistung zusammenfällt, gibt es viele Fälle, in denen der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskistall und die den Laserresonator bildenden optischen Elemente neu ausgefluchtet werden müssen.
Es ist somit erforderlich, einen Ausfluchtungsvorgang durchzuführen, um einen optimalen Winkel zu finden, indem der Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls geändert wird, während der Summenfrequenzlaserstrahl erzeugt wird.
Die Existenz vieler Peaks der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls in bezug auf den Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls, die ähnliche Größe haben, führt somit zu erheblichen Behinderungen bei der Ausbildung eines stabilen Lasers mit Wellenlängenumwandlung mit hoher Reproduzierbarkeit.
Wenn ferner versucht wird, die Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls in der mit Innenhohlraum-Wellenlängenumwandlung arbeitenden Summenfrequenz-Laserstrahlerzeugungseinrichtung zu maximieren, hat der Umwandlungs-Wirkungsgrad von dem Grundstrahl zu dem Strahl der zweiten Harmonischen einen optimalen Wert, d. h. hier gilt nicht je höher, desto besser.
Wenn mit anderen Worten der Umwandlungs-Wirkungsgrad des Strahls der zweiten Harmonischen zu hoch ist, nimmt der Grundstrahl ab, was zu einer Verringerung der Ausgangsleistung des Summenfrequenzstrahls führt. In bezug auf den Umwandlungs-Wirkungsgrad von dem Grundstrahl und dem Strahl der zweiten Harmonischen zu dem Summenfrequenzstrahl gilt, je höher er wird, desto größer ist der erzeugte Summenfrequenzlaserstrahl.
Auf diese Weise wird zur Unterdrückung des Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrads zu dem Strahl der zweiten Harmonischen und zur Steigerung des Umwandlungs-Wirkungsgrads zu dem Summenfrequenzstrahl die Länge des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls länger vorgegeben, d. h. der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall wird kürzer als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall vorgegeben.
Somit ist es durch Erhöhen des Summenfrequenzerzeugungs-Wirkungsgrds möglich, einen stabilen Laser mit Wellenlängenum wandlung mit hoher Reproduzierbarkeit zu bauen. Diese Tatsache wird durch die Erfindung erstmals angegeben.
Die nachstehende Beschreibung erörtert, wie sich die Winkelabhängigkeit der Summenfrequenz-Ausgangsleistung auf den die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall in Abhängigkeit von der Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls ändert.
Zuerst zeigen die 5 und 6 die Abhängigkeit der Ausgangsleistung des Innerhohlraum-Grundlaserstrahls (Kurve A) und der Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen (Kurve B) von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls in den jeweiligen Fällen, in denen der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall eine größere Länge hat und in denen er eine geringere Länge hat, und zwar unter der Bedingung, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall nicht eingebaut ist. Die gestrichelte Kurve C bezeichnet die Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen im Fall der Umwandlung außerhalb des Hohlraums.
Ein Vergleich zwischen 5 und 6 zeigt, daß aus den gleichen Gründen, wie sie in bezug auf die 2 und 3 erläutert wurden, gegenüber 5 im Fall der kürzeren Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls von 6, da die Winkelbreite und die Winkelabstände zwischen den Peaks (und den Tälern) der Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen (und der Ausgangsleistung des Grundlaserstrahls) erweitert sind, die Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen, die von dem Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls abhängig ist, sich allmählich ändert und die Anzahl der Peaks geringer wird.
Durch Verwendung des kürzeren Wellenlängenumwandlungskristalls für die Erzeugung der zweiten Harmonischen kann daher der Ausgangswert des Wellenlängenumwandlungs-Laserstrahls, der von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls abhängig ist, vereinfacht werden, und es ist möglich, eine leicht justierbare Laservorrichtung zu erhalten.
Die 7 und 8 zeigen schematisch die Winkelabhängigkeit der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls (Kurve B) von dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall in den jeweiligen Fällen, in denen der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall eine größere Länge hat und in denen er eine geringere Länge hat, und zwar unter der Bedingung, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall im Inneren des Resonators liegt, um einen Summenfrequenzlaserstrahl zu erzeugen. Zum Vergleich zeigt die gestrichelte Kurve C die Leistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen.
Ein Vergleich zwischen 7 und 8 zeigt, daß auf die gleiche Weise wie bei der Erzeugung der zweiten Harmonischen innerhalb des Resonators, wie oben erläutert wurde, im Fall der geringeren Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls, wie in 8 gezeigt ist, die Peak(Tal)-Winkelbreite und die Peak(Tal)-Intervalle der Intensität des Laserstrahls der zweiten Harmonischen (und der Leistung des Innerhohlraum-Grundlaserstrahls) verbreitert sind und die Anzahl von Peaks abnimmt. Es ist daher möglich, eine Laservorrichtung zu schaffen, die eine einfachere Winkelabhängigkeit von dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall hat und einfach zu handhaben ist.
