DE102008058002A1

DE102008058002A1 - Wellenlängenstabilisierter Laser und Verfahren zur Wellenlängenstabilisation eines Lasers

Info

Publication number: DE102008058002A1
Application number: DE200810058002
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Lindberg
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-05-20

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers (1) umfasst dieser mindestens ein Lasermedium (2), das eine Primärstrahlung (P) emittiert, und einen gefalteten, externen Resonator (3) mit mindestens drei Resonatorspiegeln (31, 32, 33). Einer der Resonatorspiegel ist als Faltungsspiegel (33) gestaltet und weist eine dem Resonator (3) zugewandte Innenfläche (4) und eine vom Resonator (3) abgewandte Außenfläche (5) auf. Ferner beinhaltet der Laser (1) mindestens zwei Detektorelemente (6). Der Faltungsspiegel (33) ist dazu eingerichtet, eine erste Teilstrahlung (11) der Primärstrahlung (P) ohne Reflexion an der Außenfläche (5) des Faltungsspiegels (33) und eine zweite Teilstrahlung (22) der Primärstrahlung (P) nach Reflexion sowohl an der Außenfläche (5) als auch an der Innenfläche (4) zu transmittieren.

Description

Es wird ein wellenlängenstabilisierter Laser, insbesondere ein wellenlängenstabilisierter Halbleiterlaser sowie ein Verfahren zur Wellenlängenstabilisation eines Lasers, insbesondere eines Halbleiterlasers angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Laser, insbesondere einen Halbleiterlaser anzugeben, der zeitlich stabil Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge emittiert. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Wellenlängenstabilisation eines Lasers, insbesondere eines Halbleiterlasers anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist dieser ein wellenlängenstabilisierter Halbleiterlaser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers umfasst dieser ein Lasermedium, insbesondere genau ein Lasermedium. Mittels des Lasermediums wird im Betrieb des Lasers eine Primärstrahlung erzeugt. Das Lasermedium ist beispielsweise durch ein Halbleitermaterial, einen kristallinen oder glasartigen Festkörper oder auch durch ein Gas oder eine Flüssigkeit gegeben. Das Lasermedium kann optisch und/oder elektrisch gepumpt sein, oder auch chemische Energie zur Erzeugung der Primärstrahlung umsetzen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers, insbesondere Halbleiterlasers, weist dieser mindestens einen Halbleiterlaserchip, insbesondere genau einen Halbleiterlaserchip auf, der das Lasermedium darstellt. Der Halbleiterlaserchip ist dazu eingerichtet, im Betrieb die Primärstrahlung zu emittieren. Der Halbleiterlaserchip kann optisch oder elektrisch gepumpt sein. Halbleiterlaserchip bedeutet, dass ein zur Strahlungserzeugung vorgesehener aktiver Bereich des Chips mit einem Halbleitermaterial gebildet ist oder aus mindestens einem solchen Material besteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers weist dieser einen gefalteten, externen Resonator auf. Gefaltet bedeutet, dass ein Lichtweg innerhalb des Resonators nicht einer einzigen, geraden Linie folgt. Der Lichtweg weist also mindestens zwei, insbesondere genau zwei Teilstrecken auf, die nicht deckungsgleich verlaufen. Extern kann bedeuten, dass der Resonator etwa des als Halbleiterlaserchip gestalteten Lasermediums nicht auf den Halbleiterlaserchip selbst beschränkt ist, der Lichtweg verläuft dann im Resonator somit also auch außerhalb des Halbleiterchips.
Unter dem Lichtweg der Strahlung ist jeweils der Verlauf der Strahlung entlang einer Strahlachse beziehungsweise einer optischen Achse bezeichnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers weist der gefaltete externe Resonator mindestens drei, insbesondere genau drei Resonatorspiegel auf. Die Resonatorspiegel sind dazu gestaltet, die Primärstrahlung, die vom Lasermedium im Betrieb emittiert wird, mindestens zum Teil zu reflektieren. Die Resonatorspiegel sind zum Beispiel durch Bragg-Spiegel und/oder dielektrische Spiegel gebildet. Eine Reflektivität der Resonatorspiegel bezüglich der Primärstrahlung übersteigt bevorzugt 98%, insbesondere 99,8%, besonders bevorzugt 99,95%.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist einer, insbesondere genau einer der Resonatorspiegel als Faltungsspiegel gestaltet. Insbesondere, falls der Resonator nicht als Ringresonator, sondern als linearer Resonator gestaltet ist, befindet sich der Faltungsspiegel bevorzugt zwischen zwei als Endspiegel gestalteten Resonatorspiegeln. Über den Faltungsspiegel wird der Verlauf der Primärstrahlung innerhalb des Resonators so umgelenkt, dass der Verlauf der Primärstrahlung von einer Geraden abweicht. Mit anderen Worten sind durch den Faltungsspiegel die Teilstrecken des Lichtwegs im Resonator gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers weist der Faltungsspiegel eine dem Resonator zugewandte Innenfläche und eine vom Resonator abgewandte Außenfläche auf. Die Innenfläche stellt bevorzugt diejenige Fläche des Faltungsspiegels dar, an der die Primärstrahlung im Resonator umgelenkt wird. Die Innenfläche kann somit eine Spiegelfläche sein. Bevorzugt weist der Faltungsspiegel an der Innenfläche eine Reflektivität bezüglich der Primärstrahlung von mindestens 98%, insbesondere von mindestens 99,8% auf. Die Außenfläche des Faltungsspiegels stellt eine Fläche des Faltungsspiegels dar, die der Innenfläche abgewandt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers umfasst dieser mindestens zwei Detektorelemente. Bei den Detektorelementen kann es sich um einzelne, separate Bauteile handeln, die beispielsweise als Fotodioden ausgestaltet sind. Ebenso ist es möglich, dass die Detektorelemente durch einzelne Pixel zum Beispiel auf einem Halbleiterchip oder auf einer CCD-Kamera gebildet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist der Faltungsspiegel dazu eingerichtet, eine erste Teilstrahlung der Primärstrahlung ohne Reflexion an der Innenfläche und ohne Reflexion an der Außenfläche zu transmittieren. Mit anderen Worten durchdringt ein kleiner Teil der Primärstrahlung, bevorzugt weniger als 0,5%, insbesondere weniger als 0,1%, die Innenfläche des Faltungsspiegels, durchläuft den Faltungsspiegel und verlässt den Faltungsspiegel an der Außenfläche, ohne an der Außenfläche reflektiert zu werden. Die erste Teilstrahlung wird also am Faltungsspiegel aus dem Resonator ausgekoppelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist der Faltungsspiegel dazu eingerichtet, eine zweite Teilstrahlung der Primärstrahlung nach Reflexion sowohl an der Außenfläche als auch an der Innenfläche des Faltungsspiegels zu transmittieren. Der Anteil der zweiten Teilstrahlung an der Primärstrahlung beträgt bevorzugt weniger als 0,5%, insbesondere weniger als 0,1%.
