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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lasersysteme mit
Mikrochip-Lasern.
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Mikrochip-Laser mit nur einer Frequenz sind bereits
bekannt. Sie weisen eine Hohlraumlänge auf, die extrem kurz
ist (gewöhnlich in um gemessen) und so beschaffen, daß nur
ein einzelner Längsmodus unter die Verstärkungskurve des
Verstärkungsmediums fällt, wenn sie durch eine Laserdiode
gepumpt werden. Diese Mikrochip-Laser besitzen eine gute
Frequenzstabilität, doch in Fällen, wo eine sehr hohe
Frequenzstabilität erforderlich ist (z.B. bei optischer
Nachrichtenübertragung), müssen sie mit einem stabilen
Bezugs-Interferometer frequenzverriegelt sein, um
Frequenzschwankungen, verursacht durch Veränderungen in der
Intensität der Pumpdiodenausgangsleistung, akustische
Geräusche und mechanische Schwingungen der
Mikrochipstruktur, zu überwinden.
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Das Verriegeln von Laserfrequenzen ist an sich bekannt; es
wird dabei zumindest ein Teil der Laserausgangsleistung
durch einen elektro-optischen Phasenmodulator umgeleitet,
der bei einer Modulationsfrequenz und einem sehr niedrigen
Modulationsindex (in der Größenordnung von 0,1) angesteuert
wird, um Seitenbänder zu erzeugen, die an das Bezugs-
Interferometer angelegt werden, um ein Fehlersignal zu
erzeugen, wenn das Seitenbandsignal von dem Bezugs-
Interferometer reflektiert wird. Das Fehlersignal wird dann
an den Laser zurückgesendet, um eine piezoelektrische
Spiegelhalterung unter Spannung zu setzen, wodurch die
Hohlraumlänge und somit die Frequenzausgangsleistung des
Mikrochip-Lasers korrigiert wird.
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Elektro-optische Phasenmodulatoren verwenden
doppelbrechende Kristalle, wie z.B. ADP, KDP, LiNbO&sub3;, von denen
jedes teuer in der Herstellung ist, eine sehr genaue
Winkelorientierung seiner doppelbrechenden Achsen bezüglich
der optischen Achse des Lasersystems erfordert, die zur
Verfügung stehende Ausgangsleistung des Lasersystems
effektiv schwächt, einen polarisierten Laserausgangsstrahl
und eine große Antriebskraft (üblicherweise in der
Größenordnung von 1 W) erfordert, und zwar selbst für den
benötigten niedrigen Modulationsindex, da bei den in Frage
kommenden Modulationsfrequenzen (10-100 MHz) solche
Kristalle eine deutliche kapazitive Impedanz aufweisen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
neuartiges, verbessertes Lasersystem mit einem Mikrochip-
Laser zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß einer Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung
wird ein Lasersystem bereitgestellt, das einen Mikrochip-
Laser enthält, der einen auf einer Halterung angebrachten,
piezoelektrischen Spiegel aufweist und durch eine
Laserdiode gepumpt wird, wobei das System folgendes aufweist:
einen Oszillator, der im wesentlichen bei einer der
mechanischen Resonanzfrequenzen des auf einer Halterung
angebrachten, piezoelektrischen Spiegels arbeitet und über
ein Kopplungsmittel angeschlossen ist, um die Halterung zu
steuern, ein Mittel, um zumindest einen Teil der
Laserausgangsleistung nach einem Bezugs-Interferometer
umzuleiten, das eine geringere Auflösung als die
Resonanzfrequenz hat, einen photoelektrischen Detektor, um
das Ausgangssignal des Interferometers umzuwandeln, einen
phasenempfindlichen Detektor, der mit dem Ausgang des
photoelektrischen Detektors gekoppelt ist und ein
Bezugssignal von dem Oszillator enthält, um ein
Frequenzverriegelungssignal abzuleiten, und ein
Verbindungsmittel, um das Frequenzverriegelungssignal dem
Kopplungsmittel zuzuführen, wodurch die Spiegelhalterung so
gesteuert wird, daß sie sowohl als Frequenzmodulator als
auch als Frequenzkorrekturelement wirkt.
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Vorzugsweise umfaßt das Kopplungsmittel einen mit dem
Ausgang des Oszillators verbundenen kapazitiven Zweig und
einen mit dem Ausgang des Verbindungsmittels verbundenen
induktiven Zweig, wodurch eine gegenseitige Trennung
zwischen dem Oszillator und dem Verbindungsmittel erhalten
wird.
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Das Interferometer weist vorzugsweise einen optischen
Fabry-Perot-Hohlraum auf, der in Richtung der optischen
Achse des Lasersystems ausgerichtet ist, wobei der
Ausgangsstrahl des Hohlraums durch eine Lambda-Viertel-
Platte und einen polarisierenden Strahlteiler von dem
Eingangsstrahl getrennt wird. Alternativ kann ein Faraday-
Isolator verwendet werden. Als weitere Alternative kann der
Interferometerhohlraum abweichend von der Achsrichtung
angeordnet sein, so daß der Ausgangsstrahl des Hohlraums
von dem Eingangsstrahl getrennt ist, da er ebenfalls nicht
in Achsrichtung verläuft. Es können verschiedene andere
Arten von Interferometern verwendet werden, z.B. konfokale
Interferometer oder Ringinterferometer. Das Interferometer
kann mit einer Faseroptik arbeiten.
