DE3736881A1 - Modengekoppelter laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen modengekoppelten Laser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die passive Modenkopplung ist ein bekanntes Verfahren, um mit Lasern ultrakurze Impulse (d.h. solche von weniger als 100 ps Halbwertsbreite) zu erzeugen. Es ist bekannt zur passiven Modenkopplung eine dünne Küvette mit einer Farbstofflösung, die die Laserwellenlänge absorbiert, dicht vor einem Resonatorspiegel im Resonator anzuordnen. Da die Transmission einer solchen Farbstofflösung bei geeignet ausgewählten Farbstoffen von der einfallenden Lichtintensität abhängt, weil höhere Lichtintensitäten mehr Farbstoffmoleküle in einen angeregten Zustand ver­ setzen, in welchem sie das Laserlicht nicht oder nur noch geringfügig absorbieren können, also ausbleichen, wird beim Anschwingen des Lasers, wenn noch starke Schwankungen (Photonenrauschen) vorhanden sind, jeweils nur die stärkste Rauschspitze durch die Farbstofflösung relativ wenig ge­ schwächt durchgelassen, während die schwächeren Rauschspit­ zen stark unterdrückt werden. Es bildet sich so ein im Resonator hin- und herlaufender, immer steiler und kürzer werdender Impuls aus, von dem bei jedem Auftreffen auf den Auskoppelspiegel ein gewisser Bruchteil ausgekoppelt wird, so daß auf diese Art und Weise am Ausgang des Lasers ein Zug von ultrakurzen Impulsen austritt.

Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen vor allen Dingen in der geringen photochemischen Beständigkeit der Farbstoff­ lösung, in der kritischen Einstellung der Farbstoffkonzen­ tration sowie der Position und Dicke der Farbstoffküvette. Die oftmals benötigte Emission bei der halben Wellenlänge kann in diesem Fall nur durch externe Frequenzverdopplung in einem Frequenzverdopplerkristall erzeugt werden und nicht durch die im allgemeinen besonders effiziente Verdopp­ lung innerhalb des Resonators, da die Farbstofflösungen bei der halben Laserwellenlänge häufig starke Absorption zeigen, die zu hohen Verlusten führt.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen modengekoppelten Laser mit einer Einrichtung zur passiven Modenkopplung anzugeben, welche eine gute Bestän­ digkeit besitzt und einfach anwendbar ist, eine kurze Ansprechzeit aufweist und außerdem eine Frequenzvervielfa­ chung oder allgemeiner eine Frequenzumsetzung innerhalb des Resonators erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch einen modengekoppelten Laser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht eine wesentlich stabilere Erzeugung ultrakurzer Impulse durch passive Modenkopplung eines Lasers als dies bisher der Fall war. Die bekannten nichtlinearen optischen Kristalle haben zumeist eine sehr hohe Zerstörungsschwelle im Vergleich zu einer Küvette mit Farbstofflösung und sind in ihren Eigenschaften zeitlich konstant im Gegensatz zur Farbstoff­ lösung. Ferner ist die vorliegende Einrichtung leicht aufzubauen und einzujustieren und benötigt keine zusätz­ lichen Hilfseinrichtungen wie etwa bei einer Küvette mit Farbstofflösung eine zugehörige Umwälzpumpe, um Schlieren in der Lösung zu vermeiden und eine etwas größere Langzeit­ konstanz der Absorption zu erreichen. Ferner ergibt sich im Gegensatz zu den endlichen Relaxationszeiten der Farb­ stoffe in einer Lösung nach dem herkömmlichen Verfahren im erfindungsgemäßen Verfahren eine unmeßbar kurze Ansprech­ zeit durch rein elektronische Vorgänge so daß im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren die Kürze der erzielbaren Impulse nur noch vom aktiven Medium abhängt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung des Aufbaus eines modengekoppelten Lasers gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der vorliegenden Erfin­ dung, und

Fig. 3 ein Oszillogramm, das den Zeitverlauf eines mit einem Laser nach Fig. 1 erzeugten Laserimpulszuges wiedergibt.