Mit anderen Worten wird die zweite Teilstrahlung über den Faltungsspiegel aus dem Resonator ausgekoppelt. Das heißt, die zweite Teilstrahlung passiert einmalig die Innenfläche des Faltungsspiegels, gelangt, im Faltungsspiegel verlaufend, zur Außenfläche und wird an der Außenfläche so reflektiert, dass die zweite Teilstrahlung weiterhin im Faltungsspiegel verbleibt. Nach Reflexion an der Außenfläche verläuft die zweite Teilstrahlung in Richtung zur Innenfläche hin und wird an der Innenfläche zurück in Richtung zur Außenfläche reflektiert. Die zweite Teilstrahlung passiert dann nachfolgend die Außenfläche des Faltungsspiegels.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers verlaufen die erste Teilstrahlung und die zweite Teilstrahlung nach Verlassen des Faltungsspiegels in dieselbe Richtung. Das bedeutet, dass, direkt nach Verlassen des Faltungsspiegels, ein Winkel zwischen der ersten Teilstrahlung und der zweiten Teilstrahlung weniger als 10° beträgt, bevorzugt weniger als 3°. Insbesondere sind, im Rahmen der Herstellungstoleranzen des Faltungsspiegels, die erste Teilstrahlung und die zweite Teilstrahlung direkt nach dem Verlassen des Faltungsspiegels parallel zueinander ausgerichtet.
Der Winkel zwischen der ersten Teilstrahlung und der zweiten Teilstrahlung nach Verlassen des Faltungsspiegels ist gemäß zumindest einer Ausführungsform des Lasers durch einen Winkel zwischen der Innenfläche und der Außenfläche des Faltungsspiegels vorgegeben. Sind Innenfläche und Außenfläche, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, parallel zueinander, so verläuft auch die erste Teilstrahlung parallel zur zweiten Teilstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers sind die erste Teilstrahlung und die zweite Teilstrahlung jeweils mindestens teilweise auf die Detektorelemente gelenkt. Mit anderen Worten trifft ein Anteil der ersten Teilstrahlung auf mindestens eines der Detektorelemente. Entsprechendes gilt bezüglich der zweiten Teilstrahlung.
In mindestens einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers, insbesondere Halbleiterlasers, umfasst dieser mindestens ein Lasermedium, das insbesondere zumindest ein Halbleiterchip sein kann. Das Lasermedium ist dazu eingerichtet, eine Primärstrahlung zu emittieren. Des Weiteren weist der Laser einen gefalteten, externen Resonator mit mindestens drei Resonatorspiegeln auf. Einer der Resonatorspiegel ist als Faltungsspiegel gestaltet und weist eine dem Resonator zugewandte Innenfläche und eine vom Resonator abgewandte Außenfläche auf. Ferner beinhaltet der Laser mindestens zwei Detektorelemente. Der Faltungsspiegel ist dazu eingerichtet, eine erste Teilstrahlung der Primärstrahlung ohne Reflexion an der Außenfläche des Faltungsspiegels und eine zweite Teilstrahlung der Primärstrahlung nach Reflexion sowohl an der Außenfläche als auch an der Innenfläche des Faltungsspiegels zu transmittieren. Die erste und die zweite Teilstrahlung können hierbei insbesondere so transmittiert werden, dass sie in derselben Richtung verlaufen. Die erste und die zweite Teilstrahlung sind jeweils mindestens teilweise auf die Detektorelemente gelenkt.
Ein solcher Laser, insbesondere Halbleiterlaser, kann eine zeitlich stabile Wellenlänge der Pumpstrahlung aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers beträgt ein Abstand zwischen der ersten Teilstrahlung und der zweiten Teilstrahlung zwischen einschließlich 100 μm und 1 mm, insbesondere zwischen einschließlich 150 μm und 700 μm. Unter Abstand wird hierbei der Abstand der Teilstrahlen voneinander nach Transmission durch den Faltungsspiegel, vor Durchgang durch beispielsweise ein weiteres optisches Element, verstanden. Verlaufen erste und zweite Teilstrahlung nicht parallel zueinander, so ist der Abstand direkt nach dem Verlassen der ersten und zweiten Teilstrahlung aus dem Faltungsspiegel zu bestimmen. Der Abstand bezieht sich insbesondere auf den Abstand zwischen Strahlachsen von erster und zweiter Teilstrahlung. Beispielsweise ist der Abstand derjenige Abstand, den die Strahlachsen von erster und zweiter Teilstrahlung zueinander beim Durchdringen der Außenfläche des Faltungsspiegels aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist der Faltungsspiegel planparallel gestaltet. Das heißt, im Rahmen der Herstellungstoleranzen sind Außenfläche und Innenfläche parallel zueinander angeordnet. Die Toleranz für die Parallelität beträgt bevorzugt weniger als 0,5°, insbesondere weniger als 0,1°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers weist der Faltungsspiegel eine Dicke zwischen einschließlich 100 μm und 2 mm, insbesondere zwischen einschließlich 150 μm und 800 μm auf. Die Dicke bezieht sich hierbei auf eine Ausdehnung senkrecht zur Innenfläche des Faltungsspiegels.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist sowohl die Innenfläche als auch die Außenfläche des Faltungsspiegels, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, eben gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers werden die erste Teilstrahlung und die zweite Teilstrahlung nach Verlassen des Faltungsspiegels räumlich überlagert, so dass sich ein Interferenzmuster bezüglich erster und zweiter Teilstrahlung ausbildet. Die Detektorelemente sind hierbei dazu eingerichtet, jeweils einen Teilbereich des Interferenzmusters zu detektieren. Das Interferenzmuster kann beispielsweise auf einer Projektionsfläche im optischen Fernfeld oder auf einer Projektionsfläche in einer Abbildungsebene eines optischen Elements ausgebildet sein. Eine strahlungsempfindliche Fläche der Detektorelemente nimmt dann jeweils einen Teilbereich der Projektionsfläche oder der Abbildungsebene ein. Hierdurch können die Detektorelemente unterschiedliche räumliche Bereiche des Interferenzmusters auf der Projektionsfläche oder der Abbildungsebene detektieren. Eine Messgröße der Detektorelemente ist insbesondere die auf die Detektorelemente treffende, jeweilige Intensität der Teilstrahlungen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers sind die Detektorelemente benachbart in der Projektionsebene oder der Abbildungsebene angeordnet. Beispielsweise stoßen die Detektorelemente direkt aneinander. Der räumliche Abstand zwischen