DE69221020T2

DE69221020T2 - Vorrichtung zur optischen Wellenlängenänderung

Info

Publication number: DE69221020T2
Application number: DE69221020T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Hyuga; Yoji Okazaki
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2012-05-09
Also published as: EP0512561B1; EP0512561A3; US5243611A; JP3013121B2; DE69221020D1; EP0512561A2; JPH0527287A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine optische Wellenlängen-Wandlervorrichtung zum Umsetzen einer Grundwelle in deren zweite Harmonische. Die Erfindung betrifft speziell eine optische Wellenlängen-Wandlervorrichtung, bei der ein Kristall eines nicht-linearen optischen Materials verwendet wird, bei dem eine Phasenanpassung vom Typ II zwischen einer Grundwelle und deren zweiter Harmonischer erfolgt.

Beschreibung des Standes der Technik

Bislang wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Grundwelle eines Laserstrahls unter Verwendung eines nicht-linearen optischen Materials umzusetzen in ihre zweite Harmonische, beispielsweise mit dem Zweck, die Wellenlänge eines Laserstrahls zu verkürzen. Als optische Wellenlängen- Wandlervorrichtung zum Durchführen einer solchen Wellenlängenumset zung ist eine optische Wellenlängen-Wandlervorrichtung mit einem Großkristall bekannt, wie sie zum Beispiel beschrieben ist in "Hikan Electronics No Kiso" (Fundamentals of Optoelectronics) von A. Yariv, übersetzt von Kunio Tada und Takeshi Kamiya, Maruzen K.K., Seiten 200-204.
Ms Kristall aus nicht linearem optischen Material wird häufig ein biaxialer Kristall, beispielsweise ein KTP-Kristall verwendet. Wie die Phasenanpassung mit dem biaxialen KTP-Kristall erfolgt, ist im einzelnen beschrieben von Yao et al. in J. Appl. Phys., Vol 55, Seite 65, 1984. Das Verfahren zum Durchführen der Phasenanpassung bei einem biaxialen Kristall wird im folgenden beschrieben.
Bezugnehmend auf Fig. 4 bilden die Richtung, in der eine Grundwelle läuft, und die optische Achse Z des Kristalls einen Winkel θ. Die Projektion der Richtung, in der die Grundwelle läuft, auf die Ebene, in der die optischen Achsen X und Y liegen, und die optische Achse X bilden einen Winkel ∅. Der Brechungsindex des Kristalls bezüglich der Grundwelle, die auf den Kristall unter einem beliebigen Einfallswinkel auftrifft, und der Brechungswinkel des Kristalls bezüglich der zweiten Harmonischen der Grundwelle werden mit
nω, n2ω ... (1)
bezeichnet. Die Brechungsindizes des Kristalls bezüglich der Lichtkomponenten der Grundwelle, die in den Richtungen der optischen X-, Y- und Z- Achse polarisiert sind, und die Brechungsindizes des Kristalls bezüglich der Lichtkomponenten der zweiten Harmonischen, die in Richtung der optischen X-, Y- und Z-Achse polarisiert sind, lauten
Wenn man kx, ky und kz folgendermaßen definiert:
kx = sin θ cos
ky = sin θ sin
kz = cos θ
erhält man folgende Formeln:
Lösungen der Formeln (3) und (4) stellen Bedingungen dar, unter denen die Phasenanpassung vorgenommen werden kann.
Wenn B1, C1, B2 und C2 folgendermaßen definiert sind:
werden die Lösungen der Formeln (3) und (4) dargestellt durch die Formeln

(Doppelvorzeichen: +, wenn i=1 und-, wenn i=2)

Wenn die Bedingung

nω,2=n2ω,i
erfüllt ist, erfolgt die Phasenanpassung zwischen der Grundwelle und der zweiten Harmonischen. Eine derartige Phasenanpassung wird als Typ I- Phasenanpassung bezeichnet.

