DE2606526A1

DE2606526A1 - Optische parametrische einrichtung

Info

Publication number: DE2606526A1
Application number: DE19762606526
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Guilino
Original assignee: Garching Instrumente
Current assignee: Garching Instrumente
Priority date: 1976-02-18
Filing date: 1976-02-18
Publication date: 1977-08-25
Also published as: US4085335A

Description

DK. ING. HRNST SOMMERFELD

DR. DIETER V. BKZOLD DIPL. INO. PETER SCHÜTZ

DIPL. IxNG. AVOLFGANG IIEÜSLER τκι,εγο* ₀, D-8 MUEXCITEX 86 «Τββιο MAPIA-TIIEHESIA-STItASSE 2t TELEX 022088 POSTFACH ββΟβββ TElEOHAMM SOMBEZ

G-I 344 18. Februar 1976

9817-76 Dr.v.B/S

Garching Instrumente - Gesellschaft zur industriellen Nutzung von Forschungsergebnissen mbH.

8046 Garching
Freisinger Landstrasse 25

Optische parametrische Einrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische parametrische Einrichtung mit einem durch Spiegel begrenzten optischen Resonator, einem im Resonator-Strahlengang zwischen den Spiegeln angeordneten, optisch nichtlinearen Medium, und einer Kopplungsanordnung zum Einkoppeln einer Primärstrahlung vorgegebener Frequenz sowie zum Auskoppeln von bezüglich der Primärstrahlungsfrequenz frequenzverschobener Sekundärstrahlung, die durch parametrische Wechse!wirkung im nichtlinearen optischen Medium aus der Primärstrahlung entsteht, in den bzw. aus dem optischen Resonator.

Eine Übersicht über bekannte optische parametrische Einrichtungen der oben genannten Art findet sich in einer Veröffentlichung von Stephen E. Harris in den "PROCEEDIIiGS OP THE IEEE", Band 57, Nr. 12, Dezember 1969, Seiten 2096 bis 2113.

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Mit einer optischen parametrischen Einrichttmg kann bekanntlich mittels des optisch nichtlinearen Mediums durch parametrische Wechselwirkung aus einer monochromatischen kohärenten Primärstrahlung eine Sekundärstrahlung erzeugt werden, die zwei Komponenten enthält, von denen die eine eine kürzere und die andere eine längere Wellenlänge hat als die Primärstrahlung. Die Wellenlänge einerSekandärStrahlungskomponente ist frei wählbar und läßt sich durch geeignete Anordnung (Drehung) des optisch nichtlinearen Mediums im optischen Resonator der parametris chen Einrichtung einstellen, die Wellenlänge der anderen Komponente ergibt sich dann aufgrund des Energiesatzes. In Verbindung mit einer kohärenten PrimärstjDatüi^auelle, z.B. einem Laser, ergibt eine optische parametrische Einrichtung also eine Quelle für optische Strahlung, deren Wellenlänge in einem gewissen !Frequenzbereich mehr oder weniger frei wählbar ist.

Als optisch nichtlineare Medien werden derzeit dielektrische oder ferroelektrisch^ Kristalle verwendet, z.B. aus KDP, LiNbO₅, Ba₂ Ma(EbO₅),- ("Banana") oder LiJo₅. I_n allen bisher bekannten nichtlinearen Medien ist die parameirische Wechselwirkung jedoch verhältnismäßig schwach, und man muß das nichtlineare Medium daher in der Praxis in einem durch Spiegel gebildeten optischen Resonator anordnen, so daß die Strahlung das Medium mehrfach durchläuft. Dies bringt nun erhebliche Probleme hinsichtlich der Ein- bzw. Auskopplung der Strahlung in den bzw. aus dem optischen Resonator mit sich. Die Ein- und Auskopplung der Strahlung fand bisher durch die den Resonator begrenzenden Spiegel statt, die daher also für die Primärstrahlung möglichst gut durchlässig und für die Sekundärsträiung möglichst gut reflektierend sein sollen. Diese !Forderung ist vor allem dann schwer zu erfüllen, wenn die parametrische Einrichtung hinsichtlich der Wellenlänge der Sekundärstrahlung durchstimmbar sein soll, da dann die Spiegel über einen nahe an die Primärstrahlungswellenlänge anschließen-

