DE4306919A1 - Mikrokristall-Laser - Google Patents

Mikrokristall-Laser

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Description

Mikrokristall-Laser sind seit vielen Jahren bekannt und zum Beispiel in Demtröder, Laser Spectroscopy, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2. Auflage 1982, S. 286, oder in EP 0 327 310 A2 beschrieben.
Mikrokristall-Laser basieren auf dem Prinzip, daß der Laserresonator hinreichend kurz ist so, daß aufgrund des großen Modenabstandes nur eine einzige Resonatormode innerhalb der Verstärkungsbandbreite des laseraktiven Materials verstärkt werden kann.
Eine andere Methode, single-frequency-Betrieb zu erhalten, ist beschrieben in Siegman, Lasers, Univ. Science Books, Mill Valley, California, S. 486 sowie in Kintz, Baer, IEEE J. QE, Vol. 26, No. 9. Sept. 1990 S. 1457 ff, und basiert auf der Positionierung eines Laser­ spiegels sehr dicht am laseraktiven Medium, welches hinreichend kurz ist so, daß aufgrund des hole-burning im laseraktiven Material höhere Moden durch mode-competition nicht entstehen können.
Aus P 41 01 521.5-33 ist bekannt, daß Mikrokristall-Laser auf mehreren Linien simultan emittieren können, welche mehreren Laserübergängen im laseraktiven Material zugeschrie­ ben werden können. Der Laser emittiert somit auf mehreren Frequenzen gleichzeitig, ohne daß es sich hierbei um höhere Moden handelt, sondern vielmehr um unabhängige Übergänge zwischen den aufgrund des Stark-Effekts aufgespaltenen Niveaus.
Für eine Vielzahl von Anwendungen wie etwa der kohärenten Meßtechnik und der kohären­ ten Nachrichtentechnik ist die simultane Emission auf mehreren Laserlinien störend und unerwünscht.
Aus P 4218532.7 ist weiter ein Verfahren bekannt, mit Hilfe dessen durch Feinänderung der Resonatorlänge durch thermische Stabilisierung auf eine bestimmte, feste Temperatur die Emission von mehreren simultanen Frequenzen vermieden werden kann.
Durchstimmbare single-frequency-Laser sind von besonderer Bedeutung zum Beispiel für die kohärente Meß- und Nachrichtentechnik.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrokristall-Laser so auszu­ führen, daß single-mode-Emission auf nur einer Laserlinie erfolgt, welche aber zusätzlich über einen bestimmten Frequenzbereich durchstimmbar ist, ohne daß hierbei weitere Laser­ linien auftreten können.
Diese Aufgabe wird durch eine geeignete Dimensionierung des Laserkristalles gemäß den in Anspruch 1 sowie den folgenden Ansprüchen formulierten Kriterien in überraschend einfa­ cher Weise gelöst.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Lehren der oben genannten Referenzzitate nicht ausrei­ chend. Vielmehr müssen zusätzlich zu der dort beschriebenen Maximallänge des Mikrokri­ stall-Resonators weitere Bedingungen erfüllt werden, welche nicht aus dem Stand der Technik abgeleitet werden können. Diese Bedingungen und Einzelheiten der Erfindung sind in den Ansprüchen dieser Anmeldung genannt und werden in der Beschreibung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a schematisch einen monolithischen Mikrokristall-Laser,
Fig. 1b schematisch einen halbmonolithischen Mikrokristall-Laser,
Fig. 2 eine Darstellung des Abstimmbereiches im Verstärkungsprofil,
Fig. 3 den Fall mit zwei Verstärkungsprofilen,
Fig. 4 die Abstimmbereiche unter verschiedenen Kriterien,
Fig. 5 den Gegenstand von Fig. 4 bei Abstimmung über eine Doppellinie,
Fig. 6 eine Darstellung der Resonator-Moden bei einem halbmonolithischen Nd-YAG- Resonator
Fig. 7 eine Darstellung der Resonator-Moden bei einem monolithischen Nd-YAG- Resonator
Mikrokristall-Laser sind in den letzten Jahren intensiv untersucht worden, insbesondere un­ ter dem Aspekt des Pumpens mit Halbleiter-Laserdioden. Dies hat den Vorteil sehr hoher Effizienz durch den spektralen wie auch den räumlichen Überlapp von Pumplichtspektrum und Absorptionsspektrum des laseraktiven Ions einerseits und Resonatormodenvolumen und Pumplichtvolumen andererseits. Die Mikrokristall-Laser sind hierbei meist entweder monoli­ thisch ausgeführt (Fig. 1a), was bedeutet, daß beide Laserspiegel 2, 3 direkt auf das laserak­ tive Material 1 der Länge 1 aufgedampft sind, oder aber halbmonolithisch (Fig. Ib) in dem Sinne, daß einer der beiden Spiegel 3 auf den Laserkristall 1 der Länge l₀ aufgebracht ist, die Gegenseite jedoch antireflektierend (4) beschichtet ist, so daß diesem Kristall ein exter­ ner Spiegel 5 zugeordnet ist, wobei zwischen externem Spiegel und Laserkristall 1 . . . s weitere intracavity-Elemente der Länge l1 . . . ls wie Frequenzverdopplungskristall 6 oder piezoelektri­ sche Aktoren 7 eingebracht werden können. Mikrokristall-Laser mit zwei externen Spiegeln sind ebenso bekannt, haben jedoch lediglich für labormäßige Untersuchungen eine Bedeu­ tung und sind für industriellen Einsatz selten realisiert.
