DE69731475T2

DE69731475T2 - Frequenzverdoppelter Laser mit einem quasiphasenangepassten nichtlinearen Element innerhalb des Resonators

Info

Publication number: DE69731475T2
Application number: DE69731475T
Authority: DE
Inventors: Fredrik Laurell
Original assignee: Cobolt AB
Current assignee: Cobolt AB
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2017-09-03
Also published as: EP0923799A1; US6259711B1; SE9603234L; EP0923799B1; SE9603234D0; JP2000517481A; ATE281704T1; WO1998010497A1; SE510442C2; DE69731475D1; CA2264753A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Laserstrahlung, das die Schritte des Erzeugens von Laserstrahlung einer Grundwellenlänge von einem Laser-Mikrochip in einem Laser-Resonator durch Pumpen desselben mit Strahlung von einem Dioden-Laser umfasst.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Laser, der umfasst: ein erstes und ein zweites reflektierendes Element, die einen Laser-Resonator bilden; und einen Laser-Mikrochip, der in dem Laser-Resonator vorhanden ist und so eingerichtet ist, dass er mit Strahlung von einem Dioden-Laser gepumpt wird, um so Laserstrahlung einer Grundwellenlänge zu erzeugen.
Mikrochip-Laser und Miniaturlaser, die Laser-Mikrochips verwenden, sind kleine, robuste, kompakte diodengepumpte Festkörperlaser, die in großen Mengen kostengünstig hergestellt werden können. Einen allgemeinen technischen Hintergrund und Beispiele zu Aspekten, Vorteilen und interessanten Anwendungsgebieten von Mikrochip-Lasern enthält der Artikel „Microchip Lasers and Laser Arrays: Technology and Application" (Mikrochip-Laser und Laserarrays: Technologie und Anwendungen – nicht autorisierte Übersetzung – d. Übers.), Optics and Photonics News, Nov. 1995, S. 16–19. Beispiele von interessanten Anwendungsgebieten für Mikrochip-Laser sind unter anderem die Übertragung von Kabelfernseh-Signalen, die Bilderzeugung, die Werkstoffbehandlung etc.
Das Konzept des Mikrochip-Lasers wurde Mitte der 80er Jahre an dem Labor MIT Lincoln Laboratory entwickelt und zielt auf den Einsatz von Halbleiterverpackungstechnologie und Halbleiterherstellungstechnologie für die Herstellung von Lasern ab. Einfache Mikrochip-Laser werden aus einem Stab aus Lasermaterial, normalerweise ein Kristall oder ein Glas, wie zum Beispiel Nd:YAG, hergestellt. Der Stab wird in Wafern zugeschnitten, die poliert werden, um planare und parallele Oberflächen auszubilden, die danach mit dielektrischen Spiegeln beschichtet werden, üblicherweise mit einer Art Vakuumbedampfungstechnik. Die Wafer werden danach unter Verwendung herkömmli cher Halbleiterschneidetechnik zu Chips geschnitten. Laserkristallchips haben üblicherweise eine Fläche von 1 × 1 bis 4 × 4 mm². Die Mikrochip-Lasertechnologie ermöglicht somit die Massenfertigung von Laser-Mikrochips. Zum Beispiel können mehr als 2.000 Chips aus einem 2,5 cm (1 Zoll) langen Nd:YAG-Stab hergestellt werden.
Weiterhin können verschiedene Arten von Funktionselementen, wie zum Beispiel Güteschalter oder Frequenzverdopplungselemente etc., in den Laser-Resonator integriert werden, wie in T. TAIRA et al. "Intercavity Frequency doubling and q-switching in diode laser-pumped Nd:YVO₄ lasers", Optics, 34 (21), 4298 (1995) beschrieben wird. Unter Verwendung der Handhabungstechnologie können der Laserchip und ein Funktionselement oder mehrere Funktionselemente zusammengebracht werden und durch thermische Diffusion miteinander verbunden werden, und auf diese Weise werden Spiegel direkt auf die Chips/Elemente aufgebracht, das Auftreten von Luftspalten in dem Laser-Resonator wird eliminiert, was wiederum die Gefahr von Reflexion eliminiert, die Lasung stören kann. Laser-Mikrochips können jedoch auch in sogenannten Miniaturlasern verwendet werden, in denen der Laser-Mikrochip und andere eingebaute Funktionselemente nicht unbedingt in Kontakt miteinander angeordnet sind, sondern anstelle dessen durch kleine Lücken voneinander getrennt sind.
Wie auch bei herkömmlichen Festkörperlasern ist das Lasermaterial mit Ionen eines seltenen Erdmetalls dotiert, das Lasung bereitstellt. Da die Dicke des Laserchips im Vergleich zu anderen Arten von Festkörperlasern gering ist, kann die Laserstrahlung nur über eine relativ kurze Entfernung aufgebaut werden. Um diese Beschränkung auszugleichen, wird das Laser-Mikrochip-Material im Vergleich zu anderen Festkörperlasern mit einem hohen Anteil von Dotierstoff versehen. Bei einem Mikrochip-Laser macht die Dotierung mehr als 0,1 Gewichtsprozent des Lasermaterials aus, wohingegen der Anteil von Dotierstoff in einem herkömmlichen Festkörper-Laser-Mikrochip üblicherweise weit unterhalb von 1.000 ppm liegt, zum Beispiel bei 50 ppm bei einem 10 cm langen Laserkristall. Der hohe Anteil von Dotierstoff in dem Laser-Mikrochip stellt eine kürzere Absorptionslänge bereit, die es unter anderem ermöglicht, eine große Menge von Energie in einem kleinen Volumen zu speichern, die jedoch auch zu einer kürzeren Lebensdauer von auf das metastabile obere Laserniveau erregten Elektronen führt.
Der am meisten verwendete und wichtigste Dotierstoff für Laser-Mikrochips ist Neodym (Nd), jedoch sind Erbium (Er), Praseodym (Pr), Holmium (Ho) und Ytterbium (Yb) weitere Beispiele wichtiger seltener Erdmetalle, die als Dotierstoff verwendet werden können. Ytterbium ist von besonderem Interesse, da es über ein breites Spektrum von Wellenlängen lasen kann.
Mehrere verschiedene Wirtsmaterialien können verwendet werden. YAG – Yttrium-Aluminium-Garnet (Y₃Al₅O₁₂) und Yttriumvanadat (YVO₄) sind die beiden heute am häufigsten verwendeten Kristalle. YAG hat eine vergleichsweise lange Lebensdauer für den metastabilen Zustand, jedoch einen kleineren Absorptions-Querschnitt (d. h. eine geringere Absorptionsleistung) als Yttriumvanadat, so dass letzteres kürzer sein kann. Zahlreiche andere Kristalle können verwendet werden, wie zum Beispiel YLF (Yttrium-Lithiumfluorid), LNP, LSB, SVAP und GdVO₄ (Gadoliniumvanadat). Selbst Gläser und Kunststoffe können als Wirtsmaterialien eingesetzt werden.
