DE69300886T2

DE69300886T2 - Laserlichtstrahlerzeugende Vorrichtung.

Info

Publication number: DE69300886T2
Application number: DE69300886T
Authority: DE
Inventors: Oka Michio; Eguchi Naoya
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-03-28
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: DE69300886D1; EP0563779A3; JPH05275785A; US5289479A; EP0563779A2; EP0563779B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine laserstrahlerzeugende Vorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine laserstrahlerzeugende Vorrichtung aufweisend eine Lichtquelle, die einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen mittels eines nichtlinearen optischen Kristallelementes erzeugt.
Es ist bekannt, eine effiziente Wellenlängenkonversion unter Ausnutzung einer hohen Leistungsdichte in einem Resonator auszuführen. Z.B. wurden Untersuchungen ausgeführt bei der Erzeugung einer zweiten Harmonischen mittels eines externen Resonators oder bei der Erzeugung einer zweiten Harmonischen (SHG) durch ein nichtlineares optisches Element innerhalb eines Laser-Resonators.
Als Beispiel einer laserstrahlerzeugenden Vorrichtung als Festkörperlaser, der die zweite Harmonische innerhalb eines Resonators erzeugt, ist es bekannt, einen Resonator mit einem Paar reflektierender Spiegel, ein zwischen den reflektierenden Spiegeln angeordnetes Lasermedium und ein nichtlineares Kristallelement zwischen einem der Spiegel und dem Lasermedium vorzusehen. Bei dieser Vorrichtung kann der Laserstrahl der zweiten Harmonischen effizient erzeugt werden durch Phasenabgleich des Laserstrahls der zweiten Harmonischen mit dem Laserstrahl der Grundwellenlänge.
Um diesen Phasenabgleich zu realisieren, müssen Typ I- oder Typ II- Phasenabgleichbedingungen zwischen dem Laserstrahl der Grundwellenlänge und dem Laserstrahl der zweiten Harmonischen erfüllt sein. Der Typ I-Phasenabgleich basiert auf dem Prinzip, ein Phänomen hervorzurufen, bei dem ein einzelnes Photon mit einer doppelten Frequenz aus zwei in gleicher Richtung polarisierten Photonen erzeugt wird unter Ausnutzung des gewöhnlichen Lichts des Laserstrahls der Grundwellenlänge. Andererseits basiert der Typ II-Phasenabgleich auf dem Prinzip, die Eigenpolarisationen der beiden senkrechten Grundwellenlängen so auf ein nichtlineares optisches Kristallelement einfallen zu lassen, daß die Phasenabgleichbedingungen für jede der zwei eigenpolarisierten Lichtstrahlen erfüllt werden. Der Laserstrahl der Grundwellenlänge wird innerhalb des nichtlinearen optischen Kristallelements in einen gewöhnlichen Lichtstrahl und einen außerordentlichen Lichtstrahl aufgespaltet. Daher wird der Phasenabgleich des gewöhnlichen Lichtstrahls und des außerordentlichen Lichtstrahls mit dem außerordentlichen Licht des Lichtstrahls der zweiten Harmonischen ausgeführt.
Wenn es jedoch gewünscht ist, einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen unter Verwendung der Typ II-Phasenabgleichbedingungen zu erzeugen, so besteht die Gefahr, daß die Erzeugung des Laserlichts der zweiten Harmonischen nicht stabil aufrechterhalten werden kann. Die Ursache liegt darin, daß sich die Eigenpolarisation jedesmal in der Phase ändert, wenn der Laserstrahl der Grundwellenlänge das nichtlineare optische Kristallelement durchquert.
Wenn die zwei senkrechten Eigenpolarisationen, d.h. die p- und die s-Wellen jedesmal dann, wenn der im Lasermedium erzeugte Laserstrahl der Grundwelle das nichtlineare optische Kristallelement in Resonanz wiederholt durchquert, eine Phasendifferenz voneinander aufweisen, kann ein starker Resonanzzustand, d.h. eine starke stehende Welle nicht erzeugt werden. Das liegt daran, daß ein Dauerbetrieb, bei dem sich die beiden Eigenpolarisationen des Laserstrahls der Grundwellenlänge gegenseitig in jedem Teil des Resonators effizient verstärken, nicht erzeugt werden kann. Daher ist die Umwandlungseffizienz des Laserstrahls der Grundwellenlänge in den Laserstrahl der zweiten Harmonischen verschlechtert mit der Gefahr der Erzeugung von Rauschen des Laserstrahls der zweiten Harmonischen.
