DE102013004406B4

DE102013004406B4 - Nonlinear Amplifiers

Info

Publication number: DE102013004406B4
Application number: DE102013004406.5A
Authority: DE
Inventors: Keming Du; Daijun Li
Original assignee: Individual
Current assignee: Du Keming Dr De
Priority date: 2013-03-16
Filing date: 2013-03-16
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2033-03-17
Also published as: DE102013004406A1

Abstract

Nichtlinearer Raman-Oszillator bestehend aus einer Pumpstrahlquelle (11), einer Strahlformungsoptik (12), einem nichtlinearen Medium (41), einem Endspiegel (34), einem Auskoppelspiel (31), wobei zur Trennung des durch einen Raman-Streuungs-Prozess erzeugten Strahls (91) mit einer geänderten Wellenlänge von dem Pumpstrahl (16) mindestens ein polarisierendes Element verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Polarisation des Pumpstrahls und des erzeugten Strahls ein polarisationsänderndes Element (33, 37, 38) verwendet wird, wobei als das polarisationsändernde Element eine Verzögerungsplatte verwendet wird, wobei die Verzögerungsplatte so ausgelegt ist, dass nach der Verzögerungsplatte die Polarisation des wunschgemäß erzeugten Strahls (91) senkrecht zur Polarisation des Pumpstrahls (16) sowie zur Polarisation der unerwünschten Strahlen steht.

Non-linear Raman oscillator consisting of a pump beam source (11), beam shaping optics (12), a non-linear medium (41), an end mirror (34), an outcoupling game (31), wherein for separating the beam generated by a Raman scattering process (91) with a changed wavelength of the pump beam (16), at least one polarizing element is used, characterized in that a polarization-changing element (33, 37, 38) is used to adjust the polarization of the pump beam and the generated beam, wherein as the polarization-changing element, a retardation plate is used, the retardation plate being designed such that after the retardation plate the polarization of the beam (91) generated as desired is perpendicular to the polarization of the pump beam (16) and to the polarization of the undesired beams.

Description

Die Druckschrift US 6 047 011 A beschreibt Anordnungen zur Erzeugung von zweiter, dritter und vierter Harmonische. Dabei werden zwecks Reduzierung der Belastung von nichtlienaren Kkristallen mehrere nichtlineare Kristalle hinter einander angeordnet und somit von Multistrahlen der Harmonische generiert.The pamphlet U.S. 6,047,011 A describes arrangements for generating second, third and fourth harmonics. In order to reduce the load on non-linear K-crystals, several non-linear crystals are arranged one behind the other and thus generated by multi-rays of the harmonic.

Die Druckschrift DE 10 2009 011 599 A1 beschreibt eine optische Oszillator-VerstärkerAnordnung zur Steigerung der Leistung/Pulsenergie, wobei eine optische Modulatoranordnung zur Steuerung der Leistung/Pulsenergie verwendet wird. Ein Ausführungsbeispiel besteht aus einer Pockel-Zelle und einem Strahlversetzer.The pamphlet DE 10 2009 011 599 A1 describes an optical oscillator-amplifier arrangement for increasing power/pulse energy using an optical modulator arrangement for power/pulse energy control. One embodiment consists of a Pockel cell and a beam displacer.

Die Druckschrift DE 101 30 845 A1 beschreibt Verstärkeranordnungen, bei denen zwei Faltungsspiegel zur Erzeugung mehrfache Durchgänge durch ein quadarförmiges Verstärkungsmedium verwendet werden. Vorzugsweise werden die beiden Faltungsspiegel so dimensioniert und ausgelegt, dass einen Off-Axis-Resonator in der Faltungsebene gebildet wird. Bei dieser Anordnung wird die erreichbare Verstärkung limitiert.The pamphlet DE 101 30 845 A1 describes amplifier arrangements that use two folding mirrors to produce multiple passes through a cuboid gain medium. The two folding mirrors are preferably dimensioned and designed in such a way that an off-axis resonator is formed in the folding plane. With this arrangement, the gain that can be achieved is limited.

Die Druckschrift DE 10327260 A1 beschreibt eine optische Anordnung zu Mischung von Wellenlängen. Dabei wird ein Strahlversetzer verwendet, der die beiden zumischenden Wellenlängen zusammenführt.The pamphlet DE 10327260 A1 describes an optical arrangement for mixing wavelengths. A beam shifter is used, which brings together the two wavelengths to be mixed.