Die meisten Nd-Laser werden bei der starken Umwandlung ⁴F_3/2 → ⁴I_11/2 eingesetzt. Dies stellt Lasung bei Wellenlängen von etwas länger als 1 μm bereit, wobei eine gewisse Schwankung in Abhängigkeit von dem Wirtsmaterial vorliegt. Für Nd:YAG erscheint diese Wellenlänge üblicherweise bei 1064 nm. Andere interessante Umwandlungen, die verwendet werden können, sind ⁴F_3/2 → ⁴I_9/2, was Lasung bei kürzeren Wellenlängen (946 nm für Nd:YAG) ergibt, und ⁴F_3/2 → ⁴I_13/2, was Lasung bei einer längeren Wellenlänge ergibt (1360 nm für Nd:YAG).
Der Laser-Mikrochip wird normalerweise von einem Dioden-Laser gepumpt, der eine Wellenlänge ergibt, die an das Absorptionsband des verwendeten seltenen Erdmetalls angepasst ist. Der gepumpte Laser kann ein Einmodenlaser oder ein Multimodenlaser sein. Die Funktion des Dioden-Lasers besteht lediglich darin, Elektronen in einem kleinen Volumen des Laser-Mikrochips zu erregen und dabei den größtmöglichen Betrag von Energie auf den Modus des Laser-Mikrochips zu übertragen. Ein relativ kostengünstiger Dioden-Laser wird somit vorzugsweise verwendet, da der Laser-Mikrochip die relativ schlechten spektralen und räumlichen Eigenschaften des Dioden-Laser-Ausgangs in einen Laserstrahl übertragen wird, der reine spektrale und räumliche Eigenschaften und geringes Rauschen aufweist. Als Ergebnis der hohen Dotierung und der kurzen Länge des Laser-Mikrochips (und des entsprechenden kurzen Laser- Resonators, der einen großen Modenabstand ergibt) sind Mikrochip-Laser durch eine Neigung zum Lasen in Einzelmode gekennzeichnet, was in zahlreichen Anwendungsfällen wünschenswert ist.
Eine sehr wichtige Eigenschaft von Materialien, wie zum Beispiel YAG, ist, dass dn/dT (die Änderung des Brechungsindexes in Abhängigkeit von Temperatur) positiv ist, was bedeutet, dass durch die Wärme, die von dem Teil der Pumpenergie erzeugt wird, die nicht für Lasung in dem Mikrochip-Laser verwendet wird, eine thermisch induzierte Linse erzeugt wird. Die Wärmeausdehnung des Materials trägt ebenso zu der Erzeugung dieser Linse bei. Die Linse stabilisiert den Laser-Resonator, der im anderen Falle ein instabiler (koplanarer) Resonator wäre. Für einen Chip mit ebenen, parallelen Spiegelflächen kann ein stabiler Resonator ausgebildet werden, wenn das Pumplicht konzentriert ist. Diese Erscheinung ergibt einen automatisch stabilisierten Resonator, was eine problemlose Fertigung und Ausrichtung ermöglicht.
Eine sehr wichtige Art von Mikrochip-Lasern und Miniaturlasern, die Laser-Mikrochips verwenden, nutzen eine sogenannte Intra-Resonator-Frequenzverdopplung. Diese Arten von Lasern umfassen ein Funktionselement in Form eines Frequenz-Verdopplungskristalls mit Intra-Resonator-Anordnung, das Frequenzverdopplung (SHG – Erzeugung der zweiten Harmonischen) der Grundlichtwelle bereitstellt, das heißt das die Laserstrahlung der Grundwellenlänge von dem Laser-Mikrochip in Laserstrahlung einer halben Grundwellenlänge umwandelt. Beispiele solcher Intra-Resonator-Frequenzverdopplung in einem Mikrochip-Laser sind in der internationalen Patentanmeldung WO 90/09686 beschrieben worden.
Intra-Resonator-fregenzverdoppelte Mikrochip-Laser können selbst bei kleiner Pumpleistung einen sehr großen Umwandlungswirkungsgrad aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Lasermode in dem kurzen Mikrochip-Laser-Resonator konzentriert ist, d. h. eine große Intensität hat, sowie darauf, dass die Laserspiegel bei der Laser-Wellenlänge stark reflektierend sind, was bedeutet, dass die Grundlichtwelle zwischen den Spiegeln eingeschlossen ist, um eine große Intensität aufzubauen.
Während der Frequenzverdopplung induzieren zwei kohärente Photonen bei der Grundwellenlänge, jedes mit einer Energie ħω, eine Polarisation bei der doppel ten Frequenz in dem nichtlinearen Material. Die induzierte Polarisation ist ein Quellenausdruck für Emission eines neuen Photons mit der Energie 2ħω. Um eine wirksame Frequenzverdopplung zu erzielen, ist Phasenanpassung erforderlich, was bedeutet, dass die an verschiedenen Stellen in dem Material induzierte Polarisation kohärent frequenzverdoppelte Strahlung emittiert. Dies erfordert, dass die beiden Wellen ω und 2ω die gleichen Brechungsindizes wahrnehmen. Dies ist normalerweise nicht möglich, da die Dispersion den Brechungsindex bei der kürzeren Wellenlänge größer macht als den Brechungsindex bei der längeren Wellenlänge.
Bei Verwendung von Intra-Resonator-Frequenzverdopplung wird die sogenannte doppelbrechende Phasenanpassung verwendet. Hier wird eine Differenz im Brechungsindex für unterschiedliche Polarisation in einachsigen und in zweiachsigen nichtlinearen Kristallen genutzt. Der Unterschied im Brechungsindex macht es möglich, die gewünschte Phasenanpassung zu erzielen.
Zweiachsige Phasenanpassung wird genutzt, da zweiachsige Kristallchips in Massenfertigung auf ähnliche Weise wie die oben genannten Laserchips hergestellt werden können. Zum Beispiel kann ein KTP-Kristallstab entlang der Ebenen, die benötigt werden, um einen Kristall mit der notwenigen Doppelreflexion für zweiachsige Phasenanpassung in verschiedenen Richtungen bereitzustellen, in Wafer geschnitten werden. Diese Wafer können danach zu Chips geschnitten werden, die mit der Handhabungstechnologie wie oben beschrieben an Laserchips geklebt werden können.
Aufgaben der Erfindung
Wenngleich Mikrochip-Laser mit doppelbrechender Intra-Resonator-Frequenzdopplung ein großes Potential für die Massenfertigung zu haben scheinen, weisen sie neben den gewünschten Vorteilen für die Massenfertigung auch mehrere eigene Nachteile auf.