Die Anmelderin hat in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 1-220 879 (JP-A-01 220 879) schon eine laserstrahlerzeugende Vorrichtung zur Lösung des oben beschriebenen Problems vorgeschlagen. Diese laserstrahlerzeugende Vorrichtung, die einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen unter Verwendung eines nichtlinearen optischen Kristallelementes erzeugt, weist ein doppelbrechendes Element als Viertelwellenplatte auf, das in einem resonanten Lichtweg des Laserstrahls der Grundwellenlänge angeordnet ist. Bei diesem Typ einer laserstrahlerzeugenden Vorrichtung wird der Laserstrahl der zweiten Harmonischen als Ausgangslaserstrahl in einem stabilen Zustand ausgestrahlt.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer laserstrahlerzeugenden Vorrichtung, die in der oben beschriebenen japanischen Patentveröffentlichung Nr. 1-220 879 (JP-A-01 220 879) beschrieben ist. Die in Fig. 1 dargestellte laserstrahlerzeugende Vorrichtung weist einen Resonator 101, der ein Lasermedium 102 und ein Paar reflektierender Oberflächen 103, 105 enthält, ein nichtlineares optisches Kristallelement 106 und ein doppelbrechendes Element 107 als Viertelwellenplatte auf. Das Lasermedium ist stabförmiges Nd:YAG. Eine der reflektierten Oberflächen 103 ist als dichroitischer Spiegel auf der Einfallsfläche des Lasermediums 102 ausgebildet. Die andere reflektierende Oberfläche 105 ist als dichroitischer Spiegel auf der Innenfläche eines konkaven Ausgangsspiegels 104 ausgebildet. Das nichtlineare optische Kristallelement 106 besteht aus KTP (KTiPO&sub4;). Das doppelbrechende Element 107 besteht aus einer Quarzplatte. Das Lasermedium 102, das nichtlineare optische Kristallelement 106 und das doppelbrechende Element 107 befinden sich zwischen dem Paar reflektierender Oberflächen 103, 105.
Die im Resonator 101 angeordnete Einfallsfläche des Lasermediums 102 wird mit einem von einem Halbleiterlaser 111 als Pumplichtquelle emittierten Pumplaserstrahl über eine Kollimatorlinse 112 und eine Objektivlinse 113 bestrahlt. Somit erzeugt das Lasermedium 102 einen Laserstrahl der Grundwellenlänge LA(ω). Der Laserstrahl der Grundwellenlänge LA(ω) wird über das nichtlineare optische Kristallelement 106 und das doppelbrechende Element 107 übertragen und an der reflektierenden Oberfläche 105 des konkaven Spiegels 104 zurückreflektiert, um wiederum durch das doppelbrechende Element 107 das nichtlineare optische Kristallelement 106 und das Lasermedium 102 in dieser Reihenfolge übertragen zu werden, bevor er von der Einfallsfläche des Lasermediums 102 reflektiert wird. Folglich ist der Laserstrahl der Grundwellenlänge LA(ω) durch Hin- und Herbewegung zwischen der reflektierenden Oberfläche 103 des Lasermediums 102 und der reflektierenden Oberfläche 105 des konkaven Spiegels 104 des Resonators 101 in Resonanz.
Die optischen Achsen des doppelbrechenden Elements 107, wie etwa einer Viertelwellenplatte, sind so festgelegt, daß innerhalb einer senkrecht zur Fortbewegungsrichtung des Lichts gelegenen Ebene die Richtung des Brechungsindex ne(7) des außerordentlichen Lichts um einen festgelegten Azimuthwinkel θ von z.B. θ=45º bezüglich der Richtung des Brechungsindex des außerordentlichen Lichtstrahls ne(6) des nichtlinearen optischen Kristallelements 106 gedreht ist, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
Bei der oben beschriebenen laserstrahlerzeugenden Vorrichtung wird ein Laserstrahl der zweiten Harmonischen LA(2ω) durch den Laserstrahl der Grundwellenlänge erzeugt, wenn der Laserstrahl der Grundwellenlänge durch das nichtlineare optische Kristallelement 106 fällt. Der Laserstrahl der zweiten Harmonischen LA(2ω) wird durch den konkaven Spiegel 104 übertragen und als Ausgangslaserstrahl ausgegeben.
In diesem Zustand fallen der gewöhnliche und der außergewöhnliche Lichtstrahl des Laserlichts der Grundwellenlänge LA(ω) durch das doppelbrechende Element 107, wobei eine Viertelwellenplatte als doppelbrechendes Element eine Wellenlänge entsprechend einem Viertel der Wellenlänge des Laserstrahls der Grundwellenlänge hat, welches mit einem Azimutwinkel θ von 45º bezüglich des nichtlinearen optischen Kristallelements 106 angeordnet ist. Somit wird die Laserleistung in jedem Bereich des Resonators 107 auf einem bestimmten Pegel stabilisiert. Da das doppelbrechende Element 107 eine Kopplung zwischen zwei senkrechten Eingangspolarisationsmoden des Laserstrahls der Grundwellenlänge LA(ω) durch Erzeugung der Summenfrequenz verhindert, wenn der im Lasermedium 102 erzeugte Laserstrahl der Grundwellenlänge LA(ω) in Resonanz durch das nichtlineare optische Kristallelement 106 zur Erzeugung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen vom Typ II fällt, wird die Oszillation stabilisiert.