Der Laser gemäß Fig. 1 enthält einen Laserresonator mit einem ersten Resonatorspiegel (7) und einem zweiten Reso­ natorspiegel (5), ein aktives Medium (6), ein frequenzver­ doppelndes Element, wie einen Frequenzverdopplerkristall (1) mit antireflexbelegten Eintritts- und Austrittsflächen (2) und (3), eine drehbar angeordnete planparallele Glas­ platte (4) und einen dichroitischen Spiegel (8), der eine relativ hohe Transmission für die Grundwellenlänge der vom Lasermedium (6) emittierten Strahlung aufweist und eine maximale Reflexion für die Wellenlänge der frequenzver­ doppelten Strahlung. Der Resonator-Spiegel (7) hat eine maximale Reflexion bei der Grundwellenlänge, dagegen hat der Resonator-Spiegel (5) bei der Grundwellenlänge eine relativ niedrige Reflexion R, vorzugsweise im Bereich von R = 0,05 bis etwa R = 0,3 und eine maximale Reflexion für die frequenzverdoppelte Strahlung.

Wird nun das aktive Medium (6) über die Schwelle der Laser­ oszillation gepumpt, so wird in dem Frequenzver­ dopplerkristall (1) ein Teil der Laserstrahlung in fre­ quenzverdoppelte Strahlung umgesetzt. Der Umwandlungsgrad h wächst bekanntlich proportional zur Laserstrahlungsinten­ sität an. Hat die vom Spiegel (5) reflektierte frequenz­ verdoppelte Strahlung beim Wiedereintritt in den Frequenz­ verdopplerkristall die richtige Phasenlage, so wird sie zum größten Teil wieder in die Grundfrequenz zurück­ verwandelt. Durch die unterschiedliche Dispersion in Luft und Glas für die beiden Wellenlängen läßt sich dies immer erreichen, beispielsweise indem man die Glasplatte (4) um einen kleinen Winkel dreht, um eine etwas veränderte optische Weglänge zu erreichen, bei der diese Bedingungen erfüllt sind, oder indem man den Spiegel (5) längs der optischen Achse bewegt oder aber auch den Luftdruck im Resonator entsprechend ändert. Der Gesamteffekt ist der, daß sich tatsächlich für die Grundfrequenz eine effektiv höhere Reflektivität ergibt als ohne Frequenzverdoppler oder bei falsch eingestellter Phasenanpassung zwischen Grundfrequenz und Oberwelle.

Eine genauere theoretische Betrachtung zeigt, daß die effektive Reflektivität, die durch dieses nichtlineare Verhalten des Frequenzverdopplerkristalls hervorgerufen wird und hier mit R _n1 bezeichnet werden soll, gegeben ist durch

R _{n 1} = [η R₂ + (1 - h ) R₁]{1 - tanh²{[η R₂ + (1 - η ) R₁]^1/2 · artanh - artanh{(η R₂)^1/2/[η R₂ + (1-η )R₁]^1/2}}}.

Dabei ist R ₁ der (lineare) Reflexionskoeffizient des Spiegels (5) für die Grundwelle und R ₂ der (lineare) Reflexionskoeffizient des Spiegels (5) für die frequenverdoppelte Welle. Für den Fall η=0,5, d.h. also für einen Wirkungsgrad von 50% bei der Umwandlung der Grundfrequenz in die Oberwelle, zeigt Fig. 2 eine Kurvenschar, die die Intensität der reflektierten Strahlung von der Kombination Frequenzverdopplerkristall (1), Glasplatte (4) und Spiegel (5) als Funktion der normierten Eingangsintensität mit R ₁ als Parameter darstellt, wobei die durchgezogenen Linien jeweils für die nichtlineare Reflexion R _n1 und die gestrichelten Linien für die lineare Reflexion R ₁ ohne Frequenzverdopplerkristall gelten.