Ein Nachteil ist der, dass für jedes nichtlineare Material nur ein begrenzter Wellenlängenbereich, der durch die spezifischen Brechungsindizes des Materials bestimmt wird, für die Phasenanpassung verwendet werden kann. Die Möglichkeiten der Auswahl der zu verdoppelnden Frequenz sind daher stark eingeschränkt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Polarisation des Lichtes gedreht wird, wenn sich das Licht durch einen zweiachsigen Kristall ausbreitet. Das bedeutet, dass Licht, das sich einmal durch den gesamten Resonator ausgebreitet hat, nicht den gleichen Polarisationszustand hat, den es am Anfang hatte. Das bedeutet, dass die Länge des Kristalls sehr genau kontrolliert werden muss, um stochastische Schwankungen zu vermeiden, die im anderen Falle eine schwerwiegende Auswirkung auf den frequenzverdoppelten Ausgang hätten. Jeder separate Kristall muss auf eine genaue Länge poliert werden. Weitere Probleme treten bei Temperaturänderungen auf, da sich die Brechungsindizes und damit die optische Weglänge mit der Temperatur ändern, was zu einer Schwankung des Polarisationszustandes führen wird. Zum Beispiel wäre stabiler Betrieb für einen Temperaturbereich von 10°C bis 70°C sehr schwierig zu erzielen. Nach dem besten Wissen der Erfinder ist dieses Problem bislang noch nicht gelöst worden, was die Realisierung von temperaturbeständigen frequenzverdoppelten Mikrochip-Lasern verhindert hat.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, Frequenzverdopplung in einem Laser, der einen Laser-Mikrochip hat, so zu erreichen, dass der Laser einen stabilen Polarisationszustand und eine hohe Wirksamkeit aufweist und kostengünstig hergestellt werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung werden die oben genannten und andere Aspekte durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß Beschreibung in den anhängenden Patentansprüchen erzielt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren der in der Einleitung erwähnten Art bereitgestellt, das gekennzeichnet ist durch den Schritt des Umwandelns von Laserstrahlung der Grundwellenlänge mittels einer Intra-Resonator-Quasi-Phasenanpassung in dem Laser-Resonator in frequenzverdoppelte Strahlung mit einer Wellenlänge, die halb so lang ist wie die Grundwellenlänge.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Laser der in der Einleitung erwähnten Art bereitgestellt, der gekennzeichnet ist durch ein optisches, nichtlineares Quasi-Phasenanpassungselement, das in dem Laser-Resonator bereitgestellt wird, um die Laserstrahlung der Grundwellenlänge von dem Laser-Mikrochip zu empfangen und um frequenzverdoppelte Laserstrahlung einer Wellenlänge, die halb so lang ist wie die Grundwellenlänge, zu emittieren.
Somit wird erfindungsgemäß Frequenzverdopplung in Verbindung mit der Nutzung eines Laser-Mikrochips durch sogenannte Quasi-Phasenanpassung erzielt. Quasi-Phasenanpassung wird in dem Quasi-Phasenanpassungselement wie folgt erzielt: wenn eine erste Lichtwelle bei der Winkelfrequenz 2ω, die an einem ersten Zeitpunkt an der Position x = 0 erzeugt worden ist, die Position x = 1_c an einem zweiten Zeitpunkt erreicht, an dem die erste Lichtwelle um 180 Grad außer Phase mit der zweiten Lichtwelle ist, die an der Position x = 1_c an dem zweiten Zeitpunkt erzeugt wird, wird die Nichtlinearität über einen zweiten Bereich (von x = 1_c bis x = 21_c) umgekehrt, was bedeutet, dass in diesem zweiten Bereich erzeugtes Licht um 180 Grad in Bezug auf das in dem ersten Bereich (x = 0 bis x = 1_c) erzeugte Licht phasenverschoben ist. Der Abstand 1_c wird normalerweise als Kohärenzlänge bezeichnet. Auf diese Weise wird in dem zweiten Bereich erzeugtes Licht phasengleich mit dem über den ersten Bereich erzeugten Licht sein. Nach der nächstfolgenden Kohärenzlänge wird die Nichtlinearität erneut umgekehrt. Die Nichtlinearität wird auf diese Weise in dem gesamten Material periodisch moduliert.
Quasi-Phasenanpassung hat mehrere Vorteile. Zum Beispiel kann eine beliebige Wellenlänge durch den gesamten Transparenzbereich des nichtlinearen Mediums hindurch durch eine geeignete Auswahl der periodischen Modulation der Nichtlinearität phasenangepasst werden. Weiterhin kann Einfachpolarisation verwendet werden, und es ist nicht mehr erforderlich, doppelbrechende Kristalle zu verwenden, um die gewünschte Phasenanpassung zu erhalten. Für zahlreiche Materialien kann weiterhin die größte Nichtlinearität nicht für doppelbrechende Phasenanpassung verwendet werden, sondern sie kann für Quasi-Phasenanpassung verwendet werden. Theoretisch kann die Wirksamkeit in dem Frequenzverdopplungsverfahren um einen Faktor von zehn oder mehr für Quasi-Phasenanpassung gegenüber der herkömmlichen doppelbrechenden Phasenanpassung verbessert werden. Durch Verwendung von Quasi- Phasenanpassung ist es relativ problemlos möglich, Phasenanpassung bei kürzeren Wellenlängen zu erreichen. Ein interessanter Anwendungsfall ist die Verwendung eines einzelnen Materials und der Quasi-Phasenanpassung der drei Laserlinien für den Nd:YAG-Laser zu blauem, grünem und rotem Licht, was mit herkömmlicher doppelbrechender Phasenanpassung nicht möglich gewesen wäre. Kleine Kompaktlaser bei diesen Wellenlängen sind sehr interessant für zahlreiche Anwendungsfälle, insbesondere für Bilderzeugung und Anzeigen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Lasers gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht das Quasi-Phasenanpassungselement aus einem optisch nichtlinearen Kristall, dessen c-Achse senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung durch das Element gerichtet ist. Dies wird nichtkritische Phasenanpassung genannt und bedeutet, dass der Grundwellenlängen-Strahl und der frequenzverdoppelte Wellenlängen-Strahl ausgerichtet sind. Dies bringt einen großen Vorteil mit sich, da die Strahlqualität aufrechterhalten wird. Bei der herkömmlichen doppelbrechenden Phasenanpassung treten typischerweise „Abwanderungseffekte" auf, d. h. die frequenzverdoppelte Welle breitet sich in einer anderen Richtung aus als die Grundwelle, was zu einem nicht gewünschten elliptischen Strahl führt. Weiterhin ist der Umwandlungswirkungsgrad proportional zu der Wechselwirkungslänge, was bedeutet, dass es wichtig ist, zwei Wellen zu haben, die sich ausbreiten und dabei die größtmögliche Entfernung überlappen, um eine größtmögliche Energieübertragung auf die frequenzverdoppelte Welle zu erhalten.