Wenn ein optisches System eingesetzt wird, das den Laserstrahl der zweiten Harmonischen auf einem optischen Konjugationspunkt eines virtuellen Luminanzpunktes des Resonators sammelt, beispielsweise einen Punkt auf einer optischen Platte zur Anwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen vom Typ II, fällt ein Lichtstrahl in den Resonator zurück. Obwohl es möglich ist, den zurückfallenden Laserstrahl mittels eines optischen Systems, das ein Faraday-Element oder eine Viertelwellenplatte und ein Polarisationsprisma aufweist, zu reduzieren, ist es trotzdem schwierig, den zurückfallenden Laserstrahl auf Null zu reduzieren aufgrund von Fertigungstoleranzen der optischen Komponenten und von Doppelbrechungen an der optischen Platte.
Im Falle der oben beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung von Laserlicht der zweiten Harmonischen fällt nur der Laserstrahl der zweiten Harmonischen zurück, so daß dort nicht das Problem von Rauschen durch Modenspringen aufgrund eines geringfügigen zurückfallenden Lichtstrahles auftritt wie im Falle einer herkömmlichen Halbleiterlaserquelle. Jedoch interferiert der zurückfallende Laserstrahl mit dem in der Vorrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen erzeugten Laserstrahl, so daß Interferenzrauschen auftritt, wenn die Länge des Lichtweges in der Größenordnung einer Wellenlänge fluktuiert.
Wenn die Reflektivität der Intensität des zurückfallenden Laserstrahls der zweiten Harmonischen von der optischen Platte Rd ist und die Intensitätsreflektivität der des Spiegels innerhalb der laserstrahlerzeugenden Vorrichtung Rm ist, ist der Scheitel-zu- Scheitel-Wert Npp des Interferenzrauschens durch die folgende Formel gegeben:
Folglich tritt, auch wenn Rd und Rm jeweils 1% sind, ein Interferenzrauschen von 4% im Scheitel-zu-Scheitel-Wert Npp auf, was wiederum die Signalcharakterisdk verschlechtert. Ein Interferenzrauschen mit einem zurückfallenden Ausgangsstrahl ist das gleiche wie für Rm = 1, d.h. 100% Reflektivität, so daß auch wenn der zurückfallende Lichtstrahl 1 % beträgt, ein Scheitel-zu-Scheitel-Rauschwert Npp von bis zu 40% auftritt, wodurch der Laserausgang verändert wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine laserstrahlerzeugende Vorrichtung vorzuschlagen, die das oben beschriebene Problem löst.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine laserstrahlerzeugende Vorrichtung vorzuschlagen, die einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen vom Typ II erzeugt und Fluktuationen des Laserstrahls oder eine Verschlechterung der Signalcharakteristik aufgrund von Interferenzrauschen vermeidet.
Erfindungsgemäß ist, wie in Anspruch 1 definiert, eine laserstrahlerzeugende Vorrichtung vorgeschlagen aufweisend wenigstens eine Lichtquelle, einen Resonator und ein optisches System. Der Resonator erzeugt einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen vom Typ II. Der Resonator weist einen ersten Reflektor, einen zweiten Reflektor, einen zwischen dem ersten und zweiten Reflektor vorgesehenes Lasermedium auf und wird mit einem von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl über den ersten Reflektor und ein zwischen dem Lasermedium und dem zweiten Reflektor vorgesehenes nichtlineares optisches Kristallelement bestrahlt. Das optische System strahlt den von einem virtuellen Luminanzpunkt des Resonators emittierten Laserstrahl der zweiten Harmonischen vom Typ II auf einen Konjugationspunkt ab. Bei der laserstrahlerzeugenden Vorrichtung ist bei einer effektiven Länge L des Resonators der effektive Abstand Le vom Resonator zum Konjugationspunkt so gewählt, daß
Le = (m + 1/2)L,
wobei m ganzzahlig ist.
Erfindungsgemäß ist, wie in Anspruch 4 beschrieben, eine optische Aufnahmevorrichtung für ein optisches Aufzeichnungsmedium vorgesehen, aufweisend wenigstens eine Lichtquelle, ein Resonator, einen Strahlablenker und ein optisches System. Der Resonator erzeugt einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen vom Typ II und wird mit einem von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl bestrahlt. Der Strahlablenker lenkt den von dem Resonator emittierten Laserstrahl der zweiten Harmonischen vom Typ II ab. Das optische System umfaßt eine Objektivlinse zur Fokusierung des von dem Resonator emittierten Laserstrahls der zweiten Harmonischen vom Typ II auf das optische Aufzeichnungsmedium. Bei der optischen Aufnahmevorrichtung ist bei einer effektiven Lange L des Resonators der effektive Abstand Le vom Resonator zum Brennpunkt des Laserstrahls der zweiten Harmonischen vom Typ II auf dem optischen Aufzeichnungsmedium so festgelegt, daß
Le = (in + 1/2)L,