Die Druckschrift KR 10 2011 029 666 A beschreibt eine mehrstufige nichtlineare Verstärkeranordnung zur Maximierung der Nutzung von Pumpleistung. Dabei wird der Pumpstrahl wiederholt verwendet.The pamphlet KR 10 2011 029 666 A describes a multi-stage non-linear amplifier arrangement for maximizing pump power utilization. In this case, the pump beam is used repeatedly.

Die Druckschrift DE 41 11835 A1 beschreibt Ramanlaser-Anordnungen aus einem Pumplaser, einem Ramanmedium, das durch den Pumplaser angeregt wird, zwei Fokussierungslinsen , einem Auskopplungselement, das zwischen dem Lasermedium und Ramanmedium angeordnet ist, und einem weiteren hochreflektierenden Endspiegel für den Pumpstrahl und den Ramanstrahl.The pamphlet DE 41 11835 A1 describes Raman laser arrangements consisting of a pump laser, a Raman medium that is excited by the pump laser, two focusing lenses, a decoupling element that is arranged between the laser medium and the Raman medium, and another highly reflective end mirror for the pump beam and the Raman beam.

Laserstrahlen werden durch angeregtes Verstärkungsmedium generiert. Die Wellenlänge der Laserstrahlen werden durch die möglichen Übergänge bestimmt und sind in meisten Fällen diskret, wie z. B. 1064nm bei meisten mit Nd dotierten Lasern und 1030nm bei meisten mit Yb dotierten Lasern. Auf anderer Seite ist die Wechselwirkung von Laserstrahlen und Materialien wie die Absorption abhängig von der Wellenlänge der Laserstrahlen. Eine steuerbare und effiziente Wechselwirkung setzt eine passende Wellenlänge voraus. Um dem gerecht zu werden, wird die Wellenlänge der Laserstrahlen durch nichtlineare Prozesse wie Raman-Streuung, Brillouin-Streuung, Up-Konversion, optische parametrische Prozesse (optische parametrische Erzeuger, Verstärker, Oszillator) etc. verändert bzw. angepasst.Laser beams are generated by excited gain medium. The wavelength of the laser beams are determined by the possible transitions and are in most cases discrete, e.g. B. 1064nm for most Nd-doped lasers and 1030nm for most Yb-doped lasers. On the other hand, the interaction of laser beams and materials such as absorption depends on the wavelength of the laser beam. A controllable and efficient interaction requires a suitable wavelength. In order to do justice to this, the wavelength of the laser beams is changed or adjusted by non-linear processes such as Raman scattering, Brillouin scattering, up-conversion, optical parametric processes (optical parametric generators, amplifiers, oscillators), etc.

Unter Verwendung des Raman-Prozesses in einem KGW Kristall kann z. B. die Wellenlänge von 559nm durch Pumpen mit 532nm generiert werden. Die Wellenlänge 532nm und die durch Raman-Prozess generierte Wellenlänge 559nm liegen sehr nah beieinander. Noch enger liegen die Pumpwellenlänge und die durch Brillouin-Streuung-Prozess generierte Wellenlänge beieinander. Zur Trennung der durch nichtlineare Prozesse wie Raman-Streuung und Brillouin-Streuung erzeugten Wellenlängen von der Pumpwellenlänge werden dichroitische Optiken verwendet. Die dichroitischen Optiken weisen unterschiedliche Reflexion bzw. Transmission für unterschiedliche Wellenlängen auf. Allerdings ist die Beschichtung der Optiken sehr komplex und aufwendig, wenn die zu trennenden Wellenlängen eng beieinander sind. Auch das erzielbare Trennungsverhältnis limitiert.Using the Raman process in a KGW crystal z. B. the wavelength of 559nm can be generated by pumping with 532nm. The 532nm wavelength and the 559nm wavelength generated by the Raman process are very close to each other. The pump wavelength and the wavelength generated by the Brillouin scattering process are even closer together. Dichroic optics are used to separate the wavelengths generated by nonlinear processes such as Raman scattering and Brillouin scattering from the pump wavelength. The dichroic optics have different reflection or transmission for different wavelengths. However, the coating of the optics is very complex and expensive if the wavelengths to be separated are close together. The achievable separation ratio is also limited.

Um das Problem zu vermeiden, werden in dieser vorliegenden Anmeldung nichtlineare Verstärker angegeben, bei denen die Trennung der durch nichtlineare Prozesse erzeugte Wellenlängen von der Pumpwellenlänge unter Verwendung von mindestens einem polarisierenden Element erfolgt.In order to avoid the problem, non-linear amplifiers are specified in this present application, in which the wavelengths generated by non-linear processes are separated from the pump wavelength using at least one polarizing element.