Gemäß einer weiteren Alternative besteht der optisch nichtlineare Kristall aus LiNbO₃, LiTaO₃, KTiOPO₄, RbTiOPO₄, RbTiAsO₄, CsTiOAsO₄ oder KTiOAs₄. KTiOPO₄(KTP) ist das gegenwärtig am häufigsten verwendete Material und kann somit in guter Qualität und zu einem günstigen Preis bezogen werden. In den nichtlinearen Kristallen wird die Polarisationsachse periodisch umgekehrt. Dies wird als ferroelektrische Domäneninversion bezeichnet. Beispiele von Arten der Durchführung von Domänenumkehrung in ferroelektrischen Kristallen sind die Diffusion bei hohen Temperaturen, der Ionenaustausch und Polung bei elektrischen Feldern. Wie oben erwähnt, muss die Periode so gewählt werden, dass eine Fehlanpassung der Phasengeschwindigkeit zwischen der Grundwelle und der frequenzverdoppelten Welle ausgeglichen wird.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Licht sammelndes Element bereitgestellt, um die Laserstrahlung der ersten Wellenlänge zu bündeln, so dass die Lichtstärke in dem Quasi-Phasenanpassungselement erhöht wird, und da der Umwandlungswirkungsgrad mit zunehmender Lichtstärke zunimmt, wird eine Erhöhung der Ausgangsleistung an der frequenzverdoppelten Wellenlänge von dem Quasi-Phasenanpassungselement erzielt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird Bündeln durch das erste reflektierende Element erzielt, das sowohl eine nach innen gerichtete reflektierende Fläche als auch eine gekrümmte reflektierende Fläche in Bezug auf den Laser-Resonator hat, wodurch das Licht sammelnde Element ausgebildet wird. In diesem Zusammenhang wird der Laser-Mikrochip vorzugsweise mit einer entsprechend gekrümmten Fläche bereitgestellt, auf der das reflektierende Element, das das Licht sammelnde Element ausbildet, bereitgestellt wird. Dies ergibt eine sehr kompakte Ausführung mit einer hohen Intensität in dem Quasi-Phasenanpassungselement.
Eine weitere sehr wichtige Eigenschaft von Quasi-Phasenanpassungs-Kristallen ist, dass nur eine Polarisation verwendet wird. Durch Polarisation induziertes Rauschen kann daher eliminiert werden. In isotropen Materialien oder in Materialien, bei denen die Wahrscheinlichkeit für Lasung für die beiden orthogonalen Polarisationszustände relativ ähnlich ist, kann ein Polarisator in dem Resonator platziert werden, um linear polarisierte Laseremission zu erzielen und dabei Polarisationsinstabilitäten zu eliminieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasers wird ein Polarisations-Unterscheidungselement in dem Laser-Resonator bereitgestellt.
In Fällen, in denen kurze Impulse mit höherer Leistung erzeugt werden sollen, kann es wünschenswert sein, ein aktives oder ein passives Pulsgeberelement in dem Laser-Resonator zu platzieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Impulsgeberelement ein passiver Güteschalter, der aus einem sättigungsfähigen Absorber besteht, der vorzugsweise aus einem Cr-dotierten Kristall oder aus einem Cr-dotierten Glas besteht.
Häufig erzeugt der Laser-Mikrochip vorzugsweise eine stabile Einzelmode bei einer Wellenlänge, die in die Phasenanpassungs-Bandbreite des Quasi-Phasenanpassungselementes fällt. Ein kurzer Resonator, der die Folge eines kurzen Mikrochip-Lasers ist, ergibt normalerweise Einzelmoden-Lasung, jedoch kann das Auftreten einer unerwünschten Multimoden-Lasung eliminiert werden, indem ein Moden-Unterscheidungselement bereitgestellt wird, das Lasung nur in den gewünschten Moden, in dem Resonator, zulässt.
Es kann auch erwähnt werden, dass es bei zahlreichen Anwendungen wichtig ist, dass das Laserlicht gepulst werden kann, was zum Beispiel dadurch erfolgen kann, dass ein Funktionselement bereitgestellt wird, das Lasung in dem Resonator zeitweilig blockiert, ein sogenannter "Güteschalter" oder ein Modenkoppler. Wenn das Pulselement dann Lasung zulässt, wird die gesamte seit dem letzten Impuls in dem Laser-Mikrochip gespeicherte Energie in einem energiereichen Impuls freigegeben. Dies ergibt einen kurzen Impuls mit großer Spitzenleistung. Güteschaltung kann sowohl passiv als auch aktiv durchgeführt werden. Passive Güteschaltung wird mit einem sättigungsfähigen Absorber erzielt. Für passive Güteschaltung von Nd:YAG-Mikrochip-Lasern für 1064 nm wurden gute Ergebnisse mit dünnen Kristallen aus Cr:YAG erzielt. Für aktive Güteschaltung werden die sogenannten Pockelszellen verwendet. Dies kann zum Beispiel ein Kristall aus KTP, LiNbO₃ oder LiTaO₃ sein, der durch eine über Elektroden an die Oberflächen des Kristalls angelegte Spannung moduliert wird. Aktive Steuerung ergibt größere Auslegungsfreiheit für den Laser wie auch für temporales Rauschen bei der Ausstrahlung von Impulsen.
Aus der Sicht der Herstellung wird heute die Energie vorzugsweise optisch von einer Laser-Diode über eine Lichtleitfaser an das Laserelement bereitgestellt. Dies ergibt einfache Kopplung, die während der Montage optimiert werden kann und die es ermöglicht, die Laser-Diode in einer Entfernung von dem Laserelement anzuordnen.
Eine weitere bevorzugte Art und Weise der Übertragung der Energie von dem Dioden-Laser zu dem Laserelement ist die Nutzung eines holographischen optischen Elementes.
Eine weitere Alternative ist die Übertragung der Energie von der Laser-Diode zu dem Laserelement über eine GRIN-Linse (Gradientenindexlinse). GRIN-Linsen in Form von Stäben, die von unterschiedlicher Länge sein können und dabei an bestimmte Anwendungsfälle angepasst werden können, sind sehr praktisch für den Einsatz mit Dioden-Lasern.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Elemente verschiedener Art ausgerichtet, um einen im Wesentlichen geraden Strahlverlauf durch den Laser-Resonator zu ergeben. Dies macht es möglich, einen sehr kurzen Laser auszubilden. Weiterhin wird ein gerader Koinzidenzstrahlverlauf wie weiter oben diskutiert höhere Wirksamkeit bei der Übertragung von Energie von der Grundwelle zu der frequenzverdoppelten Welle bereitstellen. Somit soll der Strahlverlauf vorzugsweise im Wesentlichen einer geraden Linie zwischen den Reflektoren folgen und die planaren Flächen der verschiedenen Elemente sollen senkrecht zu dem Strahlverlauf angeordnet werden, d. h. die Anordnung bildet einen sogenannten planaren Resonator. Jedoch kann ein mehr oder weniger gefalteter Strahlverlauf auch eine Alternative für Miniaturlaser, die Mikrochips benutzen, sein.