wobei in ganzzahlig ist.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Interferenz des in dem Resonator erzeugten Laserstrahls der zweiten Harmonischen mit dem von dem Konjugationspunkt zurückfallenden Lichtstrahl verhindert und das Interferenzrauschen kann verringert werden, um eine Verschlechterung der Signalcharakteristik und Fluktuationen des Laserausgangs zu verringern. Andererseits können die erlaubten Toleranzen von den konzipierten Dimensionswerten der optischen Komponenten des optischen Systems, wie dem Faraday-Element, der Viertelwellenplatte oder des Polarisationsprismas vergrößert werden, so daß es möglich ist, ein preiswertes System einzusetzen.
Die Erfindung wird ohne weiteres verständlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen in denen:
Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Anordnung einer herkömmlichen laserstrahlerzeugenden Vorrichtung ist;
Fig. 2 eine Diagrammdarstellung zur Illustration der Orientierungswinkel des doppelbrechenden Elements des in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Systems ist;
Fig. 3 die schematische Basisanordnung der laserstrahlerzeugenden Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 ein Diagramm ist, das die Frequenzcharakteristik zur Illustration des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 5 eine Perspektivdarstellung ist, die eine schematische Anordnung eines Ausführungsbeispiels zeigt, in dem die laserstrahlerzeugende Vorrichtung auf eine optische Aufnahmevorrichtung angewandt ist;
Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung ist, die eine schematische Anordnung einer Laserstrahlquelle der zweiten Harmonischen zeigt, die in der in Fig. 5 gezeigten optischen Aufnahmevorrichtung verwendet wird;
Fig. 7 eine Vorderansicht ist, die eine schematische Anordnung der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung zeigt.
Anhand der Zeichnungen werden die erwähnten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen laserstrahlerzeugenden Vorrichtung.
In Fig. 3 weist die laserstrahlerzeugende Vorrichtung eine Laserdiode 11, etwa ein Halbleiterlaserelement, eine Linse 12, einen Resonator 13, ein optisches System 20 und eine Objektivlinse 21 auf. Die Laserdiode 11 strahlt als Pumplichtquelle einen Pumplichtstrahl aus. Der Resonator 13 enthält einen konkaven Spiegel 14, eine Viertelwellenplatte 15 als doppelbrechendes Element, ein stabförmiges Lasermedium 16, wie etwa Nd:YAG, ein nichtlineares optisches Kristallelement 17, wie etwa KTP (KTiOPO&sub4;) und einen flachen Spiegel 18. Eine reflektierende Oberfläche 14R ist auf der inneren konkaven Oberfläche des konkaven Spiegels 14 ausgebildet. Eine reflektierende Oberfläche 18R ist auf einer Oberfläche des ebenen Spiegels 18 ausgebildet. Diese reflektierenden Oberflächen 14R, 18R sind dichroitische Spiegel. Der von der Laserdiode 18 abgestrahlte Pumpstrahl wird durch die Linse 12 konvergiert und fällt über den konkaven Spiegel 14 und die Viertelwellenplatte 15 auf das Lasermedium 16. Ein Laserstrahl der Grundwellenlänge LA(ω) wird durch das Lasermedium 16 aufgrund des eingestrahlten Pumplichtstrahls erzeugt. Der Laserstrahl der Grundwellenlänge LA(ω) erreicht den ebenen Spiegel 18 über das nichtlineare optische Kristallelement 17 und wird durch die reflektierende Oberfläche 18R reflektiert.
Als Lasermedium 16 wird Nd:YVO&sub4;, LNP, Nd:BEL usw. verwendet, während als nichtlineares optisches Kristallelement 17 LiNbO&sub3;, BBO oder LBO verwendet werden können.
Durch Typ II-Phasenabgleich erzeugt das nichtlineare optische Kristallelement 17 wie KTP 17 einen Laserstrahl der zweiten Harmonischen LA(2ω), der die doppelte Frequenz des Laserstrahls LA(ω) hat. Wenn die Wellenlänge λ des Laserstrahls LA(ω) 1064 nm ist, ist die Wellenlänge des Laserstrahls LA(2ω) λ/2 oder 532 nm. Die reflektierende Oberfläche 14R des konkaven Spiegels 14 hat solche Eigenschaften, daß sie den Pumplichtstrahl mit einer Wellenlänge von z.B. 808 nm transmittiert, jedoch den im Lasermedium 16 erzeugten Laserstrahl LA(ω) reflektiert, während die reflektierende Oberfläche 18R des ebenen Spiegels 18 so ausgebildet ist, daß sie den Laserstrahl LA(ω) reflektiert, aber den Laserstrahl LA(2ω) der zweiten Harmonischen transmittiert. Diese reflektierenden Oberflächen 14R, 18R können als dichroitische Spiegel verwendet werden. So bewegt sich der Laserstrahl der Grundwellenlänge LA(ω), der in dem Lasermedium 16 erzeugt wird, zwischen den reflektierenden Oberflächen 14R und 18R des Resonators 13 hin und her zur Erzeugung des Laserstrahls. Es sei festgehalten, daß die Viertelwellenplatte 15 mit einer gegenüber dem nichtlinearen optischen Kristallelement 17 um einen Azimuthwinkel θ von 45º geneigten Orientierung angeordnet ist und zur Stabilisierung der Laserleistung in verschiedenen Teilen des Resonators 13 verwendet wird.