den lichtempfindlichen Flächen der Detektorelemente in der Projektionsebene oder Abbildungsebene, also etwa die Ausdehnung eines lichtunempfindlichen Bereichs, beträgt vorzugsweise weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 100 μm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist an der Außenfläche des Faltungsspiegels eine Beschichtung aufgebracht, die in einem Spektralbereich der Primärstrahlung eine wellenlängenabhängige Reflektivität aufweist. Bevorzugt ist hierbei eines der Detektorelemente dazu eingerichtet, die erste Teilstrahlung zu detektieren, und das andere Detektorelement ist dazu eingerichtet, die zweite Teilstrahlung zu detektieren. Die erste und die zweite Teilstrahlung sind also auf unterschiedliche Detektorelemente gelenkt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ändert sich in einem Spektralbereich mit einer Breite von 20 nm, der eine Zentralwellenlänge der Primärstrahlung umfasst, die Reflektivität der Beschichtung der Außenfläche des Faltungsspiegels um mindestens 30 Prozentpunkte, insbesondere um mindestens 50 Prozentpunkte, bevorzugt um mindestens 80 Prozentpunkte. Mit anderen Worten ist beispielsweise am hochfrequenten Rand dieses Spektralbereichs die Reflektivität der Beschichtung bezüglich der Primärstrahlung sehr gering, zum Beispiel weniger als 5%, und am niederfrequenten Rand dieses Spektralbereichs sehr hoch, zum Beispiel größer als 95%. Eine derartige Beschichtung kann durch eine dielektrische Schichtenfolge und/oder durch einen Bragg-Spiegel gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist eine Reflektivität der Beschichtung im Spektralbereich der Primärstrahlung näherungsweise wellenlängenunabhängig und liegt zwischen einschließlich 20% und 80%, insbesondere zwischen einschließlich 40% und 65%, bevorzugt um 50%. Wellenlängenunabhängig kann bedeuten, dass sich die Reflektivität in einem Wellenlängenbereich von +/–10 nm um die Zentralwellenlänge herum um weniger als 10 Prozentpunkte, insbesondere um weniger als 3 Prozentpunkte ändert Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers beträgt eine spektrale Breite der Primärstrahlung, insbesondere FWHM, weniger als 1 nm, bevorzugt weniger als 0,5 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers durchlaufen weder die Primärstrahlung, noch die erste Teilstrahlung, noch die zweite Teilstrahlung ein optisches Element, das zu einer spektralen Aufspaltung der genannten Strahlungen dient. Ein solches optisches Element kann durch ein Prisma, ein optisches Gitter oder eine optische Gradientenplatte gebildet sein. Mit anderen Worten wird keine der genannten Strahlungen in spektrale Subkomponenten aufgeteilt, die räumlich voneinander getrennt sind und aufgrund der räumlichen Trennung über separate Detektorelemente detektiert werden können. Der Laser umfasst also insbesondere keine Anordnung, die einem Spektrometer entspricht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers umfasst dieser mindestens eine Regeleinheit. Die Regeleinheit ist dazu ausgerichtet, in Abhängigkeit mindestens eines Signals der Detektorelemente eine Wellenlänge der Primärstrahlung zu regeln. Mit anderen Worten ist das Signal, das die Detektorelemente liefern, von der Wellenlänge der Primärstrahlung abhängig. Über dieses Signal der Detektorelemente kann dann die Wellenlänge der Primärstrahlung, zumindest in einem spektralen Teilbereich, bestimmt werden. Hierdurch ist es möglich, dass die Regeleinheit auf eine bestimmte, vorgegebene Wellenlänge der Primärstrahlung regelt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist die Regeleinheit dazu eingerichtet, eine räumliche Position von mindestens einem der Resonatorspiegel, insbesondere von genau einem der Resonatorspiegel, zu regeln. Bevorzugt regelt die Regeleinheit die Position desjenigen Resonatorspiegels, der vom Lasermedium, insbesondere vom Halbleiterlaserchip, am weitesten entfernt ist und/oder der die größte optische Distanz, entlang des Lichtwegs, zum Lasermedium aufweist. Die Regelung erfolgt weiterhin bevorzugt in einer Richtung parallel zu der Strahlachse der Primärstrahlung innerhalb des Resonators. Mit anderen Worten regelt die Regeleinheit eine optische Länge des Resonators, ohne die Strahllage der Primärstrahlung signifikant zu beeinflussen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers weist der Resonator wenigstens einen optischen Kristall auf, der zu einer zumindest teilweisen Frequenzkonversion der Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung eingerichtet ist. Über den optischen Kristall ist zum Beispiel eine Frequenzverdopplung der Primärstrahlung möglich. Ebenso kann die Primärstrahlung über ein Vierwellenmischen zum Beispiel wenigstens zum Teil in eine Sekundärstrahlung umgewandelt werden, deren Wellenlänge größer ist als die Wellenlänge der Primärstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist der optische Kristall mit Lithium-Niobat, kurz LN, mit Kalium-Titanyl-Phosphat, kurz KTP, mit Rubidium-Titanyl-Arsenid, kurz RTA, mit Kalium-Titanyl-Arsendid, kurz KTA, mit Rubidium-Titanyl-Phosphat, kurz RTP, und/oder mit Kalium-Niobat, kurz KN, gestaltet oder besteht aus einem dieser Materialien. Der optische Kristall kann periodisch gepolt sein, um eine Quasi-Phasenanpassung zu erzielen. Eine geometrische Länge des optischen Kristalls liegt bevorzugt zwischen einschließlich 0,5 mm und 5,0 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers, insbesondere Halbleiterlasers, liegt die Wellenlänge der Primärstrahlung im nahinfraroten Spektralbereich. Insbesondere liegt die Wellenlänge der Primärstrahlung zwischen 800 nm und 1500 nm, bevorzugt zwischen 1030 nm und 1070 nm. Die Wellenlänge der Sekundärstrahlung beträgt bevorzugt die Hälfte der Wellenlänge der Primärstrahlung und liegt insbesondere im sichtbaren Spektralbereich, speziell im grünen Spektralbereich um 525 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers regelt die Regeleinheit eine Temperatur des optischen Kristalls. Über die Temperatur des Kristalls ist auch die optische Länge des Kristalls und somit ebenfalls die optische Länge des Resonators einstellbar. Hierüber ist ein Abstimmen der Wellenlänge der Primärstrahlung, und somit