In bezug auf spezielle Zahlenwerte ist beispielsweise in einem Fall, in dem ein Typ eines Phasenanpassungs-LBO(LiB₃O₅)-Kristalls verwendet wird, aus der Gleichung (1) zu erwarten, daß im Fall eines Kristalls mit einer Länge von 15 mm ein Peak ungefähr alle 8 mrad auftritt, während im Fall eines Kristalls mit einer Länge von 5 mm ein Peak ungefähr alle 24 mrad auftritt, der einen breiteren Winkel hat; und die tatsächlich durchgeführten Messungen waren mit diesen Peakabständen praktisch koinzident.
Ferner wird, wie in 4 erläutert ist, im Fall der Anwendung des längeren, die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls bei dem Phasenanpassungswinkel θ₀ und dessen Peripherie, wo die Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls am höchsten wird, die Grundleistung im Inneren des Resonators verringert, weil der Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad von dem Grundlaserstrahl zu dem Laserstrahl der zweiten Harmonischen zu hoch ist. Das Resultat ist, wie 7 zeigt, daß die übrigen Peaks in der Ausgangscharakteristik des Summenfrequenzlaserstrahls erscheinen, die von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls abhängig ist.
Wenn im Gegensatz dazu, wie in 8 gezeigt ist, der kurze Wellenlängenumwandlungskristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen verwendet wird, nimmt der Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad von dem Grundlaserstrahl zu dem Laserstrahl der zweiten Harmonischen bei dem Phasenanpassungswinkel θ₀ und dessen Peripherie ab, so daß die Intensität des Grundlaserstrahls zunimmt; somit ist es möglich, eine Laservorrichtung zu bauen, die die höchste Summenfrequenzlaserstrahl-Ausgangsleistung bei dem Phasenanpassungswinkel θ₀ und dessen Peripherie, wo die Ausgangsleistung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen am höchsten wird, erzielen kann.
Die folgende Beschreibung erläutert, wie sich die resultierende Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls in Abhängigkeit von der Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls ändert. 9 zeigt schematisch die Änderung der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls, wenn in der Ausbildung zur Innenhohlraum-Wellenlängenumwandlung für die Summenfrequenzerzeugung die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls verändert wird, während die Länge l_3ω des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls konstant gehalten wird.
Wenn, wie 9 in bezug auf den die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall zeigt, die Summenfrequenz-Ausgangsleistung überwacht wird, während die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls verändert wird, existiert ein Peak (ein Punkt mit einer Länge l₁ in 9), bei dem die maximale Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls erhalten wird. Wenn die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls mit einer Länge vorgegeben wird, die nicht kleiner als l₁ ist, nimmt in den meisten Fällen die Ausgangsleistung der Summenfrequenz geringfügig ab, und zumindest nimmt die Ausgangsleistung nicht erheblich zu. Die Hauptgründe hierfür sind die folgenden:

(1) Die Wirkungen, die zur Folge haben, daß die Innenhohlraum-Grundleistung verringert wird, werden größer als diejenigen Wirkungen, die die Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen erhöhen.
(2) Die Impulsdauer wird länger infolge einer Steigerung des Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrads des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls.

Wie bereits beschrieben, tritt in diesem Fall natürlich mit zunehmender Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls eine Anzahl Peaks in der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls in Abhängigkeit von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls auf, was zu Schwierigkeiten bei der Justierung führt.
In bezug auf die in 9 gezeigten Charakteristiken werden spezifische Zahlenwerte gegeben, die experimentell erhalten wurden. Bei der gleichen Konstruktion wie in 1 wurde ein die dritte Harmonische erzeugender LBO-Kristall mit einer Länge l_3ω von 10 mm als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall verwendet, und die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls wurde in einer Laservorrichtung mit einer Wiederholfrequenz von einigen kHz und einer Ausgangsleistung des Summenfrequenzstrahls von ungefähr 5 bis 10 W verändert; infolgedessen war die resultierende Länge l₁, die die maximale Leistung des Summenfrequenzstrahls angibt, praktisch 3 mm.
Im Fall der Länge von nicht weniger als 10 mm (l_3ω) des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls wurde ferner auch dann, wenn der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall wie in 9 gezeigt verlängert wurde, die Ausgangsleistung nicht verbessert, und die Charakteristik zeigte eine geringfügige Abnahme. Dabei wurde experimentell bestätigt, daß die Abhängigkeit von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls wie in 7 gezeigt auftrat, was die Justierung äußerst komplex gestaltete.
Wie oben beschrieben, wurde experimentell bestätigt, daß es durch Verkürzen der Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls im Vergleich mit der Länge des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls möglich ist, eine ausreichende Summenfrequenz-Ausgangsleistung zu erzielen und außerdem die Justierung zu erleichtern.
Wenn der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall kürzer vorgegeben ist, wird ferner der Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad von dem Grundlaserstrahl zu dem Laserstrahl der zweiten Harmonischen verringert, und infolgedessen wird die Impulsdauer verkürzt, und die Peakintensitäten der Grundwelle und der zweiten Harmonischen werden höher (beispielsweise in Journal of Applied Physics, Vol. 41, P.609 (Pulse Lengthening via Overcoupled Internal Second-Harmonic Generation) gezeigt).
Da der Summenfrequenzerzeugungs-Wirkungsgrad proportional zu den Intensitäten des auftreffenden Grundstrahls und des Strahls der zweiten Harmonischen ist, ist es möglich, die Laservorrichtung so anzuordnen, daß der Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad von dem Grundstrahl und dem Strahl der zweiten Harmonischen zu dem Summenfrequenzstrahl verbessert wird.