Wie in dargestellt, besteht konventionell ein nichtlinearer Verstärker aus einer Pumpstrahlquelle (11), eine Strahlformungsoptik (12), einem nichtlinearen Medium (41) und einem dichroitischen Strahlteiler (54). Zur Erhöhung der Konversionseffizienz wird ein nichtlinearer Oszillator gebildet. Ein Beispiel von nichtlinearen Oszillatoren ist in dargestellt. Dabei wird die Pumpstrahl durch einen dichroitischen Umlenkspiegel (54) in den Oszillator eingekoppelt. Der nichtlineare Oszillator wird durch die Spiegel (53), (34) und den Umlenkspiegel (54) gebildet. Wenn jedoch die durch den nichtlinearen Prozess erzeugte Wellenlänge (91) sehr nah an der Pumpwellenlänge (16) liegt so wird es sehr aufwendig einen solchen dichroitischen Umlenkspiegel zu beschichten und somit sehr teuer. Darüber hinaus treten hohe Verluste bei dem dichroitischen Umlenkspiegel auf.As in As shown, a conventional non-linear amplifier consists of a pump beam source (11), beam shaping optics (12), a non-linear medium (41) and a dichroic beam splitter (54). A non-linear oscillator is formed to increase the conversion efficiency. An example of nonlinear oscillators is in shown. The pump beam is coupled into the oscillator by a dichroic deflection mirror (54). The non-linear oscillator is formed by the mirrors (53), (34) and the deflection mirror (54). However, if the wavelength (91) generated by the non-linear process is very close to the pump wavelength (16), it becomes very complex to coat such a dichroic deflection mirror and therefore very expensive. In addition, high losses occur in the dichroic deflection mirror.

Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mindestens ein polarisierendes Element zur Trennung der durch einen nichtlinearen erzeugten Prozess erzeugten Wellenlängen von der Pumpwellenlänge verwendet wird.The core idea of the present invention is that at least one polarizing element is used to separate the wavelengths generated by a non-linear generated process from the pump wavelength.

Ein derartiger nichtlinearer Verstärker zeigt . Hierbei gilt die Tatsache, dass der Pumpstahl linear polarisiert ist und die durch nichtlinearen Prozess erzeugte Welle eine senkrechte Polarisation zum Pumpstrahl steht. Zur Trennung des erzeugten Strahls (91) von dem Pumpstrahl (16) wird ein polarisierendes Element (43) verwendet. Ein polarisierendes Element kann ein Dünnschichtpolarisator oder ein doppelbrechendes Medium, wie ein doppelbrechender Kristall sein. Speziell in dem dargestellten Fall ein Strahlversetzer aus einem doppelbrechenden Kristall verwendet wird. Hinter dem Strahlversetzer (43) werden der erzeugte Strahl (91) und der Pumpstrahl (16) räumlich getrennt.Such a non-linear amplifier shows . The fact applies here that the pump beam is linearly polarized and that caused by non-linear pro process generated wave has a perpendicular polarization to the pump beam. A polarizing element (43) is used to separate the generated beam (91) from the pump beam (16). A polarizing element can be a thin film polarizer or a birefringent medium such as a birefringent crystal. Specifically, in the case shown, a beam displacer made of a birefringent crystal is used. Behind the beam displacer (43), the generated beam (91) and the pump beam (16) are spatially separated.

Für den Fall, dass der erzeugte Strahl die gleiche Polarisation von dem Pumpstrahl aufweist, kann ein polarisationsänderndes Element (33) verwendet wird (vgl. ). Ein polarisationsänderndes Element kann eine Verzögerungsplatte sein. Die Verzögerungsplatte wird dabei so ausgelegt, dass sie nur die Polarisation von dem Pumpstrahl um 90grad dreht, während die Polarisation von dem erzeugten Strahl unverändert bleibt oder dass sie nur die Polarisation von dem erzeugten um 90 Grad dreht, während die Polarisation von dem Pumpstrahl unverändert bleibt. Damit weisen der Pumpstrahl und der erzeugte Strahl nach der Verzögerungsplatte senkrecht zueinander stehende Polarisationen auf. Somit kann der erzeugte Strahl (91) von dem Pumpstrahl (16) separiert werden.If the generated beam has the same polarization as the pump beam, a polarization-changing element (33) can be used (cf. ). A polarization-changing element can be a retardation plate. The retardation plate is designed in such a way that it only rotates the polarization of the pump beam by 90 degrees, while the polarization of the generated beam remains unchanged, or that it only rotates the polarization of the generated beam by 90 degrees, while the polarization of the pump beam remains unchanged . The pump beam and the generated beam thus have polarizations perpendicular to one another after the delay plate. The generated beam (91) can thus be separated from the pump beam (16).