auch ein Optimieren beispielsweise einer Verdoppelungseffizienz im optischen Kristall, möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers wird die Sekundärstrahlung über den Faltungsspiegel aus dem Resonator ausgekoppelt. Die Sekundärstrahlung verläuft dabei bevorzugt in eine andere Richtung als die erste und die zweite Teilstrahlung. Es sind also die Sekundärstrahlung sowie erste und zweite Teilstrahlung dann räumlich voneinander trennbar. Hierdurch ist ein Untergrund auf den die Teilstrahlungen messenden Detektorelementen, verursacht durch die Sekundärstrahlung, reduzierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers beträgt ein Einfallswinkel der Primärstrahlung auf dem Faltungsspiegel zwischen einschließlich 40° und 75°, insbesondere zwischen einschließlich 60° und 75°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers umfasst dieser wenigstens ein wellenlängenselektives Element. Dieses wellenlängenselektive Element ist dazu eingerichtet, die Primärstrahlung auf ein Wellenlängenintervall mit einer spektralen Breite von höchstens 4 nm, insbesondere von höchstens 2 nm einzuschränken. Das wellenlängenselektive Element ist beispielsweise durch ein Etalon gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist das Wellenlängenintervall, auf das die Primärstrahlung durch das wellenlängenselektive Element eingeschränkt ist, kleiner als ein Spektralbereich, in dem über Detektion der ersten und der zweiten Teilstrahlung an den Detektorelementen die Wellenlänge der Primärstrahlung insbesondere eindeutig bestimmbar ist. Mit anderen Worten gibt das wellenlängenselektive Element einen Spektralbereich vor, in dem das Signal der Detektorelemente bezüglich der Wellenlänge der Primärstrahlung eindeutig ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers ist eine optische Länge des Resonators kleiner oder gleich 100 mm. Bevorzugt liegt die optische Länge des Resonators zwischen einschließlich 1 mm und 20 mm, insbesondere zwischen einschließlich 3 mm und 12 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers sind die Detektorelemente auf einem einzigen Halbleiterchip integriert und/oder in einem einzigen Halbleiterchip gefertigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten Lasers weicht eine Intensität der ersten Teilstrahlung von einer Intensität der zweiten Teilstrahlung um höchstens 75% ab, insbesondere um höchstens 55%, bevorzugt um höchstens 30%. Die Intensitäten der Teilstrahlungen sind also in etwa gleich groß. Dies kann durch eine strukturiert auf dem Faltungsspiegel aufgebrachte Beschichtung erzielt werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Wellenlängenstabilisation eines Lasers, insbesondere eines Halbleiterlasers angegeben. Der Halbleiterlaser ist hierbei bevorzugt gemäß zumindest einer der vorhergehenden Ausführungsformen gestaltet. Das Verfahren kann eines oder mehrere der in Verbindung mit dem Laser, insbesondere mit dem Halbleiterlaser genannten Merkmale aufweisen.
In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein aus Messwerten eines von den wenigstens zwei Detektorelementen ermittelten Signals zu einer Regelung der optischen Länge des Resonators verwendet. Bei einem Laser entspricht die optische Resonatorlänge L einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge λ/2 einer Strahlung, in diesem Falle der Primärstrahlung. Es gilt also L = n λ/2, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die optische Resonatorlänge L ist also mit der Wellenlänge λ der Strahlung korreliert. Über ein Einstellen der optischen Resonatorlänge L ist somit auch die Wellenlänge λ der Strahlung, insbesondere der Primärstrahlung, zumindest in einem bestimmten Spektralbereich abstimmbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die erste und die zweite Teilstrahlung auf die Detektorelemente fokussiert. Dies ist beispielsweise mittels einer Linse oder mittels eines Spiegels möglich.
Einige Anwendungsbereiche, in denen hier beschriebene wellenlängenstabilisierte Laser, insbesondere Halbleiterlaser, Verwendung finden können, sind beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen zu Projektionszwecken. Weiterhin können die hier beschriebenen Laser in Scheinwerfern oder Lichtstrahlern, bei der Allgemeinbeleuchtung oder auch bei der Be- und/oder Hinterleuchtung von Displays oder Anzeigeeinrichtungen eingesetzt werden.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener wellenlängenstabilisierter Laser sowie ein Verfahren zur Wellenlängenstabilisation eines Lasers unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1 und 2 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Lasern,
3 bis 6 schematische Darstellungen von aus der ersten und der zweiten Teilstrahlung durch Überlagerung gebildeten Mustern von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Lasern,
7 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit eines Signals der Detektorelemente von der Wellenlänge der Primärstrahlung,
8 eine schematische Darstellung eines Verlaufs der Strahlung an einem Faltungsspiegel eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Lasers, und
9 eine schematische Darstellung einer Reflektivität einer Beschichtung eines Faltungsspiegels (A) sowie eines Signals von Detektorelementen (B) in Abhängigkeit von einer Wellenlänge einer Primärstrahlung bei einem Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Lasers.
In den 1A und 1B ist ein Ausführungsbeispiel eines wellenlängenstabilisierten Lasers 1 dargestellt. Der Laser 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Halbleiterlaser und weist einen Resonator 3 auf. Bei dem Resonator 3 handelt es sich nicht um einen sogenannten Ringresonator.
Ein Halbleiterlaserchip 2, der als Lasermedium dient und zur Erzeugung einer Pumpstrahlung P eingerichtet ist, bildet gleichzeitig einen Resonatorspiegel 31 des Resonators 3 aus. Der Halbleiterlaserchip 2 umfasst zum Beispiel eine nicht gezeichnete aktive Schicht, in der die Primärstrahlung P erzeugt wird. An einer Seite des Halbleiterlaserchips 2, die einem weiteren Resonatorspiegel 32 abgewandt ist, ist zum Beispiel eine nicht gezeichnete, bezüglich der Primärstrahlung P hochreflektierende Schicht oder Schichtenfolge angebracht.