Wenn außerdem die Bedingung

1/2(nω,1+nω,2)=n2ω,1
erfüllt ist, erfolgt die Phasenanpassung zwischen der Grundwelle und ihrer zweiten Harmonischen. Eine solche Phasenanpassung wird als Typ II- Phasenanpassung bezeichnet.
In den Fällen, in der die Phasenanpassung vom Typ II mit einem biaxialen Kristall erfolgt, wird die auf den Kristall auftreffende Grundwelle zwei Brechungsindizes des Kristalls ausgesetzt. Beispielsweise kann man die nicht lineare optische Konstante d24 des Kristalls verwenden. Wie speziell in Fig.
5 dargestellt ist, kann in einen Kristall 10 eine Grundwelle 11 eindringen, die linear in der Richtung des Doppelpfeils P polarisiert ist. Die durch den Doppelpfeil P angedeutete Richtung neigt sich unter einem Winkel von 45º gegenüber der optischen Y-Achse des Kristalls 10 in Richtung auf dessen Z- Achse. (Die Grundwelle 11 enthält die linear polarisierte Lichtkomponente in der Richtung der Y-Achse und die linear polarisierte Lichtkomponente in der Richtung der Z-Achse). Auf diese Weise kann aus dem Kristall 10 eine zweite Harmonische 12 erhalten werden, die in Richtung der Y-Achse linear polarisiert wurde. In solchen Fällen findet die linear polarisierte Lichtkomponente der Grundwelle 11 in der Richtung der Z-Achse einen Brechungsindex
nω,1 ... (10)
Außerdem findet die linear polarisierte Lichtkomponente der Grundwelle 1 in der Y'-Richtung, die senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung der Grundwelle 11 und der Z-Achse steht, einen Brechungsindex
nω2 ... (11)
Damit triffl die Grundwelle 11 auf zwei Brechungsindizes.
Genau genommen, tnfft in solchen Fällen, in denen der Kristall 10 zu der in Fig. 5 dargestellten Form geschnitten wurde, die Grundwelle 11 derart auf den Kristall 10 auf, daß sie in Y'-Richtung (die gegenüber der Y-Achse zur X-Achse hin geneigt ist) und der Richtung der Z-Achse linear polarisiert wurde. Die zweite Harmonische 12 wird als Licht erhalten, welches in Y'- Richtung polarisiert ist. Allerdings gibt es kein Problem, wenn man in der Praxis die obigen Betrachtungen anstellt.
In der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung 1(1989)-220879 ist angegeben, daß, wenn Nd:YAG als Festkörperlasermedium verwendet wird, um einen nicht polarisierten Laserstrahl durch Festkörperlaser- Schwingung zu erhalten, und ein nicht linearer optischer Kristall, der eine Phasenanpassung vom Typ II bewirkt, sich in der Zone im Inneren eines Resonators befindet, um einen in der Wellenlänge umgesetzten Laserstrahl zu erhalten, es zu einem Longitudinalmoden-Wettstreit zwischen den Polarisationsarten kommt, mit der Folge, daß möglicherweise in dem in der Wellenlänge gewandelten Laserstrahl Rauschen entsteht, wenn der Strahl ausgegeben wird. Die Druckschrift beschreibt außerdem, daß Rauschen im Ausgangssignal reduziert werden kann, indem man ein Lambda/4-Plättchen unter einem geeigneten Winkel in die Zone im Inneren des Resonators einfügt.
Außerdem offenbaren die US-Patente 4 656 635 und 4 701 929, daß im Fall der Verwendung von Nd:YAG als Festkörperlasermedium zur Erzeugung eines nicht polarisierten Laserstrahls durch die Festkörperlaser-Schwingung Rauschen im Ausgangssignal dadurch reduziert werden kann, daß man das Brennen räumlicher Löcher innerhalb des Festkörperlasermediums ausschaltet. Die Druckschrift gibt an, daß Rauschen im Ausgangssignal beispielsweise dadurch verringert werden kann, daß man einen Ringlaserresonator verwendet oder das Festkörperlasermedium zwischen ein Paar Lambda/4- Plättchen anordnet.
Außerdem offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 3(1991)-49278 eine Methode, bei der in Fällen, in denen Nd.YAG als Festkörperlasermedium eingesetzt wird und durch Festkörperlaser-Schwingung ein nicht polarisierter Laserstrahl im Längs-Multimoden-Betrieb erzeugt wird, Rauschen im Ausgangssignal dadurch verringert werden kann, daß man die Temperatur eines Resonators, in welchem sich das Festkörperlasermedium zwischen einem Paar Lambda/4-Plättchen befindet, auf einem speziellen Wert hält.
Außerdem ist in Optics Letters 13, Seite 805 (1988) die Beziehung zwischen Polarisationsrichtungen in zwei Longitudinalmoden sowie Modenstabilität beschrieben, welche Beziehung erhalten wird, wenn ein Laserstrahl von einem Festkörperlasermedium durch Festkörperlaser-Schwingung in zwei Longitudinalmoden erzeugt und dazu gebracht wird, als Grundwelle auf einen nicht-linearen optischen Kristall aufzutreffen, der eine Wellenlängenumwandlung bewirkt. Speziell wird in dieser Druckschrift daruber berichtet, daß, wie in Fig. 6 gezeigt ist, in den Fällen, in denen die Polarisationsrichtung im ersten Longitudinalmodus und die Polarisationsrichtung im zweiten Longitudinalmodus gegenüber einer optischen Achse des nichtlinearen optischen Kristalls um 45º geneigt sind und sich die Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander schneiden, wobei man die Formel
PSHG = 1/4 deff²(P&sub1;² + P&sub2;²)
erhält, in der deff die effektive nicht-lineare optische Konstante, P1 die Stärke des ersten Longitudinal-Wellentyps und P2 die Stärke des zweiten Longitudinalmodus darstellt. Deshalb sind der erste Longitudinalmodus und der zweite Longitudinalmodus stabil, und zwischen ihnen kommt es zu keiner Modenkopplung.
Wie durch die oben angegebene Literatur also zum Ausdruck kommt, wur den bislang verschiedene Versuche unternommen, unter Verwendung einer Einrichtung zum Einstellen einer Phasendifferenz, beispielsweise eines Lambda/4-Plättchens, eine solche Einstellung vorzunehmen, daß die Polansationsrichtungen der zwei Longitudinalmoden sich senkrecht zueinander schneiden können und bezüglich einer optischen Achse eines nicht-linearen optischen Kristalls um 45º geneigt sind.
Aber selbst wenn man in den herkömmlichen Wellenlängen- Wandlervorrichtungen eine Einrichtung zum Einstellen einer Phasendifferenz verwendet, kommt es unvermeidlich zu Drift und Rauschen in den in ihrer Länge gewandelten Wellen, wenn diese von den optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtungen ausgegeben werden.