Je größer im übrigen der Wellenlängenumwandlungskristall ist, desto schwieriger wird es, einen gleichmäßigen Kristall herzustellen, und mit zunehmender Länge wird der Preis des Kristalls höher. Daher ermöglicht es die Anwendung eines kürzeren Wellenlängenumwandlungskristalls zum Erzeugen der zweiten Harmonischen, die Kosten zu senken und somit einen Laser mit Wellenlängenumwandlung mit erwünschtem Betriebsverhalten und niedrigen Kosten zu bauen.
In bezug auf die Untergrenze der Länge wird nicht weniger als ungefähr 0,5 mm vorgegeben, wenn man die Einschränkungen bei der Herstellung des Wellenlängenumwandlungskristalls und die Verringerung des Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrads berücksichtigt.
In bezug auf die Einfügungsposition des Wellenlängenumwandlungskristalls in den Laser mit Wellenlängenumwandlung, wie er in 1 gezeigt ist, ist die Anordnung so getroffen, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall 7 an einer Position zwischen dem aktiven Festkörperlasermedium 3 und dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 6 liegt.
Da also die Summenfrequenz-Ausgangsleistung bei dieser Anordnung von dem Spiegel 5 extrahiert wird, ist der Fall, bei dem der Grundstrahl und der Strahl der zweiten Harmonischen gleichzeitig durch den die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 7 gehen, auf ein einziges Mal beschränkt, wenn nämlich die Grundwelle und die zweiten Harmonischen von dem Spiegel 9 reflektiert und zurückgeleitet werden.
Dadurch werden die nachteiligen Wirkungen minimiert, die sich durch eine Temperatur- und Winkeländerung des Wellenlängenumwandlungskristalls auf den Summenfrequenzerzeugungs-Wirkungsgrad einstellen, so daß eine stabile Vorrichtung erhalten wird.
Wenn dagegen die Positionen des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls und des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls umge kehrt werden, d. h. wenn der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall zwischen dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall und dem aktiven Festkörperlasermedium liegt, nimmt der Fall, in dem der Grundstrahl und der Strahl der zweiten Harmonischen gleichzeitig durch den die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall gehen, auf zwei Male zu, wenn sie nämlich von dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall darauf auftreffen und wenn sie von dem Spiegel 9 reflektiert werden.
Das Ergebnis ist, daß die nachteiligen Auswirkungen, die durch die Temperatur und den Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls auf den Summenfrequenzerzeugungs-Wirkungsgrad eintreten, größer werden und die Laservorrichtung dadurch instabil wird.
Bei der in 1 gezeigten Konstruktion wurden durch Anwendung eines gütegesteuerten Impulslasers mit Wellenlängenumwandlung mit einer Summenfrequenz-Ausgangsleistung von 5 bis 10 W und einer Impulsdauer von ~100 ns sowie mit einem LBO-Kristall einer Länge von 10 mm als dem Summenfrequenz(dritte Harmonische)-Wellenlängenumwandlungskristall und mit einem LBO-Kristall einer Länge von 5 mm als dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall Änderungen in der Ausgangsleistung des Wellenlängenumwandlungs-Laserstrahls und in der Ausgangsleistung des Innenhohlraum-Grundlaserstrahls beobachtet, während die Temperatur des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls geändert wurde.
Die Ergebnisse zeigten, daß der Temperaturbereich, der es ermöglicht, daß die Summenfrequenz-Ausgangsleistung 95% der maximalen Leistung wird (eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperaturen, die der Ausgangsleistung erlaubt, 95% der maximalen Ausgangsleistung bei einem oberen Wert und einem unteren Wert der Temperatur), ungefähr 1 bis 2°C betrug; dagegen wurde in einem Fall, in dem die Positionen der Wellenlängenumwandlungskristalle umgekehrt wurden, der Temperaturbereich nicht größer als 0,3°C, so daß bestätigt wurde, daß die Konstruktion von 1 überlegen ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
Eine Einrichtung zum Feinjustieren des Winkels mit einer Präzision von höchstens ±0,1° kann zu dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall oder dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall von 1 hinzugefügt werden.
Der Wellenlängenumwandlungskristall von dem Typ mit Winkelfeinabstimmung und Phasenanpassung (der ein Wellenlängenumwandlungskristall ist, der hauptsächlich durch Feinjustieren des Winkels des Wellenlängenumwandlungskristalls phasenangepaßt ist und der eine große Änderung seiner Phasenanpassungsbedingungen in Abhängigkeit von dem Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls hat) erfordert im allgemeinen häufigere Feinjustierungen des Wellenlängenumwandlungskristallwinkels bei der Handhabung der Vorrichtung.
Daher wird der Betrieb der Wellenlängenumwandlungsvorrichtung stark durch die komplexe Winkelabhängigkeit der Summenfrequenz-Ausgangsleistung des Wellenlängenumwandlungskristalls beeinflußt, wie unter Bezugnahme auf die 2 bis 8 erläutert wurde.