Im Halbleiterlaserchip 2 erzeugte Primärstrahlung P verläuft in einer Richtung senkrecht zum Resonatorspiegel 31 hin zu einem Faltungsspiegel 33, der dem Resonator 3 angehört. Der Faltungsspiegel 33 weist eine dem Inneren des Resonator 3 zugewandte, bezüglich der Primärstrahlung P reflektierend wirkende Innenfläche 4 und eine dem Resonator 3 abgewandte, der Innenfläche 4 gegenüberliegende Außenfläche 5 auf. An der Innenfläche 4 des Faltungsspiegels 33 erfolgt eine Reflexion der vom Halbleiterlaserchip 2 emittierten Primärstrahlung P in Richtung hin zum Resonatorspiegel 32. Die Primärstrahlung P ist in 1A durch eine gepunktete Linie symbolisiert.
Zwischen dem Halbleiterlaserchip 2, und somit dem Resonatorspiegel 31, und dem Faltungsspiegel 33 befindet sich ein wellenlängenselektives Element 10, das als Etalon ausgestaltet sein kann. Durch das wellenlängenselektive Element 10 ist die Wellenlänge der Primärstrahlung P eingeschränkt. Dies geschieht dadurch, dass das wellenlängenselektive Element 10 beispielsweise nur für bestimmte Wellenlängen in einem freien Spektralbereich durchlässig ist. Für andere Wellenlängen sind die Verluste innerhalb des Resonators 3 dann so groß, dass bei diesen Wellenlängen keine Lasertätigkeit aufkommen kann. Eine mögliche Wellenlänge der Primärstrahlung P ist somit auf den freien Spektralbereich des wellenlängenselektiven Elements 10 eingeschränkt.
Zwischen dem Faltungsspiegel 33 und dem Resonatorspiegel 32 befindet sich ein optischer Kristall 9. Der optische Kristall 9 ist dazu eingerichtet, die Primärstrahlung P zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung S, symbolisiert durch eine Pfeil-Linie, umzuwandeln. Die Sekundärstrahlung S weist insbesondere die halbe Wellenlänge der Primärstrahlung P auf. Zum Beispiel ist der optische Kristall 9 ein periodisch gepolter Lithiumniobat-Kristall, kurz PPLN.
Die Sekundärstrahlung S, die im optischen Kristall 9 erzeugt ist, verläuft zwischen dem Faltungsspiegel 33 und dem Resonatorspiegel 32 im Wesentlichen auf dem gleichen Weg wie die Primärstrahlung P. In Richtung zum Resonatorspiegel 32 laufende Sekundärstrahlung S wird vom Resonatorspiegel 32 zurück in Richtung Faltungsspiegel 33 reflektiert. Der Resonatorspiegel 32 wirkt hochreflektierend sowohl für die Primärstrahlung P als auch für die Sekundärstrahlung S.
Zur Steigerung der Stabilität des Resonators 3 kann der Resonatorspiegel 32 fokussierend wirken. Hierzu weist eine Fläche des Resonatorspiegels 32, an der die Primärstrahlung P und die Sekundärstrahlung S reflektiert werden, einen Krümmungsradius auf, der insbesondere größer ist als eine optische Länge des Resonators 3.
Die Sekundärstrahlung S gelangt durch die Innenfläche 4 in den Faltungsspiegel 33, durchläuft den Faltungsspiegel 33 und tritt an der Außenfläche 5 aus dem Faltungsspiegel 33 heraus. Sowohl Innenfläche 4 als auch Außenfläche 5 sind bevorzugt mit einer bezüglich der Sekundärstrahlung S antireflektierend wirkenden, nicht gezeichneten Beschichtung versehen, so dass die Sekundärstrahlung S effizient aus dem Resonator 3 auskoppelbar ist.
Der Halbleiterlaser 1 gemäß 1A, 1B ist also dazu gestaltet, innerhalb des Resonators 3 die Primärstrahlung P, die bevorzugt Wellenlängen im infraroten Spektralbereich aufweist, in eine sichtbare Sekundärstrahlung S umzuwandeln. Um eine effiziente Frequenzkonversion zu ermöglichen, ist der Resonator 3 bezüglich der Primärstrahlung P möglichst verlustarm gestaltet. Das heißt, die Resonatorspiegel 31, 32 und der Faltungsspiegel 33 weisen bezüglich der Primärstrahlung P eine möglichst hohe Reflektivität auf. Das Material des Faltungsspiegels 33 ist bezüglich der Wellenlängen der Sekundärstrahlung S und der Primärstrahlung P bevorzugt transparent. Sind die Resonatorspiegel 31, 32 und der Faltungsspiegel 33 beispielsweise als dielektrische Spiegel gestaltet, so sind Reflektivitäten bezüglich der Primärstrahlung P im Bereich von zirka 99,8% realisierbar. Eine Reflektivität von exakt 100% kann nicht erzielt werden. Mit anderen Worten gelangt ein kleiner Teil der Primärstrahlung P durch die nicht gezeichnete Beschichtung an der Innenfläche 4 in den Faltungsspiegel 33.
Dies ist in 1B näher illustriert. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Primärstrahlung P sowie die Sekundärstrahlung S in 1B nicht gezeichnet. Anstelle der Primärstrahlung P und der Sekundärstrahlung S ist eine optische Achse O innerhalb des Resonators 3 als Strich-Punkt-Linie eingezeichnet. Die optische Achse O entspricht den Strahlachsen der Primärstrahlung P und der Sekundärstrahlung S.
An der Innenfläche 4 des Faltungsspiegels 33 weist die optische Achse O zu einem Lot zur Innenfläche 4 einen Einfallswinkel θ auf, der zirka 67,5° beträgt. In einer Richtung parallel zum Lot, also in einer Richtung senkrecht zur Innenfläche 4, weist der Faltungsspiegel 33 eine Dicke t von zirka 200 μm auf. Die Innenfläche 4 und die Außenfläche 5 sind, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, eben gestaltet und parallel zueinander orientiert. An der Außenfläche 5 des Faltungsspiegels 33 ist eine Beschichtung 7 aufgebracht, die bezüglich der Primärstrahlung P teilreflektierend wirkt. Der Reflexionsgrad der Beschichtung 7 bezüglich der Primärstrahlung P liegt bei zirka 50%.