und zeigen einen nichtlinearen Oszillator gemäß dieser vorliegenden Erfindung. Dabei stellt die den Strahlverlauf des Pumpstrahls (16) und die den Strahlverlauf des durch den nichtlinearen Prozess erzeugten Strahls (91) dar. Der nichtlineare Oszillator für den erzeugten Strahl (91) besteht aus einem Dünnschichtpolarisator (32), einem Endspiegel (34) und einem Auskoppelspiegel (31). In dem dargestellten Fall hat der Pumpstrahl die p-Polarisation in Bezug auf den Polarisator und wird durch den Polarisator in den nichtlinearen Oszillator eingekoppelt. Der erzeugte Strahl hat eine s-Polarisation und wird deshalb vom Polarisator (32) reflektiert. Damit oszilliert der erzeugte Strahl innerhalb des nichtlinearen Oszillators und wird dabei verstärkt. and show a non-linear oscillator according to this present invention. The the beam path of the pump beam (16) and the represents the beam path of the beam (91) generated by the non-linear process. The non-linear oscillator for the generated beam (91) consists of a thin-film polarizer (32), an end mirror (34) and an output mirror (31). In the illustrated case, the pump beam has p-polarization with respect to the polarizer and is coupled into the non-linear oscillator through the polarizer. The generated beam has an s-polarization and is therefore reflected by the polarizer (32). The generated beam thus oscillates within the non-linear oscillator and is amplified in the process.

Für den Fall, dass der durch den nichtlinearen Prozess erzeugte Strahl die gleiche Polarisation hat wie die des Pumpstrahls, wird ein polarisationsänderndes Element (33) innerhalb des nichtlinearen Oszillators angeordnet, wie es in und dargestellt ist. Das polarisationsändernde Element wird so beschaffen, dass die Polarisation des erzeugten Strahls um 90° gedreht wird während die Polarisation des Pumpstrahls im wesentlich unverändert bleibt. Damit ergibt sich für den Pumpstrahl der Strahlverlauf, wie es in der dargestellt ist. Der Verlauf des erzeugten Strahls zeigt .In case the beam generated by the non-linear process has the same polarization as that of the pump beam, a polarization-changing element (33) is placed inside the non-linear oscillator as shown in FIG and is shown. The polarization-changing element is arranged such that the polarization of the generated beam is rotated through 90° while the polarization of the pump beam remains essentially unchanged. This results in the beam path for the pump beam, as shown in FIG is shown. The course of the generated beam shows .

Bei nichtlinearen Prozessen wie Raman-Streuung und Brillouin-Streuung sind Kettenprozesse möglich. Das heißt, dass der erzeugte Strahl wiederrum als Pumpstrahl wirkt und damit Strahlen mit neuen anderen Wellenlängen generiert. Damit wird es möglich, Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, die dem jeweiligen nichtlinearen Prozess unterschiedlicher Ordnung entsprechen. Zum Beispiel: beim 532nm gepumpten KGW Raman-Oszillator ist die Wellenlänge erster Ordnung 559nm und die Wellenlänge der zweiten Ordnung 589nm. Wenn nur die Wellenlänge 559nm gewünscht ist, muss die Oszillation bei der Wellenlänge 589nm vermieden bzw. unterdrückt werden.Chain processes are possible in non-linear processes such as Raman scattering and Brillouin scattering. This means that the generated beam in turn acts as a pump beam and thus generates beams with new, different wavelengths. This makes it possible to use beams with different wavelengths, which correspond to the respective non-linear process of different orders. For example: for the 532nm pumped KGW Raman oscillator, the first order wavelength is 559nm and the second order wavelength is 589nm. If only the 559nm wavelength is desired, the oscillation at the 589nm wavelength must be avoided or suppressed.