Der Laserstrahl LA(2ω) der zweiten Harmonischen, der von einem virtuellen Luminanzpunkt des Resonators 13 emittiert wird, wird mittels des optischen Systems 20 und der Objektivlinse 21 auf einen optischen Konjugationspunkt gebündelt, wie etwa einem Punkt auf der Aufzeichnungsschicht (reflektierende Schicht) einer optischen Platte 22. In diesem Resonator ist der virtuelle Punkt des Resonators an einem Punkt O, dargestellt in Fig. 3, angeordnet. Der Punkt O ist auf der reflektierenden Oberfläche 18R und der optischen Achse des Ausgangslaserstrahls der zweiten Harmonischen angeordnet. Mit der für Luft berechneten Länge L des Lichtweges des Resonators 13, d.h. dem Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche 14R und der reflektierenden Oberfläche 18R oder der effektiven Länge des Resonators erfüllt die effektive Länge Le für Luft von der äußeren reflektierenden Oberfläche 18R des Resonators 13 zu dem Konjugationspunkt die Beziehung
Le = (m + 1/2)L, (1)
wobei m eine ganze Zahl ist.
Wenn die Relation der Formel (1) erfüllt ist, wird es möglich, das Interferenzrauschen zu verringern und Fluktuationen des Laserausgangs oder eine Verschlechterung der Signalcharakteristik zu verhindern, um ein System hoher Güte auszubilden.
Andererseits können die Fertigungstoleranzen der im optischen System 20 verwendeten Faraday-Elemente, der Viertelwellenplatte 15 oder anderer optischer Komponenten zur Verringerung des zurückfallenden Laserlichts erhöht werden, so daß es möglich wird, ein preiswertes System auszubilden.
Die Viertelwellenplatte 15 ist ein doppelbrechendes Element, das in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik ausgebildet ist, der vom Anmelder in der japanischen Patentveröffentlichung 1-220 879 (JP-A-01 220 879) und in der Beschreibung und den Zeichnungen der japanischen Patentanmeldungen Nr. 2-125 854 (JP-A-04 025 087) und 3-17 068 (JP-A-04 243 177) beschrieben ist. Der Laserstrahl fällt durch die Viertelwellenplatte 15, die mit einem Azimuthwinkel von θ = 45º bzgl. des nichtlinearen optischen Kristallelementes 17 zur Stabilisierung der Laserleistung in verschiedenen Teilen des Resonators 13 angeordnet ist.
D.h., durch Einfügen der Viertelwellenplatte 15 in den Resonator 13,
(i) wird eine nichtlineare Kopplung zwischen den Polarisationsmoden aufgrund einer Summenfrequenzerzeugung eliminiert, um eine Konkurrenz zwischen den Polarisationsmoden zu verhindern; und
(ii) wird die durch die Viertelwellenplatte hervorgerufene räumliche Phasendifferenz gleich 900, so daß der räumliche Lochbrenneffekt (hole burning effect) aufgrund der Emission von zwei Polarisationsmoden verhindert wird, um eine stabile Oszillation von zwei longitudinalen Moden (zwei Polarisationsmoden) zu erzeugen.
Im allgemeinen ist der Abstand zwischen longitudinalen Moden eines in einem Resonator resonanten Laserstrahls, d.h. die Frequenzdifferenz zwischen benachbarten longitudinalen Moden derselben Transversalmode gleich c/2L, wobei L die Länge des Resonators 13 und c die Lichtgeschwindigkeit ist. In dem Resonator 13 mit dem nichtlinearen optischen Kristallelement 17, der den oben beschriebenen Typ II- Phasenabgleich und eine Viertelwellenplatte 17 in ihrem Lichtweg aufweist, ist der Modenfrequenzabstand ΔfB gegeben durch
AfB = c/4L, (2)
wenn der Laserstrahl der Grundwellenlänge LA(ω) mit einer Wellenlänge λ von z.B. 1064 nm zwischen den zwei longitudinalen Moden (zwei Polarisationsmoden) oszilliert und L die Lichtweglänge zwischen den gegenüberliegenden reflektierenden Oberflächen 14R und 18R (effektive Resonatorlänge für Luft) ist. Da der Laserstrahl der zweiten Harmonischen als Polarisation in einer Richtung herausgenommen wird, wird die Frequenz jeder der longitudinalen Moden dieser Eigenpolarisationsmoden verdoppelt, so daß die Frequenzdifferenz zwischen benachbarten longitudinalen Moden ΔfSH gegeben ist durch:
ΔfSH = c/2L. (3)
Ein elektrisches Feld E(z) des Laserstrahls der zweiten Harmonischen wird erhalten, wenn die oben beschriebenen beiden Longitudinalmoden mit der gleichen Intensität in Resonanz sind. Wenn ω1, ω2 Kreisfrequenzen der jeweiligen Moden sind und k&sub1;(=ω&sub1;/c) und k&sub2;(=ω&sub2;/c) die Wellenzahlen der jeweiligen Moden sind, ist das elektrische Feld E(z) des Laserstrahls der zweiten Harmonischen gegeben durch:
Aus der obigen Formel (3) erhält man die Kreisfrequenz zwischen den Moden:
ωr - ω2= 2πΔfSH = πc/L (5)
so daß die Formel (4) vereinfacht werden kann:
In einem optischen System, das die laserstrahlerzeugende Vorrichtung verwendet, ist, wenn die Intensitätsreflektivität des zurückfallenden Lichtstrahls vom Konjugationspunkt Rd ist und die Intensitätsreflektivität des Laserstrahls der zweiten Harmonischen an der reflektierenden Oberfläche 18R des Resonators 13 Rm ist, diese Reflektivitäten Rd, Rm, die eine Größenordnung von einigen Prozent aufweisen, als kein angenommen werden und wenn Mehrfachreflektion vernachlässigt wird, die Vorwärtsinterferenzrauschintensität I&sub1; und die Rückwärtsinterferenzrauschintensität I&sub2; gegeben durch:
wobei Le der effektive Abstand vom Konjugationspunkt ist.
Wenn die Formeln (7) und (8) entwickelt werden und der mit einer hohen Geschwindigkeit oszillierende Term (ω&sub1;+ω&sub2;) über die Zeit gemittelt wird, erhält man:
Der erste Ausdruck der Formel (9) ist
Der zweite Term der Formel (9) ist
Der dritte Ausdruck der Formel (9) ist
Daher sind die Vorwärtsinterferenzrauschintensität I&sub1; und die Rückwärtsinterferenzrauschintensität 12 gegeben durch:
In diesen Formeln (13), (14) erzeugt der zweite Term das Interferenzrauschen. Insbesondere der erste Kosinus-Term, d.h.
repräsentiert einen Ausdruck, der mit der Periode einer halben Wellenlänge oszilliert, wenn der Abstand zu dem Konjugationspunkt Le in Luft extrem kleinen Oszillationen in der Größenordnung der Lichtwellenlänge unterworfen ist und ist daher verantwortlich für das Interferenzrauschen.
Der zweite Kosinus-Term Kosinus (πLe/L) im zweiten Ausdruck der Formeln (13), (14) ist ein Ausdruck, der moderaten Oszillationen mit 2L (L ist die Länge des Resonators der Laserlichtquelle) als Periode unterworfen ist. Wenn die Bedingung von Formel (1), d.h. Le = (m + 1/2)L, wobei m eine ganze Zahl ist, erfüllt ist, wird cos (πLe/L) gleich Null. In anderen Worten, wenn der Abstand des Konjugationspunktes Le gleich (ganze Zahl + eine halbe ganze Zahl) mal der optischen Länge des Resonators an Luft ist, wird das Interferenzrauschen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung Null. Auch wenn die Formel (1) nicht vollständig erfüllt ist, d.h. wenn der Abstand Le ungefähr gleich (ganze + eine halbe ganze Zahl) mal der Resonatorlänge L ist, wird das Interferenzrauschen merklich verringert, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen konkrete Ausführungsbeispiele, in denen die vorliegende Erfindung auf eine optische Aufnabmevorrichrung für eine optische Aufzeichnungsplatte angewandt wird. Fig. 5 zeigt eine schematische perspektivische Gesamtansicht. Fig. 6 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Lichtquelle für die zweite Harmonische. Fig. 7 zeigt eine schematische Gesamt-Frontansicht. In den Fig. 5 bis 7 sind Elemente, die denen in Fig. 3 entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erläutert.
Bei der in den Fig. 5 bis 7 dargestellten optischen Aufnahmevorrichtung hat die SHG- Lichtquelle ein kompaktes Design von geringen Abmessungen, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Der von der Laserdiode 11 emittierte Pumplichtstrahl wird durch eine Linse 12 konvergiert und fällt über eine Einfallsfläche der Viertelwellenplatte 15 auf das Lasermedium 16. Eine reflektierende Oberfläche ist auf der Einfallsfläche der Viertelwellenplatte 15 durch ein Beschichtungsverfahren ausgebildet und weist eine Wellenlängenselektivität als dichroitischer Spiegel auf. Die reflektierende Oberfläche 15R transmittiert den Pumplichtstrahl, dessen Wellenlänge z.B. 810 nm ist und reflektiert den vom Lasermedium 16 erzeugten Laserstrahl der Grundwellenlänge, dessen Wellenlänge z.B. 1064 nm ist. Die reflektierende Oberfläche 15R ist vom Lasermedium 16 aus gesehen ein konkaver Spiegel. Der vom Lasermedium 16 erzeugte Laserstrahl der Grundwellenlänge wird auf das nichtlineare optische Kristallelement 17 aus KTP (KTiPO&sub4;) eingestrahlt. Die zweite Harmonische zu dem eingestrahlten Laserstrahl der Grundwellenlänge wird im nichtlinearen optischen Kristallelement 17 erzeugt. Eine reflektierende Oberfläche 17R ist auf der Ausfallsfläche des linearen optischen Kristallelementes 17 ausgebildet. Die reflektierende Oberfläche 17R transmittiert den Laserstrahl der Grundwellenlänge und reflektiert den Laserstrahl der zweiten Harmonischen, dessen Wellenlänge z.B. 532 nm beträgt. Der Resonator ist zwischen den reflektierenden Oberflächen 15R und 17R ausgebildet.