In 1B sind zudem Strahlwege einer ersten Teilstrahlung 11 und einer zweiten Teilstrahlung 22 illustriert. Die erste 11 und die zweite Teilstrahlung 22 sind durch einen Teil der Primärstrahlung P gebildet, die, vom Halbleiterlaserchip 2 her kommend, die Innenfläche 4 des Faltungsspiegels 33 durchläuft. Diese Strahlung verläuft innerhalb des Faltungsspiegels 33 in Richtung hin zur Außenfläche 5. An der Beschichtung 7 der Außenfläche 5 wird ein Teil der im Faltungsspiegel 3 verlaufenden Strahlung ohne weitere Reflexion transmittiert. Dieser Strahlungsanteil bildet die erste Teilstrahlung 11. Da die Beschichtung 7 eine Reflektivität von zirka 50% aufweist, wird ein weiterer Teil der im Faltungsspiegel 33 verlaufenden Strahlung zurück in Richtung zur Innenfläche 4 reflektiert. Da die Innenfläche 4 bezüglich der Wellenlänge der Primärstrahlung eine Reflektivität von knapp unter 100% aufweist, wird diese im Faltungsspiegel 33 verlaufende Strahlung nahezu unabgeschwächt zurück in Richtung zur Außenfläche 5 gelenkt und passiert, mindestens teilweise, die Außenfläche 5. Diese, die Außenfläche 5 nach Reflexion sowohl an der Außenfläche 5 als auch an der Innenfläche 4 passierende Strahlung bildet die zweite Teilstrahlung 22.
Da die Innenfläche 4 und die Außenfläche 5 parallel zueinander sind, verlaufen auch erste Teilstrahlung 11 und zweite Teilstrahlung 22 parallel zueinander, in einer Richtung hin zu zwei in 1A, 1B nicht gezeichneten Detektorelementen 6. Ein Abstand d zwischen erster 11 und zweiter Teilstrahlung 22 beträgt zirka 150 μm. Erste 11 und zweite Teilstrahlung 22 verlaufen in einer Richtung parallel zu dem Abschnitt der optischen Achse O, der sich zwischen dem Halbleiterlaserchip 2 und dem Faltungsspiegel 33 befindet.
Aus der Primärstrahlung P, die in Richtung vom Resonatorspiegel 32 weg hin zum Faltungsspiegel 33 verläuft, resultiert eine weitere Teilstrahlung 44, die analog zur ersten 11 und zweiten Teilstrahlung 22 entsteht. Diese weitere Teilstrahlung 44 verläuft parallel zur aus dem Resonator 3 ausgekoppelten Sekundärstrahlung S.
Um die Intensität der Teilstrahlungen 11, 22 aneinander anzugleichen, kann die Beschichtung 7 an der Außenfläche 5 des Faltungsspiegels 33 optional nur stellenweise aufgebracht sein oder an verschiedenen Stellen einen unterschiedlichen Reflexionsgrad bezüglich der Wellenlänge der Primärstrahlung P aufweisen.
In 2 ist der weitere Verlauf der ersten Teilstrahlung 11 und der zweiten Teilstrahlung 22 dargestellt. Über eine abbildende Optik 12, gebildet durch eine Sammellinse, werden die vor dem abbildenden Optik 12 parallel zueinander verlaufenden erste 11 und zweite Teilstrahlungen 22 auf die zwei Detektorelemente 6a, 6b abgebildet. Mit anderen Worten werden erste Teilstrahlung 11 und zweite Teilstrahlung 22 einander in einer Ebene der Detektorelemente 6a, 6b überlagert.
Da die Sekundärstrahlung S in Richtung der weiteren Teilstrahlung 44 und nicht in Richtung von erster 11 und zweiter Teilstrahlung 22 verläuft, ist ein Untergrundsignal auf den Detektorelementen 6a, 6b, verursacht durch die Sekundärstrahlung S, unterdrückt. Zudem behindern die Detektorelemente 6a, 6b nicht den Verlauf der Sekundärstrahlung S. Alternativ ist es ebenso möglich, dass die weitere Teilstrahlung 44 als erste und die zweite Teilstrahlung fungiert und sich die Detektorelemente 6a, 6b in Richtung der aus dem Resonator 3 ausgekoppelten Sekundärstrahlung S befinden.
Da die erste Teilstrahlung 11 und die zweite Teilstrahlung 22 aus der durch die Innenfläche 4 transmittierten Primärstrahlung P aufgeteilt sind und eine stabile Phasenbeziehung zueinander aufweisen, resultiert ein Interferenzmuster aus der Überlagerung von erster 11 und zweiter Teilstrahlung 22. Abhängig von der Intensität der auf die Detektorelemente 6a, 6b treffenden Teilstrahlungen 11, 22 wird ein Signal von den Detektorelementen 6a, 6b an eine Regeleinheit 8 weitergeleitet. In Abhängigkeit von diesem Signal steuert die Regeleinheit 8 eine Position des Resonatorspiegels 32 in einer Richtung parallel zur optischen Achse O und/oder eine Temperatur des optischen Kristalls 9. Somit wird über die Regeleinheit 8 die optische Länge des Resonators 3 und damit auch die Wellenlänge der Primärstrahlung P eingestellt.
Die Effizienz der Frequenzumwandlung im optischen Kristall 9 ist stark abhängig von der Wellenlänge der umzuwandelnden Primärstrahlung P. Daher führen geringe Änderungen in der Wellenlänge der Primärstrahlung P zu merklichen Schwankungen der Intensität der Sekundärstrahlung S. Um eine stabile Ausgangsleistung bezüglich der Sekundärstrahlung S zu gewährleisten, ist daher die Wellenlänge der Primärstrahlung P zeitlich stabil zu halten. Schwankungen der Wellenlänge der Primärstrahlung P können durch thermomechanische oder thermooptische Effekte hervorgerufen werden und insbesondere zu plötzlichen spektralen Sprüngen, einem so genannten Modenhüpfen, führen.
In den 3 bis 7 ist eine beispielhafte Möglichkeit, in den 8 und 9 eine weitere beispielhafte Möglichkeit illustriert, über die Detektorelemente 6a, 6b ein von der Wellenlänge der Primärstrahlung P abhängiges Signal zu erhalten.