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den, möglichst breiten Wellenlängenbereich ein hohes Reflexions vermögen (in der Praxis mindestens 80 bis 95$) haben müssen. Diese Forderungen können selbst mit den höchstentwickelten dichroitischen Spiegeln aus dielektrischen Vielfachschichten nur unvollkommen und mit sehr hohem Aufwand verwirklicht werden, und man muß daher in der Praxis den Durchstimmbereich in viele Teilbereiche aufspalten, für die jeweils ein eigner Spiegelsatz benötigt wird. Die Durchstimmbarkeit wird daher durch häufigen Spiegelwechsel praktisch sehr stark behindert, und die Kosten für die verschiedenen Spiegelsätze sind außerordentlich hoch. Außerdem steht die !förderung nach einer hohen Transparenz bei der Primärstrahlungsv/ellenlänge im Widerspruch zu der Forderung hohen Reflexionsvermögens bei Sekundärstrahlungswellenlängen, dieSabbaanonisehe der Primäretrahlung darstellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine optische parametrische Einrichtung anzugeben, die mit preiswerten und einfach herzustellenden Spiegeln auskommt und trotzdem einen hohen Wirkungsgrad hat.

Diese Aufgabe wird durch eine optische parametrische Einrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kopplungsanordnung einen im Strahlengang des optischen Resonators schräg angeordneten dichroitischen Spiegel enthält, der ein hohes Reflexionsvermögen für die Primärstrahlung und eine hohe Durchlässigkeit für die Sekundärstrahlung hat.

Dichroitisch^ Spiegel, die in einem bestimmten, schmalen Wellenlängenbereieh ein hohes Reflexionsvermögen haben, sonst aber im wesentlichen transparent sind, lassen sich wesentlich einfacher und billiger herstellen als Spiegel mit Bandpaßoder Tiefpaßcharakteristik, wie sie bei den bekannten parametrischen Einrichtungen benötigt werden. An die eigentlichen Resonatorspiegel werden hinsichtlich der Wellenlängenselektivität keine Anforderungen gestellt, und man kann sie daher als

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iietallspiegel ausbilden, die sich durch ein sehr hohes Reflexionsvermögen im ganzen interessierenden Wellenlängenbereich auszeichnen und preiswert hergestellt werden können. Bei einer durchstimmbaren optischen parametrischen Einrichtung gemäß der Erfindung läßt sich mit einem Spiegelsatz praktisch der ganze WeLenlängentereich, der sich mittels des parametrischen Kristalles überstreichen läßt, erfassen und auch die Umrüstung auf andere Primärstrahlungswellenlängen erfordert hinsichtlich der Spiegelanordnung im Prinzip nur die Auswechslung des schräg im Strahlengang angeordneten Kopplungsspiegels,

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

IPig. 1 eine schematische Darstellung einer optischen parametrischen Einrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Pig. 2 eine entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die in I¹Ig. 1 dargestellte optische parametrische Einrichtung enthält einen optischen Resonator, der durch zwei Resonatorspiegel 10 und 12 begrenzt ist. Im Strahlengang zwischen den Resonatorspiegeln befindet sich ein optisch nichtlineares, parametrisches Medium, das aus einem der oben erwähnten bekannten KristalLe bestehen und in bekannter Weise in einer sogenannten Kristallzelle 14 angeordnet sein kann.

Zur Erzeugung der Primärstrahlung für die parametrische Einrichtung dient eine Primärstrahlungsquelle 16, die z.B. einen Rubinlaser 18 und eine Erequenzverdopplereinheit 20 enthalten kann. Die Primärstrahlungsquelle 16 liefert ein monochromatisches, kohärentes Primärstrahlungsbündel 22, das über zwei Koppelspiegel 24 und 26 in den Resonatorstrahlengang eingekoppelt ist. Die Koppelspiegel 24 und 26 reflektieren lediglich in einem schmalen Wellenlängenbereich um die Primär-

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Strahlungswellenlänge und sind sonst praktisch transparent. Sie können aus dielektrischen Mehrfachschichten auf einem Substrat aus hochreinem Quarzglas bestehen. Bei Verwendung frequenzverdoppelter Rubinlaserstrahlung liegt das praktisch 100 fi betragende Reflexionsmaximum bei 347 nm, es kann in der Praxis z.B. eine Halbwertsbreite von + 20 nm haben. Praktische Spiegel dieser Art lassen sich preiswert herstellen, wobei die Transmission für Wellenlängen oberhalb des Reflexionsbereiches bis zur Transparenzgrenze des Substrats etwa 87 bis 96$ betragen kann.