Da auch bei der erfindungsgemäßen Laseranordnung wieder Rauschspitzen erhöhter Intensität zu einer erhöhten Re­ flexion und damit zu einer größeren Rundumverstärkung führen, wird sich, ähnlich wie bei der bekannten Einrichtung zur passiven Modenkopplung wiederum ein einzelner ultrakur­ zer Impuls herausbilden, der im Resonator umläuft. Entspre­ chend wird nicht nur bei der Grundwellenlänge, sondern auch bei der Oberwelle ein ultrakurzer Impuls entstehen, der allerdings zum größten Teil wieder in der eben geschilderten Art und Weise durch den Frequenzverdopp­ lerkristall zur Grundwelle zurücktransformiert wird. Jedoch kann der Rest des nicht zurückgewandelten frequenzverdoppel­ ten Lichts durch den dichroitischen Spiegel (8) als kurzer Impuls bei der halben Wellenlänge der Grundwelle ausgekop­ pelt werden.

Fig. 3 ist ein Oszillogramm, das den Zeitverlauf eines Laserimpulszuges, der in einer Anordnung gemäß Fig. 1 erzeugt wurde, wiedergibt. Da dieses Oszillogramm mit einer Photodioden-Oszillographen-Kombination mit einer Anstiegszeit von 350 ps aufgenommen wurde, ist die wahre Impulsbreite nicht zu erkennen. Durch ein nichtlineares optisches Verfahren wurde jedoch festgestellt, daß diese unter 100 ps liegt. Die erzielbare Halbwertsbreite wird nach unten hin durch das nichtlineare optische Medium (6) begrenzt, nicht aber durch die Anordnung aus dem nicht­ linearen optischen Kristall, der Glasplatte und dem Spiegel, da die Ansprechzeit des nichtlinearen optischen Kristalls durch rein elektronische Vorgänge bestimmt wird und daher praktisch unmeßbar kurz ist.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt den besonders einfachen Fall der Verwendung eines Frequenzverdoppler­ kristalls, im Prinzip kann bei der vorliegenden Erfindung statt eines Frequenzverdopplerkristalls jedoch auch eine andere nichtlineare optische Einrichtung, die reversibel die Grundfrequenz in eine oder mehrere andere Wellenlängen umsetzt, verwendet werden. Man kann also als nichtlineare optische Einrichtungen auch Anordnungen mit zwei Kristallen benutzen, durch die sich insgesamt eine Frequenzverdrei­ fachung nach bekanntem Verfahren erreichen läßt, oder aber parametrische optische Kristalle, die die Grundfrequenz in zwei niedrigere Frequenzen aufspalten, deren Summe wieder gleich der Grundfrequenz ist. Da solche Abwandlungen für den Fachmann aus dem oben erläuterten Beispiel mit dem Frequenzverdopplerkristall leicht ableitbar sind, kann auf Einzelheiten verzichtet werden. Ebenso lassen sich noch weitere Varianten angeben, die für den Fachmann bei Bedarf leicht realisierbar sind, beispielsweise kann der dichroitische Spiegel (8) weggelassen werden und die Auskopplung der durch das nichtlineare Medium (6) hindurch­ getretenen frequenzverdoppelten Strahlung durch den Spiegel (7) erfolgen, der dann für die frequenzverdoppelte Strahlung vorzugsweise maximale Transmission hat. Dies ist allerdings nur dann sinnvoll, wenn das aktive Medium (6) keine nennens­ werte Absorption für die frequenzverdoppelte Welle aufweist, wie es beispielsweise im Falle von Nd-YAG der Fall ist.

Es wurde auch schon erwähnt, daß die Glasplatte (4) zur Phasenanpassung wegfallen kann, (obgleich sie ein besonders bequemes Mittel zur Erzielung der Phasenanpassung durch einfache Rotation der Glasplatte darstellt), wenn die Dispersion der Luft zwischen dem nichtlinearen optischen Kristall (1) und dem Spiegel (5), zwischen denen dann der richtige Abstand eingestellt werden muß, ausgenutzt wird. Ebenso wurde auch erwähnt, daß statt der Änderung der Spiegelstellung eine Änderung des Druckes der Luft vorgenommen werden kann, was besonders dann zweckmäßig ist, wenn die ganze Anordnung sowieso schon, z. B. aus Gründen des Staubschutzes, in ein Druckgefäß eingebaut ist.