In 3A ist auf eine Projektionsfläche ein Strahl mit einem in lateraler Richtung gaußförmigen Intensitätsprofil projiziert. In der Projektion erscheint das Strahlprofil als näherungsweise kreisförmig mit einer rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung. In 3B ist das Interferenzmuster, das durch die Überlagerung zweier zueinander phasenstabiler Teilstrahlen resultiert, auf einer Projektionsfläche im optischen Fernfeld zu sehen. In lateraler Richtung sind deutlich abwechselnd helle und dunkle Bereiche des streifenförmigen Interferenzmusters zu erkennen.
In 4 sind Simulationen des Fernfelds der Überlagerung aus erster Teilstrahlung 11 und zweiter Teilstrahlung 22 für verschiedene Dicken t des Faltungsspiegels 33 zu sehen, zum Beispiel für einen Halbleiterlaser 1 gemäß 2. In 4A beträgt die Dicke t des Faltungsspiegels 700 μm, in 4B 500 μm und in 4C 200 μm. Je geringer die Dicke t des Faltungsspiegels 33 ist, desto kleiner ist der Abstand d zwischen erster Teilstrahlung 11 und zweiter Teilstrahlung 22, und desto weiter sind benachbarte helle oder dunkle Streifen des Intensitätsmusters voneinander entfernt.
Das Interferenzmuster resultiert daraus, dass erste Teilstrahlung 11 und zweite Teilstrahlung 22 nach Verlassen des Faltungsspiegels 33 eine Phasendifferenz Δφ zueinander aufweisen, die insbesondere von einer Zentralwellenlänge λ₀ der Primärstrahlung P abhängt. Unter der Annahme, dass ein Brechungsindex der Umgebung des Faltungsspiegels 33 in etwa gleich 1 ist, wie im Falle von Luft, kann die Phasendifferenz Δφ über folgende Formel angegeben werden, wobei n dem optischen Brechungsindex des Faltungsspiegels 33 entspricht:
In den 5A bis 5F ist das Interferenzmuster im Fernfeld für verschiedene Werte der Zentralwellenlänge λ₀ dargestellt. Gemäß 5A mit der Zentralwellenlänge λ₀ = 1050,0 nm weist das Interferenzmuster einen zentralen Streifen mit großer Helligkeit auf, der beidseitig Streifen mit deutlich verminderter Helligkeit aufzeigt. Über die 5B und 5C hinweg ergibt sich schließlich in 5D das Interferenzmuster bei der Wellenlänge λ₀ = 1051,5 nm, bei dem zwei zentrale, in etwa gleich helle Streifen nebeneinander liegen. Über 5E hin zur 5F bei der Zentralwellenlänge λ₀ = 1052,5 nm ähnelt das Interferenzmuster wieder dem gemäß 5A. Das Interferenzmuster ist somit abhängig von der Zentralwellenlänge λ₀.
In 6 ist illustriert, wie die Detektorelemente 6a, 6b unterschiedliche, benachbarte Bereiche des Interferenzmusters detektieren. Lichtempfindliche Flächen der Detektorelemente 6a, 6b sind durch eine Umrahmung symbolisiert. Die Detektorelemente 6a, 6b messen eine Leistung Pa und Pb der Strahlung, die auf die lichtempfindlichen Flächen der Detektorelemente 6a, 6b fällt. Aus den gemessenen Leistungen Pa, Pb ist das Signal A berechenbar. Das Signal A ist zum Beispiel wie folgt definiert:
Das Signal A, das sich in Abhängigkeit von der Zentralwellenlänge λ₀ der Primärstrahlung P etwa gemäß den Interferenzmustern gemäß 5 ergibt, ist in 7 aufgetragen. Es ist eine deutliche, periodische Abhängigkeit des Signals A von der Zentralwellenlänge λ₀ erkennbar. Eine Periodizität beziehungsweise Periodenlänge der Wellenlängenabhängigkeit des Signals A beträgt zirka 2,5 nm. Das heißt, in einem Spektralbereich, der in etwa einer halben Periodenlänge des Signals A entspricht, liegt ein eineindeutiger Zusammenhang zwischen der Zentralwellenlänge λ₀ und der Größe des Signals A vor. Ist ein Sollwert der Zentralwellenlänge λ₀ zum Beispiel 1051,75 nm, so kann im Spektralbereich zwischen zirka 1051,0 nm und 1052,3 nm über das Signal A und über die Regeleinheit 8 eindeutig auf die Zentralwellenlänge λ₀ geregelt werden. Dass die Primärstrahlung P Wellenlängen außerhalb dieses Spektralbereichs annimmt, kann zum Beispiel über das wellenlängenselektive Element 10 unterbunden sein.
Zusammengefasst gelangt also dadurch, dass die Innenfläche 4 des Faltungsspiegels 33 keine 100-prozentige Reflektivität bezüglich der Primärstrahlung P aufweist, ein Teil der Primärstrahlung P in den Faltungsspiegel 33. Insbesondere durch die Beschichtung 7 ist es möglich, zwei in etwa intensitätsgleiche erste 11 und zweite Teilstrahlungen 22 zu erhalten, die in die gleiche Richtung verlaufen und miteinander interferieren können. Über das Interferenzmuster und das Signal A ist die Wellenlänge der Primärstrahlung P bestimmbar und damit auch nachregelbar, ohne dass ein zusätzlicher Teil der Primärstrahlung P aus dem Resonator 3 ausgekoppelt werden müsste.
In 8 sind der Faltungsspiegel 33, die Detektorelemente 6a, 6b sowie der Verlauf der ersten 11 und der zweiten Teilstrahlung 22 illustriert. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Zentralwellenlänge λ₀ der Primärstrahlung P besteht darin, dass die Beschichtung 7 eine von der Zentralwellenlänge λ₀ abhängige Reflektivität R aufweist, vergleiche 9A. Die Beschichtung 7 bedeckt hierbei bevorzugt die gesamte Außenfläche 5 oder zumindest diejenigen Bereiche der Außenfläche 5, über die die erste 11 und die zweite Teilstrahlung 22 den Faltungsspiegel 33 verlassen.
Weist der Faltungsspiegel 33 eine Dicke t von zirka 700 μm auf, so beträgt der Abstand d zwischen erster Teilstrahlung 11 und zweiter Teilstrahlung 22 bei einem Wert von 67,5° für den Einfallswinkel θ ungefähr 450 μm. Daraus folgt, dass auch die Detektorelemente 6a, 6b einen geringen Abstand zueinander haben und auf einem einzigen Chip anbringbar beziehungsweise in einem einzigen Chip gefertigt sein können. Dies senkt die Kosten für die Detektorelemente 6a, 6b und vereinfacht deren Justage. Zur Unterdrückung von Streustrahlung der Sekundärwellenlänge S kann sich vor den Detektorelementen 6a, 6b ein nicht gezeichneter Filter befinden, der nur bezüglich der Primärstrahlung P transmittierend wirkt.