Aufgrund der geringen Dimensionen und der Tatsache, daß ein großer Teil des Resonators durch das laseraktive Medium ausgefüllt ist, machen sich Temperaturänderungen des Reso­ nators und die hieraus folgende Längenänderung des optischen Weges im Resonator bereits stark bemerkbar in Bezug auf das spektrale Emissionsverhalten des Lasers.
Die optische Länge des Resonators kann geschrieben werden im Falle monolithischer Reso­ natoren als
mit l0 der mechanischen Länge des Kristalles bei der Temperatur T = 0°C (zur Vereinfa­ chung der Darstellung sind alle Formeln bezogen auf Konstanten, welche bei T = 0°C nor­ miert sind. Für die üblichere Darstellung, gemäß der alle Konstanten bei T = 25°C definiert sind, muß T ersetzt werden durch T′ = T + 25°), α ist der thermische Ausdehnungskoeffizi­ ent, n0 der Brechungsindex und die Änderung des Brechungsindexes mit der Tempera­ tur.
Analog kann für einen halbmonolithischen Resonator, bei dem ein Spiegel 4 direkt auf den Kristall 1 aufgebracht ist, oder einem externen Resonator, wobei in beiden Fällen der Reso­ antor aus s Komponenten zusätzlich zum Laserkristall der Länge 1 0 (Fig. 1b) besteht, ge­ schrieben werden
mit li, αi und ni den entsprechenden Größen für die i. Komponente.
Unter Vernachlässigung von Termen, die ein Produkt von α und enthalten, kann die thermische Längenänderung geschrieben werden zu
Unter Verwendung der Beziehung
("round" bezeichnet das Runden auf die nächstliegende ganze Zahl) wobei l0 opt definiert ist für T in der Nähe von 0°C (1. Näherung), λ0 die zentrale Wellenlänge des Verstärkungs­ profiles bezeichnet, über welches durchgestimmt werden soll, und unter der Annahme ohne Einschränkung der Allgemeinheit, daß für eine Abstimmung über einen beschränkten Tem­ peraturbereich ohne Modensprünge gilt
kann die thermisch induzierte Änderung der Resonatorfrequenz für monolithische Resonato­ ren geschrieben werden zu
und für halbmonolithische Resonatoren zu
Single-mode-Emission des Lasers kann nun bekanntermaßen dadurch erzielt werden, daß die Temperatur des Resonators so gewählt wird, daß die Resonatormoden derart verschoben werden, daß nur noch eine einzige Resonatormode in den Bereich der Verstärkung des la­ seraktiven Mediums fällt, im Bereich der unerwünschten Laserübergänge dagegen keine Resonatormode zu liegen kommt (s. hierzu P 4218532.7).
Der Modenabstand ΔM läßt sich für monolithische Resonatoren schreiben zu
und zu
für externe oder halbmonolithische Resonatoren.
Um nun den Laser über einen Abstimmbereich A abstimmen zu können, ohne daß weitere Laserübergänge oder auch Resonatormoden anschwingen können, sind eine Reihe von Be­ dingungen zu erfüllen.
Diese sind im folgenden als K1 bis K5 bezeichnet.
Die Bedingungen lassen sich auch so umschreiben, daß eindeutige Grenzen für die Länge es Mikrokristalles selbst gegeben sind. Im folgenden werden diese als K1M-K5M für monolithische Resonatoren und als K1HM bis K5HM für halbmonolithische oder externe Resonatoren bezeichnet.