Offenbarung der Erfindung

Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffting einer optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung, bei der ein nicht-linearer optischer Kristall eingesetzt wird, mit dem eine Phasenanpassung vom Typ II zwischen einer Grundwelle und deren zweiter Harmonischer bewirkt wird, wobei die zweite Harmonische mit stabiler Ausgangsleistung und frei von jeglichem Rauschen erhalten wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffting einer optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung, bei der eine zweite Harmonische mit hoher Ausgangsleistung erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 2 und 4 gekennzeichnet.
Die Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Als Festkörperlasermedium zum Erzeugen der Grundwelle in der oben be( schriebenen Weise kann beispielsweise ein YVO&sub4;-Kristall verwendet werden, der mit etwa 1 bis 2 Atom-% Neodym (Nd) dotiert ist.
In Fällen, in denen die Wellenlängenumwandlung durchgeführt wird mit Hilfe eines nicht-linearen optischen Kristalls, der eine Phasenanpassung vom Typ II bewirkt, trifft eine Grundwelle, die in einer Richtung linear polan siert ist, auf zwei Brechungsindizes. Wenn die Grundwelle auf zwei Brechungsindizes trifft, kommt es zu einer Phasendifferenz Δ zwischen den polarisierten Lichtkomponenten, die auf verschiedene Brechungsindizes treffen. Der Phasenunterschied Δ wird durch die Formel
Δ=(nω,2-nω,1)L 2π/λ ...(12)
dargestellt, in der λ die Wellenlänge der Grundwelle und L die Länge des Kristalls ist Die Länge L des Kristalls ist die effektive Länge, das heißt die Länge des optischen Wegs der Grundwehe innerhalb des Kristalls. Wenn die Phasendifferenz Δ auftritt, ändert sich die Polarisierungsrichtung der Grundwelle nach Maßgabe des Werts der Phasendifferenz Δ.
Bei der erfindungsgemäßen optischen Weilenlängen-Wandlervornchtung können folglich die zwei Polarisationsrichtungen der Grundwelle dadurch eingestellt werden, daß man die Einrichtung zum Einstellen der Phasendifferenz derart betätigt, daß sich die Richtungen etwa senkrecht schneiden und jeweils gegenüber einer optischen Achse des nicht-linearen optischen Kristalls um etwa 45º geneigt sind. Hierdurch läßt sich der Longitudinalmodus- Wettstreit verringern und folglich eine rauschfreie zweite Harmonische erhalten.
Ferner wird bei der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen- Wandlervorrichtung die Temperatur des nicht-linearen optischen Kristalls derart eingestellt, daß sie auf einem vorbestimmten Wert verbleibt Dadurch lassen sich Probleme vermeiden, die daraus resultieren, daß der nicht-lineare optische Kristall, dessen Brechungsindex normalerweise in vergleichsweise starkem Maß von der Temperatur abhängt, durch die Änderung der Umgebungstemperatur abträglich beeinflußt wird und sich folglich die Brechungs indizes
nω,2 und 1nω,1 ... (13)
und die Phasendifferenz Δ ändern. Auf diese Weise lassen sich die zwei Polarisationsrichtungen der Grundwelle zuverlässig auf die oben angegebenen Werte einstellen. Ferner wird bei der optischen Wellenlängen- Wandlervorrichtung gemäß der Erfindung die Temperatur des Resonators derart eingestellt, daß sie auf einem vorbestimmten Wert bleiben kann. Hierdurch kann die Resonator-Länge auf einem vorbestimmten Längenwert gehalten werden, und es entstehen keine Änderungen in der Wellenlänge und in den Polarisationsrichtungen der Grundwelle in den Longitudinal- Wellentypen. Diese Merkmale tragen außerdem zu den Effekten bei, daß die zwei Polarisationsrichtungen der Grundwelle zuverlässig auf die oben definierten Werte einstellbar sind.
Bei herkömmlichen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtungen werden die Temperaturen eines nicht-linearen optischen Kristalls und eines Resonators nicht in der Weise eingestellt, daß sie auf vorbestimmten Werten gehalten werden können. Es wird berücksichtigt, daß bei konventionellen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtungen auch dann, wenn die Phasendifferenz Δ eingestellt wird, zwei Polarisationsrichtungen der Grundwelle oder das Ausmaß der Phasenverschiebung einer Lambda/4-Platte aufgrund der Umgebungstemperatur-Änderungen schwanken, und diese Schwankungen zu Rauschen und Drift aufgrund von Longitudinalmodus-Wettstreit führen.
Wie oben beschrieben wurde, werden bei der optischen Wellenlängen- Wandlervorrichtung gemäß der Erfindung die Polarisationsrichtungen der Grundwelle an Schwankungen durch Umgebungstemperatur-Änderungen gehindert. Bei der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen- Wandlervorrichtung läßt sich daher zuverlässig eine rauschfreie zweite Harmonische erzielen.