Eine Reflektivität R4 der Innenfläche 4 bezüglich der Pumpstrahlung P ist näherungsweise gleich 1. Ein Anteil P' der Primärstrahlung P, der aufgrund der nicht vollständigen Reflexion der Innenfläche 4 in den Faltungsspiegel 33 gelangt, wird in die erste Teilstrahlung 11 und die zweite Teilstrahlung 22 aufgeteilt. Der Anteil P' weist eine Strahlungsleistung P0 auf. Die Leistung P1 der ersten Teilstrahlung 11 kann dann angegeben werden als: Pa = P0·(1 – R)
Die Leistung P2 der zweiten Teilstrahlung 22 ergibt sich dann zu: Pb = P0·R·R4·(1 – R)
Das Signal A ergibt sich, analog zu 7, aus dem Quotienten aus der Differenz und der Summe der auf die Detektorelemente 6a, 6b gelangenden Leistungen der ersten Teilstrahlung 11 und der zweiten Teilstrahlung 22:
Unter Einsetzen der oben aufgeführten Terme für die Leistungen Pa, Pb ergibt sich daraus:
Mit der Näherung R4 = 1 ergibt sich dann:
In der Nähe eines Arbeitspunktes, entsprechend des Sollwertes der Zentralwellenlänge λ₀, ergibt sich die Ableitung des Signals A nach der Wellenlänge λ wie folgt:
Um einen Arbeitspunkt herum ist also die Änderung des Signals A proportional zum Negativen der Änderung der Reflektivität R, jeweils in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Das sich für die Änderung der Reflektivität R gemäß 9A ergebende Signal A ist in 9B in Abhängigkeit von der Zentralwellenlänge λ₀ aufgetragen. Über den Spektralbereich zwischen zirka 1040 nm und zirka 1060 nm ist eine eineindeutige Zuordnung des Signals A zu einer Zentralwellenlänge λ₀ gegeben.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Wellenlängenstabilisierter Laser (1) mit – mindestens einem Lasermedium (2), das eine Primärstrahlung (P) emittiert, – einem gefalteten externen Resonator (3), der mindestens drei Resonatorspiegel (31, 32, 33) aufweist, von denen einer als Faltungsspiegel (33) gestaltet ist, wobei der Faltungsspiegel (33) eine dem Resonator (3) zugewandte Innenfläche (4) und eine vom Resonator (33) abgewandte Außenfläche (5) aufweist, und – mindestens zwei Detektorelementen (6), wobei – der Faltungsspiegel (33) dazu eingerichtet ist, eine erste Teilstrahlung (11) der Primärstrahlung (P) ohne Reflexion an der Außenfläche (5) und eine zweite Teilstrahlung (22) der Primärstrahlung (P) nach Reflexion sowohl an der Außenfläche (5) als auch an der Innenfläche (4) zu transmittieren, und – die erste Teilstrahlung (11) und die zweite Teilstrahlung (22) jeweils mindestens teilweise auf die Detektorelemente (6) gelenkt sind.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach Anspruch 1, bei dem ein Abstand (d) zwischen der ersten Teilstrahlung (11) und der zweiten Teilstrahlung (22) zwischen einschließlich 100 μm und 1 mm liegt.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Faltungsspiegel (33) eine Dicke (t) zwischen einschließlich 100 μm und 2 mm aufweist.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem aus der ersten Teilstrahlung (11) und aus der zweiten Teilstrahlung (22) ein Interferenzmuster gebildet ist, wobei die Detektorelemente (6) dazu eingerichtet sind, jeweils Teilbereiche des Interferenzmusters zu detektieren.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf der Außenfläche (5) des Faltungsspiegels (33) eine Beschichtung (7) aufgebracht ist, die in einem Spektralbereich der Primärstrahlung (P) eine wellenlängenabhängige Reflektivität aufweist, wobei eines der Detektorelemente (6a) dazu eingerichtet ist, die erste Teilstrahlung (11) zu detektieren, und das andere der Detektorelemente (6b) dazu eingerichtet ist, die zweite Teilstrahlung (22) zu detektieren.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Reflektivität der Beschichtung (7) bezüglich der Primärstrahlung (P) zwischen einschließlich 20% und 80% liegt.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem weder die Primärstrahlung (P) noch die erste Teilstrahlung (11) noch die zweite Teilstrahlung (22) eine optische Gradientenplatte, ein Prisma oder ein Gitter durchlaufen.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mindestens eine Regeleinheit (8) umfasst, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit mindestens eines Signals der Detektorelemente (6) eine Wellenlänge der Primärstrahlung (P) zu regeln.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Regeleinheit (8) dazu eingerichtet ist, eine räumliche Position von mindestens einem der Resonatorspiegel (31, 32) zu regeln.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der wenigstens einen optischen Kristall (9) im Resonator (3) aufweist, der zu einer zumindest teilweisen Frequenzkonversion der Primärstrahlung (P) in eine Sekundärstrahlung (S) eingerichtet ist, wobei die Wellenlänge der Primärstrahlung (P) im nahinfraroten Spektralbereich liegt.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch und nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Regeleinheit (7) dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des optischen Kristalls (9) zu regeln.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sekundärstrahlung (S) über den Faltungsspiegel (33) aus dem Resonator ausgekoppelt ist und bei dem die Sekundärstrahlung (S) in eine andere Richtung verläuft als die erste (11) und die zweite Teilstrahlung (22).
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Einfallwinkel (θ) der Primärstrahlung (P) auf dem Faltungsspiegel (33) zwischen einschließlich 40° und 75° beträgt.
Wellenlängenstabilisierter Laser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der wenigstens ein wellenlängenselektives Element (10) umfasst, das dazu eingerichtet ist, die Primärstrahlung (P) auf ein Wellenlängenintervall mit einer spektralen Breite von höchstens 4 nm einzuschränken.
Verfahren zur Wellenlängenstabilisation eines Lasers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein aus Messwerten der wenigstens zwei Detektorelemente (6) ermitteltes Signal zu einer Regelung einer optischen Länge des Resonators (3) verwendet wird.