Die Resonatorspiegel 10 und 12 können jeweils aus einer Metallschicht, z.B. Silberschicht, auf einem geeigneten Substrat, z.B. einer Quarzglasplatte, bestehen, da sie sowohl die Primärstrahlung als auch die Sekundärstrahlung reflektieren können.

Die Metallschichten 10a und 12a der Reaonatorspiegel 10 bzw. 12 können zum Schutz gegen Beschädigungen durch die intensive Primärstrahlung mit dielektrischen Mehrfachschichten 10b, 12b bedampft sein, die die Primärstrahlung gut reflektieren, sonst aber transparent sind. Diese Mehrfachschichten können in der Praxis gleichzeitig mit der Beschichtung der Koppelspiegel hergestellt _twerden und verteuern die Einrichtung dadurch kaum.

Die Auskopplung der Sekundärstrahlung aus dem optischen Resonator erfolgt mittels des Spiegels 26, dessen Restreflexion im Durchlaßbereich hierfür ausreicht. Ein kleiner Teil der vom Resonatorspiegel 12 zum Resonatorspiegel 10 reflektierten Sekundärstrahlung wird also durch den Koppelspiegel 26 aus dem Resonator heraus zum Koppelspiegel 24 reflektiert und der größte ' Teil dieser reflektierten Strahlung wird vom Koppelspiegel 24 durchgelassen, wie durch den punktierten Pfeil 28 angedeutet ist. Diese ausgekoppelte Strahlung gemäß dem Pfeil 28 kann dann, gegebenenfalls nach nochmaliger Filterung, nutzbar gemacht werden und stellt das Mutzsignal dar.

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Die Erfindung läßt sich mit besonderem Vorteil bei einer optischen parametrischen Einrichtung mit einem sogenannten Ringhohlraumresonator anwenden, wie er z.B. aus der eingangs genannten Veröffentlichung »PROCEEDINGS OF THE IEEE», Pig. 19, bekannt ist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Ringresonator ist in Pig. 2 dargestellt. Der optische Resonator wird durch drei Spiegel 10', 11' und 12' begrenzt, die so zueinander orientiert sind, daß sich ein dreieckförmiger (also näherungsweise ringförmiger) Resonatorstrahlengang ergibt. Die Spiegel 10·, 11* und 12¹ können so ausgebildet sein, wie es in Verbindung mit Pig. 1 bezüglich der Spiegel 10 und 12 erläutert wurde.

Im Resonatorstrahlengang ist eine Kristallzelle H¹ mit einem optisch nichtlinearen Medium angeordnet, die der Kristallzelle 14 in Pig. 1 entspricht.

Zur Einkopplung der Primärstrahlung 22' und zur Auskopplung der Sekundärstrahlung 28' wird bei der Ausführungsform gemäß Pig. 2 nur ein einziger Koppelspiegel 26' benötigt, der dem Koppelspiegel 26 in Pig. 1 entspricht und wie dieser bis auf einen schmalen Reflexionsbereich für die Primärstrahlung im wesentlichen transparent ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 2 ist der Koppelspiegel 26· so angeordnet, daß die eingekoppelte Primärstrahlung ohne weitere Reflexion direkt in die Kristallzelle H¹ fällt. Die Wellenlängen der Sekundärstrahlungskomponenten können durch Verdrehen der Kris tallzelle eingestellt werden. Vorzugsweis e wird gleichzeitig mit der Verdrehung der Kristallzelle H¹ auch der zusätzliche Spiegel 11' senkrecht zu seiner Ebene so verschoben, daß der optische Resonator immer jeweils optimal auf die Wellenlänge der Signalkomponente der Sekundärstrahlung abgestimmt ist. Die Kopplung und gemeinsame Verstellbarkeit der Kristallzelle und des Spiegels 11' ist durch eine strichpunktierte linie 30 -versinnbildlicht.