Bei einer Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens wird gleichzeitig eine Güteschaltung im Resonator nach bekannten Verfahren vorgenommen, z. B. mittels einer Pockelszelle. Schließlich kann das vorliegende Verfahren genauso wie das bekannte Verfahren zur passiven Modenkopplung sehr gut in Verbindung mit einem aktiven Verfahren zur Moden­ kopplung eingesetzt werden, beispielsweise mittels eines akustooptischen Modenkopplers. Dadurch wird bekanntlich eine besonders hohe Amplitudenstabilität erreicht.

Geeignete Materialien für die nichtlineare optische Einrichtung sind Kristalle aus KDP, KTP, KDDP, Lithiumniobat u. a. m.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Resonator eine Länge von etwa 1 Meter, die ziemlich unkritisch ist, das aktive Lasermedium ist Nd-YAG und die nichtlineare optische Einrichtung ist ein Frequenzver­ dopplungskristall aus KTP. Das Reflexionsvermögen des einen Resonatorspiegels (5) beträgt bei der Grundwellen­ länge 1060 nm der Nd-YAG-Strahlung etwa 30% und bei der frequenzverdoppelten Nd-YAG-Strahlung (530 nm) im wesent­ lichen 100%.

Claims (8)

1. Modengekoppelter Laser mit einem aktiven Medium, ferner mit einem durch einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel begrenzten Resonator, in dem das aktive Medium angeordnet ist, und mit einer zwischen dem aktiven Medium und dem zweiten Spiegel angeordneten nichtlinearen optischen Einrichtung zur passiven Modenkopplung, welche eine bevorzugte Verstärkung von Strahlung höherer Intensität gegenüber Strahlung niedrigerer Intensität bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare optische Einrichtung (1) eine grundfrequente Strahlung des Lasers derart reversibel in Strahlung einer ersten Frequenz und Strahlung einer zweiten Frequenz umwandelt, daß mit zunehmender Intensität der Anteil der Strahlung der zweiten Frequenz wächst, und daß der zweite Spiegel (5) bei der zweiten Frequenz stärker reflektiert als bei der ersten Frequenz.

2. Modengekoppelter Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare optische Einrich­ tung (1) ein frequenzverdoppelndes optisches Element enthält, bei dem die erste Frequenz die einfache und die zweite Frequenz die doppelte Grundfrequenz des Lasers ist.

3. Modengekoppelter Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare optische Einrich­ tung (1) so ausgebildet ist, daß die erste Frequenz die einfache und die zweite Frequenz die dreifache Grundfrequenz des Lasers ist.

4. Modengekoppelter Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlineare optische Einrich­ tung (1) ein parametrisches optisches Element enthält, bei dem die Grundfrequenz die Summe der ersten und der zweiten Frequenz ist.

5. Modengekoppelter Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (4) zum Einstellen der Phasenlage der vom zweiten Spiegel (5) reflektierten Strahlung.

6. Modengekoppelter Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4) zur Einstellung der Phasenlage eine zwischen der nichtlinearen optischen Einrichtung (1) und dem zweiten Spiegel (5) drehbar angeordnete planparallele Glasplatte enthält.

7. Modengekoppelter Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine zwischen dem ak­ tiven Medium (6) und der nichtlinearen optischen Einrichtung (1) angeordnete Einrichtung (8) zum Auskop­ peln der Strahlung der zweiten Wellenlänge aus dem Resonator.

8. Modengekoppelter Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (8) zum Auskoppeln der Strahlung der zweiten Wellenlänge einen dichro­ itischen Spiegel enthält, der die Strahlung der zwei­ ten Frequenz stärker reflektiert als die Strahlung der ersten Frequenz.