Daher sind die Wirkungen, die erzielt werden, wenn der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall kürzer als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall gemacht wird, größer, wenn ein Wellenlän genumwandlungskristall vom Winkel/Phasenanpassungs-Typ verwendet wird.
Bei dem Laser mit Wellenlängenumwandlung, der die Einrichtung zur Durchführung von Feinjustierungen mit einer Winkelgenauigkeit von nicht mehr als ±0,1° wie die vorliegende Ausführungsform hat, wird es dadurch, daß der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall kürzer als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall vorgegeben ist, außerdem möglich, eine stabile Laservorrichtung zu schaffen, die leicht zu handhaben ist und hohe Reproduzierbarkeit bietet.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
Eine Einrichtung zum Feinjustieren der Temperatur mit einer Präzision von nicht mehr als ±0,5°C kann zu dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall oder dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall, die in 1 gezeigt sind, hinzugefügt werden.
Einige der Wellenlängenumwandlungskristalle haben eine enge Temperaturtoleranz, und wenn beispielsweise der die dritte Harmonische erzeugende Phasenanpassungs-LBO-Kristall vom Typ 2 als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall verwendet wird, zeigt die Temperaturtoleranz (die ein Temperaturbereich zwischen zwei Temperaturen ist, bei denen bei einem Kristall einer Länge von 1 cm der Umwandlungs-Wirkungsgrad im Vergleich mit dem Umwandlungs-Wirkungsgrad bei der Phasenanpassungs-Temperatur auf die Hälfte abfällt) einen Wert von 3,7°C (wie beispielsweise angegeben wird in "Handbook of Nonlinear Optical Crystals" (Second, Revisd and Updated Edition (Springer Verlag) etc.).
In einem Fall, in dem ein Wellenlängenumwandlungskristall mit einer solchen vergleichsweise engen Temperaturtoleranz verwendet wird, ist es manchmal erforderlich, die Temperatur des Wellenlängenumwandlungskristalls zu steuern, um eine Laservorrichtung zu erhalten, die Änderungen der Ausgangsleistungen auf einen Bereich unterdrücken kann, der nicht zu einem Problem bei der praktischen Anwendung führt, so daß auch Beschädigungen des Wellenlängenumwandlungskristalls infolge einer Erhöhung der Ausgangsleistung des Innerhohlraum-Grundlaserstrahls aufgrund einer Verschlechterung der Phasenanpassungsbedingungen durch eine rasche Temperaturänderung in dem Wellenlängenumwandlungskristall vermieden werden können und über lange Zeit ein stabiler Betrieb stattfinden kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist in dem Laser mit Wellenlängenumwandlung, der mit der Einrichtung zur Steuerung der Temperatur des Wellenlängenumwandlungskristalls mit einer Präzision von nicht mehr als ±0,5°C versehen ist, der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall kürzer als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall vorgegeben, so daß es möglich wird, eine stabile Laservorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit zu erhalten, die leicht zu handhaben ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 4
Als aktives Festkörperlasermedium für den in 1 gezeigten Laser mit Wellenlängenumwandlung kann Nd:YAG eingesetzt werden. Nd:YAG ist ein Lasermaterial mit überlegener chemischer Stabilität und mechanischer Festigkeit, das vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit und eine hohe Thermobruchgrenze hat.
Gegenüber anderen aktiven Festkörperlasermedien ergibt dieses Material ferner kostengünstige Kristalle hoher optischer Güte. Die Anwendung von Nd:YAG als aktives Festkörperlasermedium ermöglicht die Ausbildung einer stabilen Laservorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit und Normierbarkeit, die einfach handhabbar ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 5
Als aktives Festkörperlasermedium für den in 1 gezeigten Laser mit Wellenlängenumwandlung kann Nd:YLF eingesetzt werden. Nd:YLF hat einen geringen thermischen Linseneffekt. Wenn eine Laservorrichtung unter Anwendung eines aktiven Festkörperlasermediums gebaut wird, wird im allgemeinen die Laserausgangsleistung manchmal instabil infolge von Schwankungen der Brennweite der thermischen Linse des aktiven Festkörperlasermediums. Wenn ferner die gütegesteuerte Impulsschwingung durchgeführt wird, wird manchmal die Stabilität zwischen Impulsen verringert.
Die Anwendung von Nd:YLF mit einem geringen thermischen Linseneffekt als aktives Festkörperlasermedium ermöglicht es, eine stabile Laservorrichtung zu bauen, die einen breiten Ausgangsleistungsbereich bei stabilem Betrieb und einfacher Handhabung hat. Wenn ferner die Summenfrequenzerzeugung durch gütegesteuerte Impulsschwingungen durchgeführt wird, kann eine Vorrichtung gebaut werden, die hinsichtlich der Stabilität zwischen den Impulsen überlegen ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 6
Nd:YVO₄ kann als das aktive Festkörperlasermedium für den in 1 gezeigten Laser mit Wellenlängenumwandlung verwendet werden. Nd:YVO₄ hat eine große Wellenlängenabsorptionsbreite für Pumplicht und einen größeren Querschnitt für die stimulierte Emission. Die Verwendung von Nd:YVO₄ als aktives Fest körperlasermedium ermöglicht eine hohe Toleranz in bezug auf Schwankungen der Wellenlänge der Pumplichtquelle.