Bei dem in der in den Fig. 5 bis 7 dargestellten optischen Aufnahmevorrichtung verwendeten Resonator sind der konkave Spiegel 14 und der ebene Spiegel 18 des in Fig. 3 gezeigten Resonators 13 weggelassen und die Wellenlängenselektivität der reflektierenden Oberflächen 15R und 17R ist auf der Einfallsfläche der Viertelwellenplatte 15 und der Ausfallsfläche des nichtlinearen optischen Kristallelementes 17 ausgebildet. Die Viertelwellenplatte 15, das Lasermedium 16 und das nichtlineare optische Kristallelement 17 sind direkt miteinander verbunden. Der Resonator befindet sich in einer V-förmigen Nut entlang der Z-Richtung in Fig. 5 in einem Resonator-Befestigungsblock 31.
Der von der reflektierenden Oberfläche 17R des Resonators in Z-Richtung abgegebene SHG-Laserstrahl wird durch einen vertikal ablenkenden Spiegel 19 in vertikaler Richtung, d.h. in Richtung der Y-Achse abgelenkt, wie in Fig. 5 dargestellt ist, und auf ein optisches System der optischen Aufnahmevorrichtung gelenkt. Der SHG-Laserstrahl fällt auf die optische Platte 22.
Bei der optischen Aufnahmevorrichtung sind ein Befestigungsblock der Laserdiode 11, der Resonator-Befestigungsblock 31 und ein Befestigungsblock des Ablenkungsspiegels 19 auf einem Basisteil 33 angeordnet. Das Basisteil 33 wird mittels einer Temperatursteuereinrichtung 34, wie etwa einer sog. thermoelektrischen Kühleinrichtung temperaturgesteuert. Diese Blöcke und das Basisteil 33 sind in einem Gehäuse 35 angeordnet.
Der in Richtung der Y-Achse des Ablenkspiegels 19 emittierte SHG-Laserstrahl wird durch eine konkave Linse 23 und ein Gitter 24 und einen Polarisations-Strahlteiler 25 übertragen. Der SHG-Laserstrahl fällt weiter über eine Linse 26 und eine Viertelwellenplatte 27 auf die Objektivlinse 21. Der SHG-Laserstrahl wird auf den Purtkt auf der Aufzeichnungsoberfläche der optischen Platte 22 als optischen Konjugationspunkt fokussiert. In diesem Fall ist die Summe Le der optischen LängeLe&sub1; an Luft von der reflektierenden Oberfläche 17R als Ausfallsfläche zum Ablenkspiegel 19 des Resonators und der effektiven optischen Länge Le&sub2; an Luft von dem Spiegel 19 zur Aufzeichnungsoberfläche der optischen Platte 22 als Konjugationspunkt (eine ganze + eine halbe ganze Zahl) mal der optischen Länge L an Luft zwischen den reflektierenden Oberflächen 15R und 17R des Resonators, d.h. der effektiven Resonatorlänge, d . h.
Le = Le&sub1; + Le&sub2; = (m + 1/2)L.
Auf diese Weise wird es möglich, das Interferenzrauschen zu verringern und Verschlechterungen der Signalcharakteristik oder Fluktuationen des ausgestrahlten Laserstrahls zu verhindern, die auf andere Weise durch Interferenzrauschen erzeugt werden. Andererseits können die Herstellungstoleranzen der im optischen System der optischen Aufnahmevorrichtung verwendeten optischen Komponenten, wie dem Polarisations-Strahlteiler 25 oder der Viertelwellenplatte 27 vergrößert werden, um ein preiswertes System verwenden zu können.
Der zurückfallende Lichtstrahl von der Aufzeichnungsoberfläche der optischen Platte 22 fällt über die Objektivlinse 21, die Viertelwellenplatte 27 und die Linse 22 auf den Polarisations-Strahlteiler 25 und wird von einer Grenzfläche des Polarisations- Strahlteilers 25 reflektiert. Der vom Polarisations-Strahlteiler 25 reflektierte zurückfallende Laserstrahl wird von einem Fotodetektor 29 mittels einer Mehrfachlinse 28 empfangen und die Aufzeichnungssignale werden wiedergegeben.
Es ist festzuhalten, daß, obwohl nicht beansprucht, die vorliegende Erfindung nicht nur auf die oben beschriebene optische Aufnahmevorrichtung, sondern auch auf die Erzeugung von vierten oder höheren Harmonischen angewendet werden kann, wobei ein externer Resonator, ein Laser-Rastermikroskop, Laserlithographie oder die Einkopplung in Glasfasern verwendet werden kann. Der oben beschriebene Effekt kann erhalten werden durch Ausbilden der optischen Länge Le zu den optischen Konjugationspunkten dieser optischen Systeme an Luft als im wesentlichen gleich (ganze Zahl + halbe ganze Zahl) mal der effektiven Resonatorlänge L, d.h. durch Ausbilden der Längen, so daß
Le = (m + 1/2)L.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Z.B. kann ein Resonator aufweisend einen reflektierenden Spiegel, der die optische Weglänge faltet, im Lichtweg zusätzlich zu dem Paar reflektierender Spiegel an beiden Enden entlang des Resonator-Lichtweges verwendet werden. Das Lasermedium oder das nichtlineare optische Kristallelement sind selbstverständlich nicht auf Nd:YAG oder KTP beschränkt.