Weiterhin werden beide reflektierenden Elemente bereitgestellt, um die frequenzverdoppelte Strahlung aus dem Laser-Resonator zu übertragen. Wenn nur eines der reflektierenden Elemente die frequenzverdoppelte Strahlung überträgt und das andere reflektierende Element die frequenzverdoppelte Strahlung reflektiert, kann Auslöschung auftreten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht der Laser-Mikrochip aus einem Metall mit einem Anteil von mehr als 0,1 Gewichtsprozent des Laser-Dotierstoffes. Der hohe Anteil von Dotierstoff gleicht die relativ kurz optische Weglänge des Laser-Mikrochips aus. Zum Beispiel ist es wünschenswert, dass der Laser-Mikrochip eine Länge in der optischen Wegrichtung von weniger als 3 mm, vorzugsweise von weniger als 1,5 mm, hat.
Für zahlreiche Anwendungen soll der Dotierstoff weiterhin vorzugsweise Neodym oder Ytterbium sein, und das Wirtsmaterial ist YAG oder YVO₄.
Um einen Resonator möglichst kurz auszubilden, um möglichst nahe an Einzelmodenbetrieb heranzukommen, hat das Quasi-Phasenanpassungselement vorzugsweise eine Länge in der Strahlverlauf-Richtung von weniger als 4 mm, vorzugsweise von weniger als 2 mm.
Um dem Mikrochip-Laser eine allgemein kompakte Ausführung zu verleihen, ist es wünschenswert, dass die Querschnittsfläche des Quasi-Phasenanpassungselementes kleiner als 10 mm² senkrecht zu der Strahl-Ausbreitungsrichtung, vorzugsweise kleiner als 5 mm², ist.
Um unerwünschte Innenreflexion in dem Resonator zu vermeiden und ein Ausführungsbeispiel bereitzustellen, das möglichst kompakt ist, sollen die Elemente vorzugsweise in Kontakt miteinander angeordnet werden, um einen Resonator ohne Luftspalte, die Reflexionen verursachen können, auszubilden.
Aus der Sicht der Fertigung sollen der Laser-Mikrochip und das Quasi-Phasenanpassungselement zusammen durch thermische Diffusion montiert werden, und das reflektierende Element wird mittels Vakuumaufdampfen auf die Außenseite des Laser-Mikrochips bzw. des Quasi-Phasenanpassungselementes aufgebracht. Ein einfacheres Montageverfahren, das in einigen Fällen anwendbar sein kann, besteht darin, zwei oder mehr Elemente einfach zusammenzukleben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das sich in Zukunft als sehr interessant erweisen kann, wird ein Element oder werden mehrere Elemente auf einem Träger bereitgestellt, wo sie den Miniaturlaser oder den Mikrochip-Laser ausbilden. Weiterhin wird darauf verwiesen, dass Feinabstimmungen der Elemente aufeinander möglich ist, wenn sie auf dem Träger getrennt voneinander bereitgestellt werden. Wenn sie separat montiert werden, kann Innenreflexion durch Beschichten der einzelnen Bauelemente mit Antireflexbeschichtungen vermieden werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Quasi-Phasenanpassungselement mehrere Quasi-Phasenanpassungsgitter, die parallel mit geringfügig abweichenden Gitterperioden bereitgestellt werden.
Der Vorteil bei einem solchen Element ist, dass der Brechungsindex des nichtlinearen Elementes nicht immer bekannt ist. Um hier zu garantieren, dass die Quasi-Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist, kann das Element mit geringfügig abweichenden Gitterperioden in unterschiedlichen Teilen des Elementes bereitgestellt werden. Bei der Herstellung des Mikrochips kann die Kopplung des Dioden-Laserlichtes optimiert werden, so dass die Frequenzverdopplung bei einer Gitterperiode stattfindet, die die größte Wirksamkeit der Frequenzverdopplung ergibt.
Ein Kristall mit unterschiedlichen Gitterperioden kann ebenfalls durch Ausbilden der periodischen Domäneninversion des Kristalls in einer fächerartig auseinanderlaufenden Form hergestellt werden, wie weiter unten beschrieben werden wird.
Es soll ebenfalls erwähnt werden, dass das Pumpen des Laser-Mikrochips auf verschiedene Arten aktiviert werden kann. Das Pumpen des Dioden-Lasers kann nahe an dem Laser-Mikrochip erfolgen, wobei das Pumpen direkt von dem Dioden-Laser zu dem Laser-Mikrochip erfolgt. Diese Ausführung ergibt eine sehr kompakte Vorrichtung, führt jedoch leider auch zu der Gefahr einer Beschädigung der optischen Flächen während der Herstellung des Lasers, da der Dioden-Laser wenige Mikrometer von dem Laser-Mikrochip entfernt bereitgestellt werden muss. Ein weiteres Verfahren besteht darin, das Laserlicht von dem Dioden-Laser durch Lichtleitfaser zu dem Laser-Mikrochip zu übertragen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der Dioden-Laser unabhängig von dem Mikrochip gekühlt werden kann, da er entfernt von dem Chip angeordnet wird, dass eine große Menge Licht an den Laser-Mikrochip bereitgestellt wird, da die Faser sicherstellt, dass die Streuung von Licht von dem Dioden-Laser begrenzt wird, und dass die Kopplung von Licht an den Laser-Mikrochip während der Produktion zwecks Optimierung eingestellt werden kann, was Massenfertigung ermöglicht. Gemäß einem weiteren Beispiel wird die Lichtleitfaser-Kopplung durch eine Linse oder durch mehrere Linsen ersetzt, was jedoch für Massenfertigung weniger wünschenswert sein kann, da dies normalerweise umfangreiche Einstellungen und Optimierungen erfordert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich werden, wobei
1 eine schematische Darstellung eines Lasers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung eines Lasers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
3 eine schematische Darstellung eines Lasers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
4 eine schematische Darstellung eines Lasers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
5a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikrochip-Lasers, der mit Strahlung von einer Laser-Diode gepumpt wird, ist;
5b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikrochip-Lasers, der mit Licht von einem Dioden-Laser über eine Lichtleitfaser gepumpt wird, ist;
5c eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikrochip-Lasers, der mit Licht von einem Dioden-Laser über ein holographisches optisches Element oder ein ähnliches optisches Element gepumpt wird, ist;
6 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispieles eines Quasi-Phasenanpassungselementes, das in einem erfindungsgemäßen Laser beinhaltet ist, ist;
7 eine schematische Darstellung eines Lasers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
8a eine schematische Darstellung eines Lasers gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
8b eine schematische Darstellung eines Lasers gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
9a eine schematische Darstellung eines Miniaturlasers gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
9b eine schematische Darstellung des Miniaturlasers in 9a in einer alternativen Anordnung ist,
9c eine schematische Darstellung eines Miniaturlasers gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist und
9d eine schematische Darstellung eines Miniaturlasers gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
In 1 wird ein Mikrochip-Laser gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In diesem konkreten Beispiel umfasst der Mikrochip-Laser einen etwa 1 mm langen Laser-Mikrochip 1, der aus einem Festkörperlaser aus Nd:YAG besteht. Der Laser-Mikrochip 1 wird mit optischer Energie von einem Dioden-Laser 7 gepumpt und emittiert eine Grundwellenlänge. Weiterhin ist ein etwa 1 mm langer optischer, nichtlinearer Kristall 2 aus KTP in Kontakt mit dem Laser-Mikrochip 1 angeordnet. Die Elemente 1 und 2 sind gemeinsam durch Diffusionsverbinden montiert und die reflektierenden Elemente 3 und 4 werden auf den Endflächen der Elemente 1 und 2 bereitgestellt, um einen etwa 2 mm langen Laser-Resonator auszubilden, der demzufolge sowohl den Laserchip 1 als auch den Quasi-Phasenanpassungskristall 2 umfasst.