Außerdem werden bei der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen- Wandlervorrichtung die zwei Polarisationsrichtungen der Grundwelle derart eingestellt, daß sie gegenüber einer optischen Achse des nicht-linearen optischen Kristalls jeweils um etwa 45º geneigt sind. Daher läßt sich die nichtlineare optische Konstante wirksam nutzen, und man erhält eine zweite Harmonische mit hoher Ausgangsleistung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung,
Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung,
Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung,
Fig. 4 ist eine anschauliche Ansicht eines Winkels 9 zwischen der Laufrichtung einer Grundwelle in einem Kristall und einer optischen Achse Z, sowie einem Winkel ∅ zwischen der Laufrichtung der Grundwelle und einer optischen Achse X,
Fig. 5 ist eine anschauliche Darstellung, die die Beziehung zwischen den optischen Achsen eines nicht-linearen optischen Materials und der Richtung linearer Polarisation einer Grundwelle veranschaulicht,
Fig. 6 ist eine anschauliche Darstellung der Beziehung zwischen den Richtungen der linearen Polarisation einer Grundwelle in zwei Longitudinal-Moden und optischen Achsen eines nicht-linearen optischen Kristalls in der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung,
Fig. 7 ist eine anschauliche Darstellung der Beziehung zwischen der Laufrichtung einer Grundwelle, Richtungen linearer Polarisation der Grundwelle, und optischen Achsen eines nicht-linearen optischen Kristalls in der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen- Wandlervorrichtung, und
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die ein anderes Beispiel einer Ausgestaltung einer Temperatureinstelleinrichtung in der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung darstellt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung.
Diese Ausführungsform enthält einen Halbleiterlaser (einen Phased-Array- Laser) 14, der einen Laserstrahl 13 als Pumpstrahl erzeugt, eine Kollimatorlinse 15a zum Kollimieren des Laserstrahls 13, bei dem es sich um einen divergenten Strahl handelt, eine Sammellinse 15b zum Sammeln des Laserstrahlbündeis 13, welches aus der Kollimatorlinse 1 5a kommt. Diese Ausführungsform enthält auch einen YVO&sub4;-Stab 16, bei dem es sich um ein mit beispielsweise 2 Atom-% Neodym (Nd) dotierten Festkörperlaserstab handelt (der YVO&sub4;-Stab, der ein mit Neodym dotierter Festkörperlaserstab ist, wird im folgenden als Nd:YVO&sub4;-Stab bezeichnet). Diese Ausführungsform enthält außerdem einen Resonatorspiegel 17, der sich stromabwärtig bezüglich des Nd.YVO&sub4;-Stabs 16 befindet, das heißt auf der rechten Seite des Nd:YVO&sub4;-Stabs 16 in Fig. 1, und einen KTP-Kristall 10, der sich zwischen dem Nd.YVO&sub4;-Stab 16 und dem Resonatorspiegel 17 befindet. Diese Blemente sind gemeinsam an einem gemeinsamen (nicht gezeigten) Gehäuse gelagert.
Die Temperatur des Phased-Array-Lasers 14 wird von einem (nicht gezeigten) Peltier-Element und einer (nicht dargestellten) Temperatureinstellschaltung auf eine vorbestimmte Temperatur eingestellt. Der Nd:YVO&sub4;-Stab 16 und der Resonatorspiegel 17 bilden einen Resonator. Die Temperaturen des Nd:YVO&sub4;-Stabs 16, des Resonatorspiegels 17 und des KTP-Kristalls 10 werden von Peltier-Elementen 50, 51 und 52, die an eine Temperatureinstelischaltung 53 gekoppelt sind, auf vorbestimmte Temperaturen einge stellt.
Der Phased-Array-Laser 14 erzeugt den Laserstrahl 13 mit einer Wellenlänge λ1 von 809 nm. Die Neodym-Atome in dem Nd:YVO&sub4;-Stab 16 werden von dem Laserstrahl 13 angeregt, und dadurch erzeugt der Nd:YVO&sub4;-Stab 16 einen Laserstrahl 11, der linear polarisiert ist und eine Wellenlänge Ä2 von 1.064 nm aufweist. Der Laserstrahl 11 wird in zwei Longitudinal-Moden erzeugt.
Eine Lichteintrittsfläche 16a des Nd:YVO&sub4;-Stabs 16 ist mit einer Beschich tung 20 versehen, die den Laserstrahl 11 mit der Wellenlänge von 1.064 nm im wesentlichen reflektiert (und ein Reflexionsvermögen von mindestens 99,9% besitzt), den Pumplaserstrahl 13 mit einer Wellenlänge von 809 nm im wesentlichen durchläßt (mit einer Durchlässigkeit von mindestens 99%). Eine der Seite des KTP-Kristalls 10 zugewandte Fläche 17a des Resonator- spiegels 17 hat die Form eines Teils einer sphärischen Fläche. Die Fläche 1 7a des Resonatorspiegels 17 ist mit einem Überzug 19 versehen, der den Laserstrahl 11 mit der Wellenlänge von 1.064 nm und den Laserstrahl 13 mit der Wellenlänge von 809 nm im wesentlichen reflektiert und die zweite Harmonische 12, die eine Wellenlänge von 532 nm aufiveist, im wesentlichen durchläßt. Deshalb wird der Laserstrahl 11 mit seiner Wellenlänge von 1.064 nm zwischen der Fläche 16a und der Fläche 17a eingegrenzt, wodurch es zu der Laserschwingung kommt.