Wegen der großen Wellenlängenabsorptionsbreite und des großen Querschnitts der stimulierten Emission erhält man einen hohen Wirkungsgrad der Grundstrahlerzeugung. In einem Fall, in dem ein gütegesteuerter Impulslaser gebaut wird, ist es ferner wegen des großen Querschnitts der stimulierten Emission möglich, einen Laserstrahl mit umgewandelter Wellenlänge mit kürzerer Impulsdauer auch dann zu erzeugen, wenn die Gütesteuerung unter Anwendung einer hohen Wiederholungsfrequenz erfolgt.
Da ferner die Impulsdauer kurz ist, kann der Wellenlängenumwandlungs-Wirkungsgrad gesteigert werden. Die Anwendung von Nd:YVO₄ mit den vorstehend angegebenen Eigenschaften ermöglicht die Bereitstellung eines Lasers mit Wellenlängenumwandlung, der einfacher handhabbar ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 7
LBO(LiB₃O₅) kann als Wellenlängenumwandlungskristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen oder als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall für den in 1 gezeigten Laser mit Wellenlängenumwandlung verwendet werden. Gegenüber anderen Kristallen hat der LBO-Kristall einen höheren Beschädigungsgrenzwert; er kann daher einen Laserstrahl mit umgewandelter Wellenlänge mit hoher Ausgangsleistung und einem hohen Peakimpuls erzeugen.
Gegenüber anderen Wellenlängenumwandlungskristallen zum Erzeugen der zweiten Harmonischen, wie etwa KTP-Kristallen, weist er geringere Schwankungen der Brechzahl, die von Temperaturen abhängig ist, und eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf; er ist daher für Einflüsse aufgrund der Erzeugung von Wärme weniger empfindlich.
Gegenüber β-BBO-Kristallen, die heute für die Erzeugung von dritten Harmonischen verwendet werden, ist es ferner möglich, einen Summenfrequenz-Laserstrahl mit einem höheren Kreisverhältnis (definiert durch den kleinsten Durchmesser, dividiert durch den größten Durchmesser) zu erzeugen, weil dieses Material eine größere Phasenanpassungswinkel-Toleranz hat. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit kann es ferner einen Summenfrequenzlaserstrahl mit hoher Ausgangsleistung und hohem Wirkungsgrad auf stabile Weise erzeugen.
Durch Verwendung des LBO-Kristalls, der die oben beschriebenen überlegenen Eigenschaften hat, als dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall oder dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall in der Konstruktion von 1 ist es möglich, einen stabilen Laser mit Wellenlängenumwandlung mit hoher Ausgangsleistung und hohem Wirkungsgrad zu bauen, der einfach zu handhaben ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 8
Der Laser mit Wellenlängenumwandlung der vorliegenden Erfindung ist besonders wirkungsvoll bei einer mittleren Ausgangsleistung des Summenfrequenz-Laserstrahls von nicht weniger als 1 W. Wenn die mittlere Ausgangsleistung des Laserstrahls mit umgewandelter Wellenlänge, der von dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall und dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall extrahiert wird, größer wird, tritt in dem Wellenlängenumwandlungskristall eine thermische Verzerrung auf, so daß die Ausgangsleistung instabil und die Ausfluchtung der optischen Elemente schwieriger wird.
Da ferner das aktive Festkörperlasermedium stark gepumpt werden muß, um die Ausgangsleistung zu steigern, unterliegt das aktive Festkörperlasermedium ebenfalls einer Verzerrung, wie etwa thermisch bedingter Linsenbildung und thermisch bedingter Doppelbrechung, so daß die Ausgangsleistung instabil und die Ausfluchtung der optischen Elemente komplexer wird. Da ferner die mittlere Intensität des Laserstrahls an den optischen Elementen zunimmt, besteht die Gefahr, daß die optischen Elemente beschädigt werden. Der Phasenanpassungswinkel des Wellenlängenumwandlungskristalls schwankt ferner infolge von Temperaturschwankungen.
Insbesondere dann, wenn die mittlere Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls nicht weniger als ungefähr 1 W wird, treten die oben angegebenen nachteiligen Effekte aufgrund der thermisch bedingten Verwerfung der Elemente signifikant auf. Unter diesen Umständen wird es durch Verkürzen des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls möglich, die Charakteristiken zu vereinfachen, die von dem Winkel des Wellenlängenumwandlungskristalls abhängig sind, und außerdem die Ausfluchtung selbst unter den Auswirkungen einer wärmebedingten Verzerrung mit hoher Reproduzierbarkeit durchzuführen.
Da außerdem die Phasenanpassungswinkel-Toleranz des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls erweitert ist, kann die Schwankung der Ausgangsleistung aufgrund von Schwankungen der Phasenanpassungsbedingungen auch dann minimiert werden, wenn sich der Phasenanpassungswinkel aufgrund von Temperaturschwankungen verändert.