Claims

1. Laserstrahlerzeugende Vorrichtung aufweisend:

wenigstens eine Lichtquelle (11);

einen Resonator (13) zur Erzeugung eines Laserstrahls der zweiten Harmonischen vom Typ II und aufweisend einen ersten Reflektor (14R), einen zweiten Reflektor (18R), ein Lasermedium (16) zwischen dem ersten (14R) und dem zweiten (18R) Reflektor, auf welches ein von der Lichtquelle (11) emittierter Lichtstrahl über den ersten Reflektor (14R) eingestrahlt wird, und ein nichtlineares optisches Kristallelement (17), das zwischen dem Lasermedium (16) und dem zweiten Reflektor (18R) vorgesehen ist; und

ein optisches System (20), um den von einem virtuellen Luminanzpunkt (O) emittierten Laserstrahl der zweiten Harmonischen vom Typ II auf einen Konjugationspunkt zu strahlen, wobei die effektive Länge L des Resonators (13), der effektive Abstand Le von dem Resonator (13) zu dem Konjugationspunkt so festgelegt ist, daß Le = (m + 1/2)L, wobei m ganzzahlig ist.

2. Laserstrahlerzeugende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Resonator (13) ferner ein zwischen dem ersten (14R) und dem zweiten (18R) Reflektor vorgesehenes doppelbrechendes Element (15) aufweist.

3. Laserstrahlerzeugende Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das optische System (20) eine Sammellinse (21) zur Fokussierung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen des Typs II auf den Konjugationspunkt aufweist.

4. Optische Aufnahmevorrichtung für ein optisches Aufzeichnungsmedium aufweisend:

wenigstens eine Lichtquelle (11);

einen Resonator (13) zur Erzeugung eines Laserstrahls der zweiten Harmonischen vom Typ II und aufweisend einen ersten Reflektor (14R), einen zweiten Reflektor (18R), ein Lasermedium (16) zwischen dem ersten (14R) und dem zweiten (18R) Reflektor, auf welches ein von der Lichtquelle (11) emittierter Lichtstrahl über den ersten Reflektor (14R) eingestrahlt wird und ein nicht lineares optisches Kristallelement (17), das zwischen dem Lasermedium (16) und dem zweiten Reflektor (18R) vorgesehen ist;

eine Ablenkeinrichtung (19) zur Ablenkung des Laserstrahls der zweiten Harmonischen vom Typ II; und ein optisches System (20) aufweisend eine Objektivlinse (21) zur Fokussierung des von einem virtuellen Luminanzpunkt (O) des Resonators (15R, 17R) emittierten Laserstrahls der zweiten Harmonischen vom Typ II auf einen Brennpunkt auf dem optischen Aufzeichnungsmedium (22),

wobei die effektive Länge L des Resonators (15R, 17R), der effektive Abstand Le von dem Resonator (17R) zu dem Brennpunkt des Laserstrahls der zweiten Harmonischen vom Typ II durch die Objektivlinse (21) so festgelegt ist, daß Le = (m + 1/2)L wobei m ganzzahlig ist.

5. Optische Aufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei der Resonator (15R, 17R) einen ersten Reflektor (15R), einen zweiten Reflektor (17R), ein zwischen dem ersten (15R) und dem zweiten (17R) Reflektor vorgesehenes Lasermedium aufweist, auf das ein von der Lichtquelle (11) emittierter Lichtstrahl über den ersten Reflektor (15R) eingestrahlt wird, und ein nichtlineares optisches Kristallelement (17) zwischen dem Lasermedium (16) und dem zweiten Reflektor (17R) vorgesehen ist und ein doppelbrechendes Element (15) zwischen dem ersten (15R) und dem zweiten (17R) Reflektor vorgesehen ist.