Der Laserstrahl 11 triffi auf den KTP-Kristall 10 aus nicht-linearem optischen Material auf, wird von diesem in die zweite Harmonische 12 umgesetzt, die eine Wellenlänge aulweist, die halb so groß ist wie die Wellenlänge des Laserstrahls 11, das heißt 532 nm. Weil die Fläche 17a des Resonatorspiegels 17 den Überzug 19 aufweist, wird annähernd nur die zweite Harmonische 12 von dem Resonatorspiegel 17 abgestrahlt.
Wie in Fig. 7 im einzelnen dargestellt ist, befindet sich der KTP-Kristall 10, der ein Biaxialkristall ist, in einer solchen Lage, daß die X-Achse bezüglich der Aufireifrichtung des Laserstrahls 11, der als Grundwelle flingiert, einen Winkel von ∅ = 24º bilden kann, und die Z-Achse bezüglich der Auftreifrichtung des Laserstrahls 11 einen Winkel θ = 90º bilden kann. Bei dieser Konfiguration kann in Fällen, in denen der KTP-Kristall 10 so angeordnet ist, daß jede der Richtungen der linearen Polarisation des Laserstrahls 11 in den zwei Longitudinal-Moden, angegeben durch die Doppelpfeile P1 und P2, einen Winkel von 45º bezüglich der Z-Achse bilden kann, eine große nicht-lineare optische Konstante d24 verwendet und die Phasenanpassung vom Typ II zwischen dem als Grundwelle flingierenden Laserstrahl 11 und dessen zweiter Harmonischer 12 bewirkt werden kann. AUS Ergebnis läßt sich die zweite Harmonische 12 mit maximaler Stärke erhalten. Ferner wird gemäß der Detailansicht in Fig. 6 der in zwei Longitudinal- Wellentypen erzeugte Laserstrahl 11 dazu gebracht, derart auf den KTP- Kristall 10 aufzutreffen, daß die zwei Richtungen linearer Polarisation der Longitudinal-Wellentypen sich etwa senkrecht schneiden können und dabei bezüglich der Z-Achse einen Winkel von annähernd 45º bilden. In diesen Fällen kann, wie oben beschrieben wurde, der Wettstreit der Longitudinal- Wellentypen verringert werden, und man kann die zweite Harmonische 12 rauschfrei erhalten.
Wenn der KTP-Kristall 10 allerdings Ursache für die Phasendifferenz Δ im Laserstrahl 11 ist, ändern sich die Richtungen der linearen Polarisation des Laserstrahls 11 entsprechend dem Wert der Phasendifferenz Δ. Folglich wird es häufig dazu kommen, daß die Richtungen der linearen Polarisation des Laserstrahls 11, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind, nicht erhalten werden können. Wie die Richtungen der linearen Polarisation des Laserstrahls 11 gemäß Fig. 6 erhalten werden, wird im folgenden erläutert.
Der KTP-Kristall 10 ist an einer Drehwelle 30 fixiert, die parallel zur Z- Achse verläutt. Die Drehwelle 30 wird auf einer Trägerunterlage 31 gelagert, so daß sich die Drehwelle 30 drehen kann. Ein Stellknopf 33, der um eine Drehwelle 32 gedreht werden kann, steht mit der Trägerunterlage 31 in Verbindung. Die Drehwelle 32 ist mit der Drehwelle 30 über Untersetzungszahnräder gekoppelt. Wenn also der Stellknopf 33 gedreht wird, kann der KTP-Kristall 10 um die Drehwelle 30 gedreht werden.
Wenn der KTP-Kristall 10 in der oben beschriebenen Weise gedreht wird, ändert sich die Länge des optischen Wegs des Laserstrahls 11 innerhalb des KTP-Kristalls 10. Wenn sich auf diese Weise die Länge L des optischen Wegs ändert, ändert sich die Phasendifferenz A, die sich in dem Laserstrahl 10 durch den KTP-Kristall 10 eingestellt hat. Als Ergebnis werden die Richtungen der linearen Polarisation des Laserstrahls 11 geändert. Folglich kann man durch geringfügiges schrittweises Drehen des KTP-Kristalls 10 die Richtungen der linearen Polarisation des Laserstrahls 11 gemäß Fig. 6 erhalten, und man erhält die zweite Harmonische 12 frei von Rauschen und mit maximaler Stärke. In Fällen, in denen die Temperatur des KTP-Kristalls 10 und des Resonators mit einer Steuerungsgenauigkeit eingestellt werden, die im Bereich von ±0,1ºC liegt, läßt sich Rauschen in der zweiten Hatmonischen 12 unterhalb von 1% (p-p) halten.