Die erste Bedingung lautet
oder anders geschrieben
bzw.
mit l0 geometrische Resonatorlänge, λ0 Zentralwellenlänge des Verstärkungsprofiles, inner­ halb dessen durchgestimmt werden soll und δλ0 spektrale Breite dieses Profiles bei system­ bedingter Schwelle, gefaltet mit dem thermischen Shift der Linienmitte λ0 (resultierende Verstärkungsbandbreite). Dies ist in Fig. 2 dargestellt und besagt, daß über den gewünsch­ ten Abstimmbereich A keine weitere Resonatormode in den Bereich des gewünschten Ver­ stärkungsprofiles
fällt.
Um zu verhindern, daß nun über den Abstimmbereich keine weiteren Laserübergänge an­ schwingen können, muß die Resonatorlänge zusätzlich die folgenden Bedingungen erfüllen:
ΔM A + δλk (K2)
[F(Bk) +1] · ΔM Hk (K3)
F (Bk) · ΔM Gk (K4)
entsprechend geschrieben für monolithische Resonatoren
und für halbmonolithische bzw. externe Resonatoren
sowie einem fünften Kriterium, welches lediglich für Fälle von Bedeutung ist, bei denen die Verstärkungsprofile nahe beieinander liegen, und welches geschrieben werden kann
falls F(Bk) < 0
und entsprechend für monolithische und halbmonolithische Resonatoren zu
falls F(Bk) < 0
respektive
mit λk der Zentralwellenlänge des k-ten Verstärkungsprofiles, innerhalb dessen keine Reso­ natormode liegen soll, und δλk der spektralen Breite (definiert wie δλ0) dessen. Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht für den Fall k = 1 sowie λk < λ0; alle anderen Fälle sind hierzu analog.
Die in obigen Kriterien angegebenen Funktionen und Konstanten sind hierbei definiert wie folgt (P1-P11):
Die Resonatorlänge muß nun so gewählt sein, daß obige Kriterien K1-K5 erfüllt sind. Fig. 4 veranschaulicht dies für den Fall eines monolithischen Nd:YAG-Mikrokristall-Lasers, dessen Kristall-Länge auf der X-Achse aufgetragen ist und der mögliche maximale Ab­ stimmbereich auf der Y-Achse. Die obere Kurve bezeichnet nun den maximalen Abstimmbe­ reich für den Fall, daß nur ein Laserübergang vorhanden wäre, somit also nur Kriterium K1 erfüllt wäre, und die untere Kurve bezeichnet den realen Fall, daß drei mögliche Laserüber­ gänge bei 1064.4 ± 0.3 nm, 1064.95 ± 0.25 nm und 1061.8 ± 0.25 nm vorhanden sind, wo­ bei die letzteren beiden unterdrückt und über den ersteren durchgestimmt werden soll.
Da Nd:YAG die Besonderheit aufweist, daß sich die Verstärkungslinien bei 1064.4 nm ± 0.3 nm und 1064.95 ± 0.25 nm überlappen (A-Linie und A′-Linie), kann bei entsprechender Wahl der Resonatorlänge auch eine einfrequente Abstimmung über diese Doppellinie bei gleichzeitiger Unterdrückung der Nebenlinie bei 1061.8 ± 0.25 nm vorgenommen werden. Dies ist in Fig. 5 verdeutlicht.
Neben der Wahl der geeigneten Resonatorlänge ist eine Feinabstimmung der Resonatorlän­ ge erforderlich, welche durch z. B. piezoelektrische Aktoren im Falle halbmonolithischen Aufbaues vorgenommen werden kann; eine besonders einfache Feinabstimmung der Resona­ torlänge sowohl im Falle monolithischen wie auch halbmonolithischen Aufbaues kann da­ durch erzielt werden, daß die Resonatortemperatur geeignet eingestellt und stabilisiert wird.
Hierbei kann auch über die Temperaturänderung eine Abstimmung des Lasers vorgenommen werden.
Die Anfangstemperatur für den Abstimmvorgang bei Abstimmung von kleinerer zu größerer Wellenlänge ist hierbei bei n zu unterdrückenden Nebenlinien zu wählen gemäß
die Endtemperatur gemäß
so daß insgesamt ein Temperaturbereich von
zur Abstimmung überstrichen werden muß. (Jeweils unter Beachtung, daß hier To = 0°C angenommen ist; bei To = 25°C muß T entsprechend um 25°C erhöht werden.)
Durch eine etwas andere Wahl der Starttemperatur kann ein solcher Laser auch gütegeschal­ tet werden.