Der optisch nichtlineare Kristall 2 umfasst ein Quasi-Phasenanpassungsgitter mit einer Quasi-Phasenanpassungs-Bandbreite, die an die Grundlaser-Wellenlänge von dem Laserchip 1 angepasst ist. Die c-Achse des Kristalls ist senkrecht zu dem Strahlverlauf durch den Kristall gerichtet, d. h. senkrecht zu der Richtung des Pfeils SH. Der Kristall 2 empfängt die Grundlichtwelle von dem Laserchip 1 und wandelt sie in eine frequenzverdoppelte Lichtwelle SH um.
Die reflektierenden Elemente 3 und 4 reflektieren im Wesentlichen die gesamte Grundstrahlung und übertragen möglichst viel des frequenzverdoppelten Lichtes.
In 2 wird ein frequenzverdoppelter Mikrochip-Laser gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, der zusätzlich zu den oben beschriebenen Elementen ebenfalls ein Funktionselement in Form eines Güteschalters 5 mit Intra-Resonator-Anordnung umfasst, das bereitgestellt wird, um das frequenzverdoppelte Licht in kurzen Impulsen mit hoher Spitzenleistung zu übertragen.
In 3 wird ein frequenzverdoppelter Mikrochip-Laser gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, der Funktionselemente in Form eines Güteschalters 5 und eines Polarisators 6 in Intra-Resonator-Anordnung umfasst. Der Polarisator 6 unterdrückt durch Polarisation induziertes Rauschen in dem Resonator, das eine schädliche Wirkung auf die Erzeugung der frequenzverdoppelten Lichtwelle haben würde.
In 4 wird ein Mikrochip-Laser gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch gezeigt, der zusätzlich zu dem, was unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel bereits beschrieben worden ist, weiterhin ein Moden-Unterscheidungselement 12 umfasst, das sicherstellt, dass Lasung in gewünschten Moden, vorzugsweise in Einzelmode, stattfindet.
Dem Durchschnittsfachmann wird verständlich sein, dass die verschiedenen Funktionselemente gemäß der gewünschten Anwendung ausgewählt und kombiniert werden können und nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sind. Die verschiedenen Elemente können auch in gewünschter Weise montiert und kombiniert werden, um einen Miniaturlaser auszubilden, wie unter Bezugnahme auf 9a bis 9c unten weiter beschrieben werden wird.
5a bis 5c sind schematische Darstellungen eines Mikrochip-Lasers der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Art, wobei der Mikrochip-Laser mit Licht von einer Laser-Diode 7 gepumpt wird. In 5a wird die Laser-Diode 7, wie in 1, in der Nähe des Laserelementes 1 bereitgestellt, wobei die Strahlung von der Laser-Diode direkt auf den Mikrochip-Laser übertragen wird. In 5b wird die Laser-Diode in einem Abstand von dem Laser-Mikrochip 1 bereitgestellt, wobei die Strahlung von der Laser-Diode durch eine Lichtleitfaser 8 auf den Laser-Mikrochip 1 übertragen wird. In 5c wird die Strahlung von der Laser-Diode 7 über ein optisches Element 9, das ein holographisches optisches Element, eine GRIN-Linse oder ein ähnliches optisches System sein kann, auf den Laserchip 1 übertragen.
In 6 wird ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Quasi-Phasenanpassungselementes 11 schematisch gezeigt. In dem Element 11 wird das Quasi-Phasenanpassungsgitter mit einer Gitterperiode bereitgestellt, die in einer Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung schwankt, das heißt die Gitterperiode und somit die Quasi-Phasenanpassungs-Wellenlänge ändern sich in der Figur von dem obe ren Teil des Elementes zu dem unteren Teil. Durch Versuche während der Herstellung des Lasers, welcher Teil des Quasi-Phasenanpassungselementes 11 die beste Umwandlung ergibt, das heißt welche Gitterperiode eine Phasenanpassung ergibt, die am besten zu dem Wellenlängen-Spektrum des Lasers passt, wird der Mikrochip-Laser in Bezug auf die frequenzverdoppelte Ausgangsleistung optimiert.
Wie oben erwähnt kann ein Kristall mit mehreren parallelen Gitterperioden in den verschiedenen Ausführungen der Erfindung verwendet werden.
Ein Mikrochip-Laser gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in 7 gezeigt. Der Laser in 7 unterscheidet sich von dem in 1 dahingehend, dass ein mechanisch tragendes Element 13 auf den gegenüberliegenden Seiten des Laser-Mikrochips 1 bereitgestellt wird. Diese Ausführung wird bei Hochleistungsanwendungen insbesondere bevorzugt. Wenn der Laser-Mikrochip mit hoher Leistung gepumpt wird, geht ein Teil der von dem Dioden-Laser 7 zu dem Mikrochip 1 übertragenen Energie als Wärme verloren. Der Mikrochip 1 neigt danach dazu, sich auszudehnen, was Rissbildung in dem Mikrochip 1 verursachen kann. Das mechanisch tragende Element 13 wirkt einer solchen unerwünschten Rissbildung entgegen, indem es die Wärmeausdehnung des Laser-Mikrochips 1 reduziert, ohne jedoch zu dotieren. Wenn der Laser-Mikrochip aus Nd:YAG besteht, besteht das mechanisch tragende Element 13 vorzugsweise aus undotiertem YAG.