Um die zweite Harmonische zuverlässiger ohne Rauschen und Drift zu erhalten, muß die Genauigkeit, mit der die Temperaturen des KTP-Kristalls 10 und des Resonators justiert werden, gesteigert werden. Zu diesem Zweck sollte vorzugsweise gemäß Fig. 8 eine Temperatureinstellzone 55 (das heißt der KTP-Kristall 10 und der Resonator) von mehreren Peltier- Elementen 50, 51, 52 und 54 umgeben sein, und die Temperatur der Temperatureinstellzone 55 sollte vorzugsweise von den Peltier-Elementen 50, 51, 52 und 54 und der Temperatureinstellschaltung 53 justiert werden. In dem Beispiel nach Fig. 8 umgeben die Peltier-Elemente 50, 51, 52 und 54 die in der Temperatur eingestellte Zone 55 von oben, unten, links und rechts. Speziell läuft der als Grundwelle füngierende Laserstrahl 11 in einer Richtung, die die Zeichnungsebene der Fig. 8 schneidet und auf den KTP- Krsitall 10 auftrifft, der sich in der Temperatureinstellzone 55 befindet.
In Fällen, in denen der in Fig. 8 dargestellte Aufbau verwendet wird, läßt sich die Genauigkeit, mit der die Temperaturen des KTP-Kristalls 10 und des Resonators eingestellt werden, in dem Bereich von ±0,01ºC halten, insbesondere in einem Bereich von etwa ±0,005ºC. Auf diese Weise lassen sich Schwankungen bei der Abgabe der zweiten Harmonischen 12 unter 0,3% (p-p) halten.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird der KTP-Kristall 10 in der Richtung gedreht, in der der Winkel ∅ geändert werden kann. Alternativ kann der KTP-Kristall 10 in einer solchen Richtung gedreht werden, daß sich der Winkel θ oder der Winkel ψ ändert. Als weitere Alternative kann der KTP-Kristall in einer solchen Richtung gedreht werden, daß sich sämtliche Winkel ∅, θ und ψ ändern lassen. Um den Einstellumfang der Phasendifferenz Δ groß zu halten, sollte der KTP-Kristall 10 vorzugsweise in einer solchen Richtung gedreht werden, daß sich sämtliche Winkel ∅, θ und ψ ändern können.
Im folgenden wird eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 sind ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1 (dies gilt auch für Fig. 3).
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der KTP-Kristall 10 derart angeordnet, daß er sich in Berührung mit einem piezoelektrischen Bauelement 60 befindet, welches an einem Halter 61 festgelegt ist. Eine elektnsche Leistungsquelle 62 legt an das piezoelektrische Bauelement 60 eine Spannung an. Der Wert der angelegten Spannung läßt sich in geeigneter Weise derart ändern, daß der Betrag einer Spannung, die auf den KTP-Kristall 10 aufgebracht wird, geändert werden kann.
Wenn der Betrag der auf den KTP-Kristall 10 aufgebrachten Spannung in der oben beschriebenen Weise geändert wird, ändern sich die durch die Formel (13) angegebenen Brechungsindizes. Als Ergebnis ändert sich die Phasendifferenz Δ. Deshalb lassen sich durch Anlegen der Spannung mit geeignetem Betrag an den KTP-Kristall 10 die Richtungen der linearen Polarisation des Laserstrahls 11 gemäß Fig. 6 erhalten.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird im folgenden eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung beschrieben.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 befinden sich Elektroden 71 und 72 auf zwei Oberflächen des KTP-Kristalls 10, die einander gegenüberliegen. An die Elektroden 71 und 72 ist eine elektrische Spannungsquelle 73 angeschlossen, mit der an den KTP-Kristall 10 eine Spannung gelegt wird. Die Stärke der angelegten Spannung läßt sich durch einen veränderlichen Widerstand 74 einstellen. Wenn die Spannung auf diese Weise an den KTP- Kristall 10 angelegt wird, ändern sich die durch die Formel (13) dargesteilten Rechnungsindizes aufgrund elektrooptischer Effekte Im Ergebnis andert sich die Phasendifferenz Δ. Deshalb können durch Anlegen eines geeigneten Spannungspegels an den KTP-Kristall 10 die Richtungen der linearen Polarisation des Laserstrahls 11 gemäß Fig. 6 erhalten werden.
Bei den drei oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird eine Einrichtung zum Andern des Zustands des KTP-Kristalls 10 als Einrichtung zum Justieren einer Phasendifferenz verwendet. In Fällen, die nicht der Erfindung entsprechen, und bei denen ein Lambda/4-Plättchen oder ein Etalon- Plättchen als Einrichtung zum Einstellen der Phasendifferenz verwendet wird, erhöht sich der Resonatorverlust, oder Staub und dergleichen, der in der optischen Wellenlängen-Wandlervorrichtung verbleibt, haftet an den Oberflächen der optischen Teile aufgrund elektrostatischer Anziehung und dergleichen. Folglich nimmt die Ausgangsleistung der zweiten Harmonischen ab. Die Einrichtung zum Justieren einer Phasendifferenz durch Ändem des Zustands des nicht-linearen optischen Kristalls weist solche Probleme nicht auf und hat daher gegenüber den vorerwähnten Mitteln, die unabhängig von dem nicht-linearen optischen Kristall sind, beispielsweise dem Lambda/4-Plättchen oder einem Etalon-Plättchen, Vorteile.