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Das Umleitungsmittel umfaßt vorzugsweise eine Linse, um den
umgeleiteten Laserausgangsstrahl an einen Modus des
optischen Hohlraums anzupassen.
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Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der vorliegenden
Erfindung wird ein Lasersystem mit einem Mikrochip-Laser
bereitgestellt, der einen auf einer Halterung angebrachten
piezoelektrischen Spiegel aufweist und durch eine
Laserdiode gepumpt wird, wobei dieses System folgendes aufweist:
einen Oszillator, der im wesentlichen bei einer der
mechanischen Resonanzfrequenzen des auf einer Halterung
angebrachten piezoelektrischen Spiegels arbeitet und über
ein Kopplungsmittel angeschlossen ist, um die Halterung zu
steuern, ein Mittel, um zumindest einen Teil der
Laserausgangsleistung nach einem Bezugs-Interferometer
umzuleiten, das eine geringere Auflösung als die
Resonanzfrequenz hat, und ein Einstellmittel, um die Länge
des Interferometer-Hohlraums einzustellen, einen
photoelektrischen Detektor, um das Ausgangssignal des
Interferometers umzuwandeln, einen phasenempfindlichen Detektor,
um das Ausgangssignal des photoelektrischen Detektors
umzuwandeln, wobei der Detektor ein Bezugssignal von dem
Oszillator erhält, um ein Frequenzverriegelungssignal
abzuleiten, und ein Verbindungsmittel, um das
Frequenzverriegelungssignal dem Einstellmittel zuzuführen, wodurch
der Laser und das Interferometer miteinander
frequenzverriegelt werden.
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In beiden Erscheinungsformen der vorliegenden Erfindung
kann ein externes, linear ansteigendes Spannungssignal von
verhältnismäßig niedriger Spannung abgegeben werden, um das
Frequenzverriegelungssignal zu verstärken, das von dem
phasenempfindlichen Detektor abgeleitet wurde, mit dem
Effekt, daß die Laserfrequenz über einen bedeutenden Teil
des Verstärkungsprofils des Verstärkungsmediums abgetastet
wird. Bei einem Verstärkungsmedium von Nd:YAG ist
beispielsweise eine Frequenzabtastung von 100 GHz
zweckmäßig. Diese Frequenzabtastung ist möglich, da die Länge
des Laserhohlraums in Mikrochip-Lasern sehr gering ist, und
kann in nur wenigen Millisekunden mit einem relativ
niedrigen, linear ansteigenden Spannungssignal stattfinden.
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Dank der vorliegenden Erfindung fallen in dem Lasersystem
ein elektro-optischer doppelbrechender Phasenmodulator und
folglich ein Hochleistungsoszillator weg.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende schematische
Darstellung beschrieben.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines
Lasersystems;
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Fig. 2 und 3 zeigen in dem System der Fig. 1 auftretende
Wellenformen.
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Das in Fig. 1 dargestellte Lasersystem 10 umfaßt einen
Mikrochip-Laser 11, dessen Verstärkungsmedium eine Nd:YAG-
Platte 12 mit einer Dicke von 0,7 mm und einem Durchmesser
von 3 mm ist, die auf einer Oberfläche 13 dielektrisch
beschichtet ist, um einen Spiegel des Lasers zu bilden. Der
andere Spiegel des Lasers 11 wird getrennt von der Platte
12 durch ein Substrat 14, das auf einem piezoelektrischen
Keramikring 15 angebracht ist, gebildet, wobei das Substrat
14 einen Krümmungsradius von 20 mm aufweist und
dielektrisch beschichtet ist für eine 0,5%ige Übertragung
bei 1,3 um. Die Länge des Laserhohlraums beträgt etwa 1 mm
und ist so gewählt, daß nur ein Längsmodus oszillieren
kann.
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Der Laser 11 wird in Längsrichtung durch eine GaAlAs-
Laserdiode 17 gepumpt, die temperaturgesteuert ist und bei
807 nm emittiert; bei dieser Wellenlänge ist die Platte 12
stark absorbierend. Der Diodenausstoß wird durch ein
Linsensystem 18 aufgefangen, das den Pumpstrahl auf die
Platte 12 fokussiert. Das Linsensystem 18 weist eine
Kopplungseffizienz von etwa 85% auf und erzeugt auf der
Platte 12 einen Lichtfleck, der kleiner ist als der 78 um-
Lichtfleck nach dem TEMoo-Lasermodus. Die Oberfläche 13 der
Platte 12 ist bei etwa 805-810 nm hochdurchlässig und bei
etwa 1,3 um hochreflektierend.