In 8a wird ein Mikrochip-Laser gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der Laser in 8a unterscheidet sich zum Beispiel von dem in 1 gezeigten dahingehend, dass bei ihm die Seite 1a gegenüber dem Quasi-Phasenanpassungselement 2 zu einer gekrümmten Fläche poliert ist, auf der ein gekrümmtes reflektierendes Element 3a bereitgestellt wird. Das gekrümmte reflektierende Element 3a arbeitet als ein Sammelelement, das in dem Quasi-Phasenanpassungselement 2 einen stabilen Laser-Resonator ausbildet und die größte mögliche Lichtstärke erzielt, was in der Figur schematisch mit Strichlinien angedeutet wird. Es wird darauf verwiesen, dass ein vollständig planarer, paralleler Mikrochip-Laser der in 1–7 gezeigten Art wegen der in dem Laser-Mikrochip 1 verloren gegangenen Energie stabilisiert wird, was zu der notwendigen optischen Ausdehnung und Krümmung der Oberfläche des Laser-Mikrochips führt, was einen stabilen Strahlverlauf durch den Laser bereitstellt. In 8a wird die Stabilität jedoch durch den Einbau des sammelnden Elementes, in diesem Fall des Reflektors 3a, erzielt.
In 8b wird das sammelnde Element auf ähnliche Weise durch ein reflektierendes Element 3a bereitgestellt, das dem gekrümmten reflektierenden Element 3a in 8a entspricht, das jedoch in 8b anstelle dessen auf einer gekrümmten Fläche eines Spiegelsubstrates 14a bereitgestellt wird. Eine Seite des Substrates 14a ist im Wesentlichen planar, während die andere Seite des Substrates 14a, das heißt die zu dem Laser-Mikrochip 1 hin gerichtete und mit dem reflektierenden Element 3a bedeckte Seite, gekrümmt ist und somit mit dem Laser-Mikrochip 1 nur in einem peripheren Abschnitt desselben in Kontakt steht. (In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das reflektierende Element 3a vollständig von dem Laser-Mikrochip 1 getrennt sein.)
Das reflektierende Element 3a ist vorzugsweise stark reflektierend für die Grundwellenlänge. Es überträgt gleichzeitig vorzugsweise Licht von der Laser-Diode 7 so, dass es problemlos in den Laser-Resonator hineingeht. Infolge der Krümmung des Substrates 14a und des reflektierenden Elementes 3a wird ein semikonvexer Luftspalt zwischen dem reflektierenden Element 3a und dem Laserchip 1 ausgebildet. Die gekrümmte Fläche des reflektierenden Elementes 3a wird Stabilisierung des Strahlverlaufes durch den Laser und Fokussieren des Lichtes in dem Quasi-Phasenanpassungselement ähnlich wie unter Bezugnahme auf 8a beschrieben und durch die Strichlinien in 8b angedeutet bereitstellen.
9a und 9b zeigen schematisch einen Miniaturlaser gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 9a und 9b sind ein erstes reflektierendes Element 3, ein Laser-Mikrochip 1, ein Quasi-Phasenanpassungselement 2 und ein zweites reflektierendes Element 4 getrennt voneinander auf einem vorbereiteten Mikrotisch oder Träger 10, der ein Siliziumhalbleiterplättchen, eine Kunststoffplatte, eine geätzte Glasplatte oder Metallplatte oder ähnliches sein kann, angeordnet. Der Laser-Mikrochip wird von einer Laser-Diode 7 über eine Lichtleitfaser 8 gepumpt. Wie oben bereits diskutiert, kann der Laser natürlich anstelle dessen von dem Dioden-Laser 7 direkt ohne jegliche Lichtleitfaser oder unter Verwendung eines Linsensystems oder ähnlichem zu dem Laser-Mikrochip 1 übertragen werden.
Wie in 9a und 9b gezeigt wird, sind die Elemente getrennt voneinander auf dem Träger 10 montiert. Dies ermöglicht Feineinstellungen der verschiedenen Elemente zur Optimierung der Funktionsweise des Miniaturlasers. Zum Beispiel können die reflektierenden Elemente 3 und 4 so ausgewählt und ihre jeweiligen Positionen so eingestellt werden, dass sie einen optimierten Strahlverlauf durch den durch die reflektierenden Elemente 3 und 4 ausgebildeten Resonator ergeben. Es ist wünschenswert, dass der Strahlverlauf so eingestellt wird, dass eine optimale Leistungsdichte in dem Quasi-Phasenanpassungselement 2 erzielt wird. Der Träger 10 kann mit Einstellknöpfen oder ähnlichen Mitteln (nicht gezeigt) versehen werden, um die Position der verschiedenen Elemente zu justieren.
Ein vorteilhafter Aspekt einer solchen mikromechanischen Feinabstimmung besteht darin, dass ein Quasi-Phasenanpassungselement, das nur eine Gitterperiode hat, um die Achsen senkrecht zu dem Strahlverlauf durch den Resonator wie in 9b gezeigt gedreht oder geneigt werden kann. Wenn das Quasi-Phasenanpassungselement eingestellt wird, wird die von der Grundwellenlänge erfahrene effektive Quasi-Phasenanpassungsperiode verändert. Die Gitterperiode kann demzufolge mechanisch für optimale Frequenzverdopplung eingestellt werden. Der Miniaturlaser in 9a und 9b kann natürlich ebenfalls andere Elemente beinhalten, wie zum Beispiel ein abstimmbares Moden-Unterscheidungselement, um die gewünschte Lasermode auswählen zu können.
Ein Miniaturlaser der in 9a und 9b gezeigten Art kann ebenfalls mit den Licht sammelnden Elementen bereitgestellt werden, um den Laser zu stabilisieren und optimale Lichtstärke in dem Quasi-Phasenanpassungselement 2 bereitzustellen. In 9c wird ein solches sammelndes Element in Form einer herkömmlichen Sammellinse 14b zwischen dem Laserchip 1 und dem Quasi-Phasenanpassungselement 2 bereitgestellt. Die Linse 14b in 9c ist von dem Laserchip 1 und dem Element 2 durch Luftspalte getrennt. Wie mit den Strichlinien in 9c schematisch angedeutet wird, wird die Linse 14a den Strahlverlauf durch den Laser stabilisieren und gleichzeitig auf ähnliche Weise wie unter Bezugnahme auf 8a und 8b beschrieben den Strahl in dem Quasi-Phasenanpassungselement fokussieren.