Wie oben beschrieben, wird es bei dem Laser mit Wellenlängenumwandlung der vorliegenden Erfindung möglich, eine Laservorrichtung anzugeben, die auch beim Betrieb mit hoher Ausgangs leistung mit einer Summenfrequenz-Ausgangsleistung von nicht weniger als 1 W stabil ist, hohe Zuverlässigkeit hat und leicht zu handhaben ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 9
10 zeigt schematisch eine Ausbildung der Ausführungsform 9 der vorliegenden Erfindung. In 10 bezeichnet 4a einen Spiegel, der ein hohes Reflexionsvermögen für den Grundlaserstrahl und einen hohen Durchlaßgrad für den Laserstrahl der zweiten Harmonischen und den Laserstrahl der dritten Harmonischen hat, 5a ist ein Spiegel mit hohem Durchlaßgrad für den Laserstrahl der vierten Harmonischen und hohem Reflexionsvermögen für die dritte Harmonische, die zweite Harmonische und den Grundlaserstrahl.
6a ist ein die zweite Harmonische erzeugender Wellenlängenumwandlungskristall, 7a ist ein erster die Summenfrequenz erzeugender Wellenlängenumwandlungskristall, 10 ist ein zweiter die Summenfrequenz erzeugender Wellenlängenumwandlungskristall. Der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall 6a ist kürzer als die die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalle 7a und 10.
Bei dem in 10 gezeigten Laser mit Wellenlängenumwandlung wird von den Laserresonatorspiegeln 1, 9 und den Spiegeln 4a, 5a, dem aktiven Festkörperlasermedium 3, dem Polarisationselement 2 und dem Güteschaltungselement 8 ein linear polarisierter Grundimpulslaserstrahl erzeugt, und ein Anteil dieses Strahls wird von dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 6a, der im Inneren des Laserresonators angeordnet ist, in einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen umgewandelt.
Ein Anteil des so erzeugten Laserstrahls der zweiten Harmonischen und ein Anteil des Grundlaserstrahls, der nicht zu dem Laserstrahl der zweiten Harmonischen umgewandelt worden ist, werden von dem ersten die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 7a, der im Inneren des Laserresonators angeordnet ist, zu einem Laserstrahl der dritten Harmonischen umgewandelt.
Ein Anteil des so erzeugten Laserstrahls der dritten Harmonischen und ein Anteil des Grundlaserstrahls werden von dem zweiten die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 10 zu einem Laserstrahl der vierten Harmonischen umgewandelt. Der so erzeugte Laserstrahl der vierten Harmonischen wird an dem Spiegel 5a extrahiert. Die Laserstrahlen der dritten und der zweiten Harmonischen werden an dem Spiegel 4a extrahiert.
Bei dem in 10 gezeigten Laser mit Wellenlängenumwandlung ist zusätzlich zu dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 7a zum Erzeugen des Laserstrahls der dritten Harmonischen aus dem Grundlaserstrahl und dem Laserstrahl der zweiten Harmonischen der zweite die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall 1 zum Erzeugen des Laserstrahls der vierten Harmonischen aus dem Grundlaserstrahl und dem Laserstrahl der dritten Harmonischen in den Laserresonator eingefügt, so daß der Laserstrahl der vierten Harmonischen erzeugt wird.
Bei der wie beschrieben aufgebauten Laservorrichtung ist die Länge l_2ω des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 6a kürzer als die Länge l_3ω des ersten die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 7a und die Länge l_4ω des zweiten die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 10 vor gegeben; es ist somit möglich, die Änderung der Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls, die von dem Winkel des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls abhängig ist, zu vereinfachen.
Dabei zeigt 10 beispielhaft einen Fall, in dem zwei die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristalle in den Laserresonator eingefügt sind; die Anzahl der die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalle soll jedoch nicht auf zwei beschränkt werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 10
11 zeigt schematisch eine Ausbildung gemäß der Ausführungsform 10 der Erfindung. In 11 bezeichnen 3a, 3b aktive Festkörperlasermedien, und 11 ist ein 90°-Polarisationsrotator, der als Polarisationselement wirkt.
Bei dem entsprechend 11 aufgebauten Laser mit Wellenlängenumwandlung dient der 90°-Polarisationsrotator 11, der zwischen den beiden aktiven Festkörperlasermedien 3a und 3b angeordnet ist, in dem Laser mit Wellenlängenumwandlung dazu, die thermische Doppelbrechung aufzuheben (auszugleichen), die von der Polarisationsrichtung abhängig ist und durch Wärmeerzeugung im Inneren des aktiven Festkörperlasermediums infolge des Pumplichts und des schwingenden Laserstrahls hervorgerufen wird.
Es wird somit möglich, den Bereich der Pumpintensität zu vergrößern, in dem der Summenfrequenzlaserstrahl auf stabile Weise erzeugt wird, um die Stabilität und die Reproduzierbarkeit weiter zu verbessern und ferner den Schwingungs-Wirkungsgrad zu steigern.
Bei der in 11 gezeigten Summenfrequenzerzeugungsvorrichtung ist ferner die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 6 kürzer als die Länge des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 7 eingestellt, so daß es möglich wird, eine stabile Laservorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit zu bauen, die leicht zu handhaben ist.