Hierzu ist notwendig, daß gilt
für monolithische Laser resp.
für halbmonolithische Laser mit Luftspalt 1 s und Brechungsindex ns im Spalt.
Die Temperatur ist nun so zu wählen, daß die Resonator-Wellenlänge gerade an den Gren­ zen der Verstärkungsbandbreite zu liegen kommt, d. h.
Somit ist die Temperatur des Resonators so zu wählen, daß für monolithische Resonatoren gilt
und für einen halbmonolithischen Laser mit Luftspalt
wobei für single-frequency-Betrieb lopt so zu wählen ist, daß zusätzlich die Kriterien K3, K4 und 5 erfüllt sind (K1 und K2 sind dies trivialerweise für den üblichen Fall, daß δλ0 < δλk).
Wird der Mikrokristall-Laser nun auf diese Temperatur stabilisiert und wird die Resonator­ länge zusätzlich im Bereich einiger zehntel Mikrometer variiert, so wird die Resonatormode gerade über die Grenze des Verstärkungsbereiches geschoben, das heißt, daß der Laser im einen Zustand gerade nicht emittieren kann, da die Resonatormode außerhalb des Verstär­ kungsbereiches liegt, und im anderen Zustand die Mode gerade in den Verstärkungsbereich fällt, so daß der Laser emittieren kann. Auf diese Weise kann im ersten Zustand eine hohe Inversion im Laserkristall aufgebaut werden, ohne daß stimulierte Emission entstehen kann, um im zweiten Zustand dann in Form eines kurzen Pulses mit hoher Pulsleistung abgerufen zu werden. Aufgrund der kurzen Resonatorlängen ist hier mit sehr kurzen Pulsen zu rech­ nen, wie z. B. Zayhowski et. al. in Optics Letters, Vol. 17 No. 17, 1. September 1992, S. 1201ff nachgewiesen hat, wobei hier die Güteschaltung jedoch durch Ankoppelung eines externen Resonators erfolgt ist.
Die oben genannte zusätzliche Längenmodulation kann zum einen wiederum über die Tem­ peratur erfolgen, jedoch dürften für die meisten Anwendungen die Schaltzeiten hierbei zu lange sein, so daß auf andere Anordnungen zurückzugreifen ist, so etwa bei halbmonolithi­ schem Aufbau die Verwendung piezoelektrischer Aktoren oder im monolithischen Falle die Verwendung von elektrostriktiven oder ferroelektrischen Materialien, welche mit laserakti­ ven Ionen dotiert sind.
Fig. 6 veranschaulicht diesen Zusammenhang im Falle eines halbmonolithischen Nd:YAG- Resonators mit 100 µm Luftspalt und Piezoaktuator in Form einer dünnen Polymer-Folie (bspw. PVDF) zwischen Kristall und Spiegel, somit als Komponente des Resonators aufge­ faßt ("Sandwich"-Bauweise) Unterhalb einer gewissen Resonatorlänge (hier ca. 480 µm) können Moden (hier als Punkte eingezeichnet für diskrete Längenschritte auf der X-Achse von 0.1 µm) außerhalb der Verstärkungsbandbreiten zu liegen kommen. Die Temperatur Tq ist nun gerade so zu wählen, daß die Resonatormode am Rande des Verstärkungsbereiches zu liegen kommt, so daß durch eine geringe Längenvariation der Laser an- und ausgeschaltet werden kann.
Fig. 7 veranschaulicht denselben Zusammenhang für den Fall eines monolithsichen Nd:LiNbO3-Mikrokristall-Lasers.

Claims (21)

1. Abstimmbarer, monolithischer Einfrequenz-Mikrokristall-Laser, dadurch gekennzeich­ net, daß die Länge 10 des Mikrokristalles kleiner oder gleich ist mit λ0 zentraler Wellenlänge des materialspezifischen Laser-Verstärkungsbereiches, n0 Brechungsindex des Lasermateriales, A Abstimmbereich und δλ0 spektraler Breite des Ver­ stärkungsbereiches.
2. Abstimmbarer, monolithischer Einfrequenz-Mikrokristall-Laser gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge 10 des Mikrokristalles kleiner oder gleich mit λ0 zentraler Wellenlänge des materialspezifischen Laser-Verstärkungsbereiches, n0 Brechungsindex des Lasermateriales, A Abstimmbereich und δλk spektraler Breite des k-ten Verstärkungsbereiches.
3. Abstimmbarer, monolithischer Einfrequenz-Mikrokristall-Laser gemäß den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge l0 des Mikrokristalles den Kriterien genügt.