Claims

1. Optische Wellenlängenwandlervorrichtung, in der ein Laserstrahl (11), welcher als Grundwelle fungiert und erhalten wurde durch Pumpen eines im Inneren eines Resonator (20, 16, 10, 17) befindlichen Festkörperlasermediums (16) mit Hilfe eines Halbleiterlasers (13), veranlaßt wird, auf einen nichtlinearen optischen Kristall (10) aufzutreffen, der sich im Inneren des Resonators (20, 16, 10, 17) befindet, eine Phasenanpassung vom Typ II zwischen der Grundwelle und deren zweiter Harmonischer bewirkt wird, und die zweite Harmonische (12) der Grundwelle hierdurch aus der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung abgestrahlt wird,

wobei das Festkörperlasermedium (16) eine linear polarisierte Grundwelle in zwei Longitudinal-Moden erzeugt, und

eine Einrichtung (30-33) zum Einstellen einer Phasendifferenz der Grundwelle (11) aufgrund des Kristalls (10) und eine Einrichtung (51- 55) zum Einstellen der Temperaturen des Kristalls (10) und des Resonators (20, 16, 10, 17) in der Weise, daß die Temperaturen auf vorbestimmten Werten gehalten werden, vorgesehen sind, um in der Weise zu wirken, daß zwei Polarisationsrichtungen der Grundwelle (11) einander etwa rechtwinklig schneiden und in Bezug auf eine optische Achse des Kristalls (10) jeweils um etwa 45º geneigt sein können,

wobei die Einrichtung zum Einstellen einer Phasendifferenz eine Einrichtung (30-33) ist, welche den nichtlinearen optischen Kristall (10) um eine Achse (30) dreht, die sich in einer Richtung erstreckt, welche einen optischen Weg der Grundwelle (11) innerhalb des nichtlinearen optischen Kristalls (10) schneidet, und dadurch die Länge des optischen Wegs der Grundwelle (11) innerhalb des nichtlinearen optischen Kristalls (10) ändert.