AUSFÜHRUNGSFORM 11
12 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus der Ausführungsform 11 der Erfindung. In 12 bezeichnet 12 ein Wellenlängenumwandlungselement, in dem die zwei Wellenlängenumwandlungskristalle, also der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall 7b und der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall 6b, mittels Diffusionsbonden integriert oder in ein und demselben Wellenlängenumwandlungskristallhalter festgelegt sind.
Das Wellenlängenumwandlungselement 12, bei dem der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall und der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall integral angeordnet sind, weist eine Einrichtung 19 auf, die Phasenanpassungsvorgänge durchführt, beispielsweise integrales Verändern der Temperatur, Einstellen der Brechzahl des Wellenlängenumwandlungskristalls (die in Abhängigkeit von Temperaturen veränderlich ist) auf einen vorgegebenen Wert und Feinjustieren der Winkel.
Ferner ist der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall 6b, der das integrierte Wellenlängenumwandlungselement 12 bildet, kürzer als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall 7b vorgegeben.
Bei dem in 12 gezeigten Laser mit Wellenlängenumwandlung wird von den Laserresonatorspiegeln 1, 4 und den Spiegeln 5, 9, dem aktiven Festkörperlasermedium 3, dem Polarisationselement 2 und dem Gütesteuerungselement 8 ein linear polarisierter Grundimpulslaserstrahl erzeugt, und ein Anteil dieses Strahls wird von dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 6b, der das Wellenlängenumwandlungselement 12 bildet und im Inneren des Laserresonators angeordnet ist, zu einem Laserstrahl der zweiten Harmonischen umgewandelt.
Ein Anteil des so erzeugten Laserstrahls der zweiten Harmonischen und ein Anteil des Grundlaserstrahls, der nicht zu dem Laserstrahl der zweiten Harmonischen umgewandelt wurde, werden zu einem Summenfrequenzlaserstrahl von dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 7b des Wellenlängenumwandlungselements 12 umgewandelt. Der so erzeugte Summenfrequenzlaserstrahl wird an dem Spiegel 5 extrahiert, und der Laserstrahl der zweiten Harmonischen wird an dem Spiegel 4 extrahiert.
Bei der Bildung des Wellenlängenumwandlungselements 12 des in 12 gezeigten Lasers mit Wellenlängenumwandlung, in dem der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall 6b und der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall 7b integriert sind, ist es notwendig, den die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 6b und den die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 7b so einzustellen, daß die Toleranzen des Überlappungsbereichs ihres Phasenanpassungswinkels größer werden.
Dabei ist es bekannt, daß sich der Phasenanpassungswinkel des Wellenlängenumwandlungskristalls in Abhängigkeit von der Temperatur des Kristalls ändert. Im allgemeinen besteht jedoch zwischen dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 6b und dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 7b ein Unterschied in der Art und Weise, wie sich der Winkel ändert (der Richtung, in der sich der Phasenanpassungswinkel ändert, und dem Betrag der Änderung).
In einem Fall, in dem ein Summenfrequenzerzeugungslaser mit hoher Ausgangsleistung unter Verwendung der in 12 gezeigten Anordnung gebaut wird, tritt in dem Wellenlängenumwandlungselement 12 aufgrund der hohen mittleren Ausgangsleistung eine Temperaturänderung auf, was zu Änderungen der Phasenanpassungswinkel mit unterschiedlichen Beträgen und in unterschiedlichen Richtungen zwischen dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 6b und dem die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall 7b führt.
Um auch in einem solchen Fall einen geeigneten Phasenanpassungsvorgang zu ermöglichen, muß die Toleranz des Phasenanpassungswinkels bis zu einem Wert erweitert werden, bei dem in der Praxis kein Problem auftritt.
Wie 12 zeigt, ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 6b kürzer als die Länge des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristallbereichs 7b vorgegeben, so daß die Toleranz bezüglich des Phasenanpassungswinkels des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls 6b größer vorgegeben sein kann, so daß es möglich wird, das Wellenlängenumwandlungselement 12 auf einfache Weise herzustellen.
Ferner ist es möglich, eine Vorrichtung zu bauen, die eine ausreichende Toleranz in bezug auf Änderungen des Phasenan passungswinkels infolge von Temperaturänderungen hat, die beim Erzeugen eines Laserstrahls mit hoher Ausgangsleistung auftreten.
AUSFÜHRUNGSFORM 12
13 zeigt schematisch eine Ausbildung der Ausführungsform 12 der Erfindung. Dabei wird anstelle der Spiegel 4 und 5 von 1 ein optisches Laserstrahl-Trennelement 5b wie etwa ein Prisma verwendet, das die Wellenlängenzerlegung in der Brechzahl nutzt, und durch Verwendung des optischen Laserstrahl-Trennelements wird die Trennung in die Grundwelle, den Laserstrahl der zweiten Harmonischen (2ω in 13) und den Laserstrahl der dritten Harmonischen (3ω in 13), der als der Summenfrequenzlaserstrahl dient, ausgeführt. Auch bei dieser Anordnung kann der gleiche Betrieb wie in 1 durchgeführt werden, und es ist möglich, eine stabile Laservorrichtung mit hoher Reproduzierbarkeit zu erhalten.