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Die Halterung 15 wird durch eine elektrische
Kopplungsleitung 19 gesteuert, die einen mit dem Ausgang eines
Oszillators 16 verbundenen kapazitiven Zweig 19A aufweist.
Der Oszillator 16 arbeitet im wesentlichen bei einer der
mechanischen Resonanzfrequenzen der durch die Bauteile 14
und 15 gebildeten Einheit und verursacht das
frequenzmodulierte Spektrum (siehe Fig. 2) des
Laserausgangsstrahls, wobei eine mittlere Frequenz bei Wc durch die
Nennlänge des Laserhohlraums bestimmt wird, und nur zwei
Seitenbänder bei Wc ± Wm vorliegen, wobei Wm die
Oszillatorfrequenz ist. Der Laserausgangsstrahl ist von
einem Einzellängsmodus bei 1,3 um und mit einer maximalen
Leistung von 10 mW linear polarisiert, wenn die
Pumpleistung bei ihrem Grenzwert von 100 mW liegt.
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Der Ausgangsstrahl des Lasers 11 gelangt in Achsrichtung zu
einem Strahlteiler, wo bei 20 ein Systemausgangsstrahl
erzeugt wird sowie bei 21 ein umgeleiteter Ausgangsstrahl,
der von den Elementen 22 gefiltert und fokussiert wird, um
zu dem TEMoo-Modus eines in Achsrichtung angeordneten
Fabry-Perot-Hohlraums 23 mit einem freien Spektralbereich
von 300 MHz zu passen. Der Ausgangsstrahl des Hohlraums 23,
der als Bezugs-Interferometer dient, wird von dem
Eingangsstrahl durch eine Lambda-Viertel-Platte 24 und einen
polarisierenden Strahlteiler 25 getrennt und zu einer
Photodiode 26 geleitet, wo er in ein elektrisches Signal
umgewandelt wird. Das Ausgangssignal der Photodiode 26 wird
verstärkt und von einem Bauteil 27 gefiltert, wobei der
Durchlaßbereich auf der Oszillatorfrequenz zentriert ist,
und von einem phasenempfindlichen Detektor 28 demoduliert,
der eine phasenverschobene Bezugsfrequenz von dem
Oszillator 16 erhält. Das Ausgangssignal des Detektors 28
wird durch den Verstärker 29 an einen induktiven Zweig 19B
der elektrischen Kopplungsleitung 19 geleitet, wodurch der
Halterung 15 ein Frequenzverriegelungssignal mit einer in
Fig. 3 gezeigten Wellenform zugeführt wird.
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Die Oszillatorfrequenz Wm liegt im Bereich von 10-100 MHz,
während die Laserfrequenz Wc etwa das 10&sup7;-fache beträgt;
die von dem Laser 11 erzeugten Seitenbänder sind durch
einen Betrag, der größer ist als die Auflösung des
Interferometers 23, frequenzbeabstandet. Das von dem
Detektor 28 erzeugte Frequenzverriegelungssignal ist
abhängig von der Amplitude und dem Phasenungleichgewicht
der beiden Seitenbänder und von verhältnismäßig niedriger
Frequenz. Es ist von dem Oszillator 16 durch den
kapazitiven Zweig 19A getrennt, während die
Oszillatorfrequenz von dem Detektor 28 durch den induktiven Zweig 19B
getrennt ist. Die Signale auf beiden Zweigen 19A, 19B
vereinigen sich jedoch, um die Halterung 15 so zu steuern,
daß sie sowohl ein frequenzmodulierendes als auch
frequenzkorrigierendes Element ist. Der Modulationsindex
ist niedrig, in der Größenordnung von 0,1, so daß praktisch
die gesamte Laserausgangsleistung auf der Laserträger
frequenz liegt und nur zwei Seitenbänder von geringer
Amplitude erzeugt werden, die für eine
Seitenbandfrequenzverriegelung verwendet werden. Die für die Halterung 15
erforderliche Steuerleistung beträgt weniger als etwa 10 mW
und absorbiert keine Laserausgangsleistung. Die Spitze-
Spitze-Auslenkung des Spiegels 14 liegt üblicherweise bei
etwa 0,1 nm.
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In einer modifizierten Anordnung dient das Ausgangssignal
des Verstärkers 29 zur Steuerung der Länge des Hohlraums
23, wenn dieser von verstellbarer Länge ist und ein Mittel
zum Einstellen der Hohlraumlänge aufweist. Das
Einstellmittel kann beispielsweise eine piezo-elektrische Halterung
sein. In diesem Fall wird die Laserhalterung 15 nur von dem
Kopplungselement 19A angesteuert; der Laser und das
Interferometer sind miteinander frequenzverriegelt, jedoch
frei, innerhalb der jeweiligen Eigenstabilität abzuwandern.
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Der Verstärker 29 kann mit einem zusätzlichen Eingang
versehen sein, um ein niedriges, linear ansteigendes
Spannungssignal zu erhalten, zum Zwecke der Abtastung der
Laserfrequenz über den von dem Einzelmodus gebildeten
Bereich, der unter die Verstärkungskurve des Lasers fällt.