2. Optische Wellenlängenwandlervorrichtung, in der ein Laserstrahl (11), weicher als Grundwelle fungiert und erhalten wurde durch Pumpen eines im Inneren eines Resonator (20, 16, 10, 17) befindlichen Festkörperlasermediums (16) mit Hilfe eines Halbleiterlasers (13), veranlaßt wird, auf einen nichtlinearen optischen Kristall (10) aufzutreffen, der sich im Inneren des Resonators (20, 16, 10, 17) befindet, eine Phasenanpassung vom Typ II zwischen der Grundwelle und deren zweiter Harmonischer bewirkt wird, und die zweite Harmonische (12) der Grundwelle hierdurch aus der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung abgestrahlt wird,

eine Einrichtung (60-62) zum Einstellen einer Phasendifferenz der Grundwelle (11) aufgrund des Kristalls (10) und eine Einrichtung (51- 55) zum Einstellen der Temperaturen des Kristalls (10) und des Resonators (20, 16, 10, 17) derart, daß diese Temperaturen auf vorbestimmten Werten gehalten werden können, vorgesehen sind, um derart zu wirken, daß die zwei Polarisationsrichtungen der Grundwelle (11) einander etwa senkrecht schneiden können und jeweils gegenüber einer optischen Achse des Kristalls (10) annähernd um 45º geneigt sein können,

wobei die Einrichtung (60-62) zum Einstellen einer Phasendifferenz eine Einrichtung (60-62) ist, die auf den Kristall (10) eine mechanische Spannung aufbringt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Einrichtung, die auf den Kristall (10) eine Spannung aufbringt, sich aus einem piezoelektrischen Bauelement (60) zusammensetzt, welches derart angeordnet ist, daß es in Berührung mit dem Kristall (10) steht, wobei eine elektrische Spannungsquelle (62) an das piezoelektrische Bauelement (60) eine Spannung anlegt.

4. Optische Wellenlängenwandlervorrichtung, in der ein Laserstrahl (11), welcher als Grundwelle fungiert und erhalten wurde durch Pumpen eines im Inneren eines Resonator (20, 16, 10, 17) befindlichen Festkörperlasermediums (16) mit Hilfe eines Halbleiterlasers (13), veranlaßt wird, auf einen nichtlinearen optischen Kristall (10) aufzutreffen, der sich im Inneren des Resonators (20, 16, 10, 17) befindet, eine Phasen anpassung vom Typ II zwischen der Grundwelle und deren zweiter Harmonischer bewirkt wird, und die zweite Harmonische (12) der Grundwelle hierdurch aus der optischen Wellenlängenwandlervorrichtung abgestrahlt wird,

eine Einrichtung (71, 74) zum Einstellen einer Phasendifferenz der Grundwelle (11) aufgrund des Kristalls (10) und eine Einrichtung (51- 54) zum Einstellen der Temperaturen des Kristalls (10) und des Resonators (20, 16, 10, 17) derart, daß diese Temperaturen auf vorbestimmteü Werten gehalten werden können, vorgesehen sind, um in der Weise zu wirken, daß die zwei Polarisationsrichtungen der Grundwelle (11) einander etwa rechtwinklig schneiden und bezüglich einer optischen Achse des Kristalls (10) annähernd um 450 geneigt sein können,

wobei die Einrichtung (71, 74) zum Einstellen einer Phasendifferenz eine Einrichtung ist, die an den Kristall (10) eine elektrische Spannung anlegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Einrichtung zum Einstellen der Temperaturen des Kristalls (10) und des Resonators (20, 16, 10, 17) sich aus Peltier-Elementen (50, 51, 52, 54) und einer Temperatureinstellschaltung (53), die an die Peltier-Elemente (50- 52, 54) angeschlossen ist, zusammensetzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Peltier-Elemente (50-52, 54) den Kristall (10) und den Resonator (20, 16, 10, 17) umgeben.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Festkörperlasermedium ein YVO&sub4;-Kristall ist, der mit annähernd 1-2 Atom-% Neodym dotiert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der nichtlineare optische Kristall (10) ein KTP-Kristall ist.