14 zeigt schematisch den Aufbau einer Anordnung zur Anwendung des Lasers gemäß der Erfindung. In 14 bezeichnet 17 eine Lichtquelle einer Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei die Lichtquelle von einem der Laser mit Wellenlängenumwandlung der 1, 10, 11, 12 und 13 gebildet ist. 13 ist ein Laserstrahl-Umlenkspiegel, 14 ist ein Laserstrahl-Formungs- und -Sammelelement, wie etwa ein Objektiv, 15 ist ein Laserstrahl, der zum Bearbeiten genutzt wird, und 16 ist ein Bearbeitungsobjekt.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung, die entsprechend 14 ausgebildet ist, wird der Laserstrahl, der von einem der Laser mit Wellenlängenumwandlung 17 der 1, 10, 11, 12 und 13 erzeugt wird, von dem Umlenkspiegel 13 umgelenkt, von dem Element 14 geformt und fokussiert und zum Auftreffen auf das Bearbeitungsobjekt 16 gebracht, damit dieses bearbeitet wird.
Da in der Laserbearbeitungsvorrichtung, die entsprechend 14 aufgebaut ist, ein Laserstrahl verwendet wird, der stabil mit hoher Reproduzierbarkeit von einem der Laser mit Wellenlängenumwandlung 17 der 1, 10, 11, 12 und 13 erzeugt wird, kann ein stabiler Bearbeitungsprozeß mit hoher Reproduzierbarkeit ausgeführt werden.
Auch wenn einer der Bestandteile des Lasers mit Wellenlängenumwandlung 17 (eines der optischen Teile, wie etwa ein Halbleiterlaser und Lampen in der Pumplichtquelle, Wellenlängenumwandlungskristalle und Spiegel) beschädigt wird und ausgewechselt werden muß, können die Neueinstellungen auf einfache Weise durchgeführt werden, und die Einstellungen des optischen Systems und des Resonators können in kurzer Zeit abgeschlossen werden.
Es ist somit möglich, die Laservorichtung auf einfache Weise in den Zustand vor der Reparatur zu bringen und außerdem den Bearbeitungsvorgang nach der Reparatur unter den gleichen Betriebsbedingungen wie vor der Reparatur wieder aufzunehmen.
Auf diese Weise ist die Laserbearbeitungsvorrichtung, die einen der Laser mit Wellenlängenumwandlung 17 der 1, 10, 11, 12 und 13 verwendet, hinsichtlich ihrer Stabilität überlegen und kann Bearbeitungsvorgänge mit hoher Reproduzierbarkeit ausführen.

Claims

Laser mit Wellenlängenumwandlung zum Erzeugen eines Summenfrequenzlaserstrahls, der folgendes aufweist: – einen Laserresonator (1, 9); – ein aktives Festkörperlasermedium (3); – einen Wellenlängenumwandlungskristall (6) zum Erzeugen der zweiten Harmonischen; und – einen Wellenlängenumwandlungskristall (7) zum Erzeugen einer Summenfrequenz; – wobei das aktive Festkörperlasermedium, der Wellenlängenumwandlungskristall (6) zum Erzeugen der zweiten Harmonischen und der Wellenlängenumwandlungskristall (7) zum Erzeugen einer Summenfrequenz innerhalb des Laserresonators angeordnet sind und – wobei die Länge des die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls (6) entlang einer optischen Achse kürzer eingestellt ist als diejenige des die Summenfrequenz erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristalls (7), so daß die Leistung der resonatorinternen Erzeugung der Summenfrequenz optimiert wird.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall als Wellenlängenumwandlungskristall zum Erzeugen der dritten Harmonischen dient.
Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall eine Vielzahl von Wellenlängenumwandlungskristallen aufweist.
Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall zwei Wellenlängenumwandlungskristalle (7a, 10) aufweist, um einen Laserstrahl der vierten Harmonischen zu erzeugen.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall zwischen dem aktiven Festkörperlasermedium und dem die zweite Harmonische erzeugenden Wellenlängenumwandlungskristall positioniert ist.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Resonatorgütewert-Modulationselement (8) in dem Resonator.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Winkeljustiereinrichtung, die den Winkel von wenigstens einem der Wellenlängenumwandlungskristalle mit einer Präzision von nicht mehr als ±0,1° justiert.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Temperaturjustiereinrichtung, die die Temperatur von wenigstens einem der Wellenlängenumwandlungs kristalle mit einer Präzision von nicht mehr als ±0,5°C justiert.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Polarisationssteuerungselement (11) in dem Resonator.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Festkörperlasermedium aus einem Material aus der Gruppe Nd:YAG, Nd:YLF und Nd:YVO₄ besteht.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein LBO(LiB₃O₅)-Kristall wenigstens entweder als der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall oder als der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall verwendet wird.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung des Summenfrequenzlaserstrahls nicht geringer als 1 W ist.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der die zweite Harmonische erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall und der die Summenfrequenz erzeugende Wellenlängenumwandlungskristall zu einem integrierten Wellenlängenumwandlungselement (19) ausgebildet sind, so daß die Temperatur oder der Winkel der Wellenlängenumwandlungskristalle integral justiert wird.
Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Bearbeitungsobjekts, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangslaserstrahl verwendet wird, der von dem Laser mit Wellenlängenumwandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Lichtquelle erzeugt wird.