Eine Alternative wird in dem Ausführungsbeispiel in 9d gezeigt, wobei ein sammelndes Element in Form eines gekrümmten Spiegels 15, der zwischen dem Laserchip 12 und dem Quasi-Phasenanpassungselement 2 angeordnet ist, bereitgestellt wird. Demzufolge wird in 9d ein gefalteter Strahlverlauf durch den Resonator verwendet, der durch die reflektierenden Elemente 3, 4 und 15 definiert wird. Wie mit den Strichlinien in 9d schematisch angedeutet wird, wird der Spiegel 15 das Licht von dem Laser-Mikrochip 1 auf das Quasi-Phasenanpassungselement 2 reflektieren und fokussieren, um Stabilisierung des Strahlverlaufes durch den Laser und Fokussieren des Lichtes auf eine hohe Stärke in dem Quasi-Phasenanpassungselement auf ähnliche Weise wie oben beschrieben bereitzustellen.
Wenngleich ein konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Kombinationen und Modifikationen innerhalb des Erfindungsbereiches bereitgestellt werden können, der durch die anhängenden Patentansprüche definiert wird.
Wenngleich die Beschreibung der vorliegenden Erfindung auf Frequenzverdopplung ausgerichtet war, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass die Erfindung ebenso für andere Arten von Wellenlängen-Umwandlungen angewendet werden kann.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Laserstrahlung, das die Schritte des Erzeugens von Laserstrahlung einer Grundwellenlänge von einem Laser-Mikrochip (1, 1a) in einem Laser-Resonator durch Pumpen desselben mit Strahlung von einem Dioden-Laser (7) umfasst, gekennzeichnet durch den Schritt des Umwandelns der Laser-Strahlung der Grundwellenlänge mittels eines optischen nichtlinearen Elementes, das ein Quasi-Phasenanpassungsgitter umfasst, in dem Laserresonator in eine frequenzverdoppelte Strahlung mit einer Wellenlänge, die halb so lang ist wie die Grundwellenlänge.
Verfahren nach Anspruch 1, das den Schritt des Pulsens der frequenzverdoppelten Laserstrahlung umfasst, so dass sie in kurzen Impulsen von dem Laser-Mikrochip (1) emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das den Schritt des Stabilisierens der Polarisation der Laserstrahlung umfasst, um das Auftreten unerwünschter Polarisationsänderungen in dem Laser-Mikrochip zu unterdrücken.
Laser, der umfasst: ein erstes (3, 3a) und ein zweites (4) reflektierendes Element, die einen Laser-Resonator bilden; und einen Laser-Mikrochip (1; 1a), der in dem Laser-Resonator vorhanden und so eingerichtet ist, dass er mit Strahlung von einem Dioden-Laser gepumpt wird, um so Laserstrahlung einer Grundwellenlänge zu erzeugen; gekennzeichnet durch: ein optisches nichtlineares Element, das ein Quasi-Phasenanpassungsgitter (2; 11) umfasst und in dem Laser-Resonator vorhanden ist, um die Laserstrahlung der Grundwellenlänge von dem Laser-Mikrochip (1; 1a) zu empfangen und frequenzverdoppelte Laserstrahlung (SH) einer Wellenlänge zu emittieren, die halb so lang ist wie die Grundwellenlänge.
Laser nach Anspruch 4, wobei das nichtlineare Element (2; 11) aus einem optischen nichtlinearen Kristall besteht, dessen c-Achse senkrecht zu dem Strahlverlauf durch das nichtlineare Element gerichtet ist.
Laser nach Anspruch 5, wobei der nichtlineare Kristall (2; 11) aus LiNbO₃ oder LiTaO₃ oder KTiOPO₄ oder RbTiOPO₄ oder KTiOAsO₄ oder RbTiOAsO₄ oder CsTiOAsO₄ besteht.
Laser nach Anspruch 4, 5 oder 6, der ein Licht sammelndes Element (3a; 14a; 15) umfasst, das vorhanden ist, um die Laserstrahlung der ersten Wellenlänge in dem Quasi-Phasenanpassungsgitter zu sammeln.
Laser nach Anspruch 7, wobei das erste reflektierende Element (3a) eine in Bezug auf den Laser-Resonator sowohl nach innen gerichtete als auch gekrümmte reflektierende Fläche hat, die das Licht sammelnde Element bildet.
Laser nach Anspruch 8, wobei der Laser-Mikrochip (1a) eine gekrümmte Fläche hat, auf der das reflektierende Element (3a), das das Licht sammelnde Element bildet, vorhanden ist.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 9, der ein aktives oder passives Puls-Element (5) umfasst, das in dem Laser-Resonator vorhanden ist.
Laser nach Anspruch 10, wobei das Puls-Element (5) ein passiver Güteschalter ist, der einen sättigungsfähigen Absorber umfasst, der vorzugsweise aus einem Cr-dotierten Kristall oder einem Cr-dotierten Glas besteht.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 11, der ein polarisierendes Element (6) umfasst, das in dem Laser-Resonator vorhanden ist, um Lasung in gewünschter Polarisation zu gewährleisten.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 12, der ein Moden-Unterscheidungselement (12) umfasst, das gewährleistet, dass der Laser nur in gewünschten Moden arbeiten darf.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei alle der Elemente so ausgerichtet sind, dass sie einen geraden Strahlverlauf durch den Laser-Resonator bilden.
Laser nach Anspruch 14, wobei alle der Elemente in Kontakt miteinander angeordnet sind, um einen Resonator ohne inneren Luftspalt zu bilden.
Laser nach Anspruch 15, wobei der Laser-Mikrochip (1; 1a) und das nichtlineare Element (2; 11) durch thermische Diffusion miteinander verbunden sind.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 16, wobei der Laser-Mikrochip (1; 1a) ein Material umfasst, das einen Dotierstoff enthält, der mehr als 0,1 Gew.-% des Materials bildet.
Laser nach Anspruch 17, wobei der Dotierstoff Neodym oder Ytterbium ist und das Material YAG oder YVO₄ ist.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 18, wobei der Laser-Mikrochip (1; 1a) eine Länge in der Richtung des Strahls hat, der kürzer ist als 3 mm, vorzugsweise 1,5 mm.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 19, wobei der Querschnitt des Laser-Mikrochips (1; 1a) und des nichtlinearen Elementes (2) senkrecht zu der Strahlrichtung kleiner ist als 10 mm², vorzugsweise kleiner als 5 mm².
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 20, wobei das nichtlineare Element (2; 11) eine Länge in der Strahl-Ausbreitungsrichtung von weniger als 4 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, hat.
Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 21, wobei das nichtlineare Element (11) ein Quasi-Phasenanpassungsgitter mit veränderlichen Gitterkonstanten umfasst.