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Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 liat gegenüber der gemäß !«'ig. 1 den Vorteil, daß die Kristallzelle von der Primär- und Sekundärstrahlung nur in einer einzigen Richtung durchlaufen wird, es kann also keine ßückkonversion der Sekundärstrahlung»- komponenten in Primärstrahlung stattfinden, ferner ist die Resonatorgüte trotz des zusätzlichen Resonatorspiegels höher als bei 3Fig. 1, da die Verluste vermieden v/erden, die die Strahlung beia Durchlaufen der Kristallzelle in Gegenrichtung erleidet. Es ergibt sich also theoretisch der doppelte Konversions wirkungsgrad v/ie bei der Anordnung gemäß I¹Ig. 1. Auch die iCristallbelastung durch die Primärstrahlung ist nur halb so groß. Die Umrüstung auf eine andere Priraärstrahlungswellenlänge ist besonders einfach und billig, da nur ein neuer Koppelspiegel und gegebenenfalls ein neuer, anders geschnittener Kristall in der Kristallzelle benötigt wird.

In der Präzis genügt eine Verstellung des zusätzlichen Spiegels 11' um 5 mm bei einer Drehung der Kristallzelle um +16°. In der Praxis kann man mit einem parametrischen Oszillator gemäß 1"¹Ig. 1 und 2 einen Signalwellenbereich von etwa 0,4 bis 4 W& und mit einigen Unterbrechungen bis sogar 6 mn überstreichen.

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Claims

Patentansprüche

durch : 1 J Optische parametrische Einrichtung mit; einem/Spiegel

begrenzten optischen Resonator, einem im .Resonatorstrahlengang zwischen den Spiegeln angeordneten optisch nichtlinearen Medium, und einer Kopplungsanordnung zum Binkoppeln einer Primärstrahlung vorgegebener Frequenz sowie zum Auskoppeln von bezüglich der PrimärStrahlungsfrequenz frequenzverschobener Sekundärstrahlung, die durch parametrische Wechselwirkung im nichtlinearen optischen Medium aus der Primärstrahlung entsteht, in den bzv/. aus dem optischen Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsanordnung einen im Strahlengang des optischen Resonators (10, 12; 10^f, 11', 12') schräg angeordneten dichroitischen Spiegel (26, 26') enthält, der ein hohes Reflexionsvermögen für die Primärstrahlung und eine hohe Durchlässigkeit für die Sekundärstrahlung hat.

. 2. Optische parametrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelspiegel (26, 26^!) eine Interferenzschichtanordnung enthält, die ein Reflexionsmaximum bei der Wellenlänge der Primärstrahlung hat und sonst in einem vorgegebenen Sekundärstrahlungswellenlängenbereich eine möglichst hohe Transmission hat.

3. Optische parametrische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den optischen Resonator begrenzenden Spiegel (10, 12; 10', 11», 12') jeweils eine metallische Reflexionsschicht enthalten.

4. Optische parametrische Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der metallischen Re flexions schicht eine dielektrische Vielfach-

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schicht angeordnet ist, die ein Reflexion smaximum bei der Wellenlänge der Erimärstrahlung hat.

5. Optische parametrische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , da durch gekennzeichnet, daß die Primärstrahlung (22) durch einen zweiten dichroitischen Koppelspiegel (24), der ein Reflexionsmaximum bei der Wellenlänge der Primärstrahlung hat, auf den im Resonatorstrahlengang angeordneten Koppelspiegel (26) reflektiert wird (Pig. 1).

6. Optische parametrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator durch mindestens drei Spiegel (10¹, 11', 12') begrenzt ist, die so angeordnet sind, daß der Resonatorstrahlengang eine ringartige Geometrie hat.

7„ Optische parametrische Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch nichtlineare Medium (14¹) verdrehbar und einer (11') der Resonatorspiegel zur Änderung deroptischen länge des Resonatorstrahlenganges verstellbar ist.

8. Optische parametrische Einrichtung nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (30) zum gleichzeitigen Verdrehen und Verstellen des optisch nichtlinearen Mediums bzw. des Resonatorspiegels.

9. Optische parametrische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn ze ic hn e t , daß der Koppelspiegel (26, 26«) derart im Resonatorstrahlengang angeordnet ist, daß die von ihm in den Resonator reflektierte Primärstrahlung ohne vorherige Reflexion an einem Resonatorspiegel auf das optisch nichtlineare Medium fällt.

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