4. Abstimmbarer, monolithischer Einfrequenz-Mikrokristall-Laser gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge l0 des Mikrokristalles kleiner oder gleich ist.
5. Abstimmbarer, mehrkomponentiger Einfrequenz-Mikrokristall-Laser, bestehend aus s + 1 Komponenten, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge l0 des Mikrokristalles kleiner oder gleich ist.
6. Abstimmbarer, mehrkomponentiger Einfrequenz-Mikrokristall-Laser gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge l0 des Mikrokristalles kleiner oder gleich ist.
7. Abstimmbarer, mehrkomponentiger Einfrequenz-Mikrokristall-Laser gemäß den Ansprü­ chen 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge l0 des Mikrokristalles den Kriterien genügt
8. Abstimmbarer, mehrkomponentiger Einfrequenz-Mikrokristall-Laser gemäß den Ansprü­ chen 5 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge l0 des Mikrokristalles kleiner oder gleich ist.
9. Abstimmbarer, monolithischer oder mehrkomponentiger Mikrokristall-Laser gemäß den Ansprüchen 1 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Starttemperatur des Resonators Tstart für den Abstimmvorgang gewählt wird gemäß und die Endtemperatur gemäß so daß insgesamt ein Temperaturbereich von überstrichen wird.
10. Abstimmbarer, monolithischer oder mehrkomponentiger Mikrokristall-Laser gemäß den Ansprüchen 1 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Starttemperatur des Resonators Tstart für den Abstimmvorgang gewählt wird gemäß und die Endtemperatur gemäß so daß insgesamt ein Temperaturbereich von überstrichen wird.
11. Monolithischer, gütegeschalteter Mikrokristall-Laser, gekennzeichnet dadurch, daß die Kristall-Länge kleiner als gewählt ist.
12. Mehrkomponentiger, gütegeschalteter Mikrokristall-Laser, bestehend aus s + l Kom­ ponenten, gekennzeichnet dadurch, daß die Kristall-Länge kleiner als gewählt ist mit l0 Länge des (Luft)spaltes und ns Brechungsindex des (Luft)spaltes.
13. Monolithischer Mikrokristall-Laser gemäß Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß der Resonator auf einer Temperatur Tq von stabilisiert wird.
14. Gütegeschalteter, mehrkomponentiger Mirkokristall-Laser gemäß Anspruch 12, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der Resonator auf einer Temperatur Tq von stabilisiert wird.
15. Gütegeschalteter, monolithischer oder mehrkomponentiger Einfrequenz-Mikrokristall- Laser gemäß den Ansprüchen 11-14, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge des Mikrokri­ stall-Laser den Kriterien K3M bis K5M genügt im Falle monolithischer Resonatoren und K3HM bis K5HM im Falle halbmonolithischer oder externer Resonatoren.
16. Gütegeschalteter, monolithischer oder mehrkomponentiger Mikrokristall-Laser gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Resonator­ länge zusätzlich zur thermischen Stabilisierung im Bereich von einigen 100 nm bis 1 µm periodisch moduliert wird.
17. Gütegeschalteter, monolithischer oder mehrkomponentiger Mikrokristall-Laser gemaß Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, daß die periodische Durchstimmung mit Hilfe eines Piezo-Aktuators geschieht.
18. Gütegeschalteter, monolithischer oder mehrkomponentiger Mikrokristall-Laser gemaß Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, daß die periodische Durchstimmung mit Hilfe einer piezoelektrischen Polymerfolie (z. B. PVDF o. ä.) geschieht.
19. Gütegeschalteter, monolithischer oder mehrkomponentiger Mikrokristall-Laser gemäß Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, daß die periodische Durchstimmung durch eine zusätzliche thermische Modulation des Resonators durchgeführt wird.
20. Gütegeschalteter, monolithischer oder mehrkomponentiger Mikrokristall-Laser gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet dadurch, daß der Aktuator oder die Polymer-Folie Bestandteil eines mehrkomponentigen Mikrokristall-Resonators sind.
21. Gütegeschalteter, monolithischer Mikrokristall-Laser gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß als monolithisches, laseraktives Material elektrostriktive oder ferroelektrische Wirtsmaterialien (wie z. B. LiNbO3, LiTaO3 o. ä.) welche mit Ionen der Seltenen Erden dotiert sind, verwendet werden, und daß die periodi­ sche Längenmodulation des Resonators durch ein an den Kristall angelegtes elektrisches Feld vorgenommen wird.
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