Wie , und zeigen, kann dies geschehen, indem z.B. ein polarisationsänderndes Element (37) wie z. B. eine Verzögerungsplatte, das den die Polarisation des Pumpstrahls und der, die durch nichtlinearen Prozesse erzeugt werden und unerwünscht sind, so beeinflusst, dass ihre Polarisation senkrecht zu der des erwünschten Strahls steht. Damit wird die Oszillation der unerwünschten Strahlen unterbunden. Eine konkrete Funktionsweise wird anhand eines 532nm gepumpten Raman-Oszillators mit einem KGW-Kristall erläutert. Bei diesem Raman-Oszillator ist die Wellenlänge der 1. Raman-Streuung 559nm und der 2. Raman-Streuung 589nm. Die Strahlen bei 559nm und 589nm haben die gleiche Polarisation. Wenn nur 559nm erwünscht ist, wird die Verzögerungsplatte (37) so beschaffen, dass sie sowohl die Polarisation des Pumpstrahls als auch des erzeugten Strahls der 2. Raman-Streuung mit einer Wellenlänge 589nm um 90° dreht. Damit werden die beiden Strahlen aus dem Oszillator durch den Dünnschichtpolarisator ausgekoppelt. Damit wird die Oszillation bei 589nm unterbunden.How , and show, this can be done by, for example, a polarization-changing element (37) such. B. a retardation plate, which affects the polarization of the pump beam and that produced by non-linear processes and which are undesired, so that their polarization is perpendicular to that of the desired beam. This stops the unwanted beams from oscillating. A specific mode of operation is explained using a 532nm pumped Raman oscillator with a KGW crystal. In this Raman oscillator, the wavelength of the 1st Raman scattering is 559nm and the 2nd Raman scattering is 589nm. The rays at 559nm and 589nm have the same polarization. If only 559nm is desired, the retardation plate (37) is arranged to rotate both the polarization of the pump beam and the generated 2nd Raman scatter beam of wavelength 589nm by 90°. The two beams from the oscillator are thus coupled out through the thin-film polarizer. This suppresses the oscillation at 589nm.

, und zeigt jeweils den Strahlverlauf des Pumpstrahls, des unerwünschten Strahls (51), z.B. 589nm und des erwünschten Strahls (91) wie z. B. bei 559nm von dem oben erläuterten Raman-Oszillator. , and shows the beam path of the pump beam, the unwanted beam (51), eg 589 nm and the desired beam (91) such as. B. at 559nm from the Raman oscillator discussed above.

, und zeigen die Strahlverläufe von einer weiteren Ausführung eines nichtlinearen Oszillators. Dabei wird ein Strahlversetzer anstelle eines Dünnschichtpolarisators verwendet. Desweiteren auch können andere polarisierende Elemente wie z. B. ein doppelbrechendes Prisma oder ein Polarisator mit doppelbrechendem Medium oder Kristall zur Trennung der Strahlen verwendet werden. , and show the beam traces from another embodiment of a nonlinear oscillator. In this case, a beam displacer is used instead of a thin-film polarizer. Furthermore, other polarizing elements such. B. a birefringent prism or a polarizer with birefringent medium or crystal can be used to separate the beams.

Zur erhöhten Unterdrückung der unerwünschten Oszillation können mehr als eine Kombination von polarisierenden Elementen (43) und polarisationsändernden Elementen (37, 38) in Serie verwendet werden. Eine derartige Ausführung zeigt die , und . Mit diesem Aufbau wird die Anforderung an und die Komplexität von z. B. der Verzögerungsplatte reduziert.More than one combination of polarizing elements (43) and polarization changing elements (37, 38) can be used in series for increased suppression of the unwanted oscillation. Such an embodiment shows the , and . With this structure, the requirement and the complexity of z. B. the delay plate is reduced.

Eine vorteilhafte Ausführung von nichtlinearen Oszillatoren ergibt sich, wenn der Pumpstrahl und der zu erzeugende Strahl innerhalb eines gemeinsamen Oszillators integriert wird. Der Pumpstrahl wird von dem Lasermedium (19) emittiert. , und zeigen jeweils den Strahlverlauf des Pumpstrahls, des zu erzeugenden Strahls (91) und der unerwünschten Strahlen (51).An advantageous embodiment of non-linear oscillators results when the pump beam and the beam to be generated are integrated within a common oscillator. The pump beam is emitted from the laser medium (19). , and each show the beam path of the pump beam, the beam to be generated (91) and the unwanted beam (51).

Claims

Non-linear Raman oscillator consisting of a pump beam source (11), beam shaping optics (12), a non-linear medium (41), an end mirror (34), an outcoupling game (31), wherein for separating the beam generated by a Raman scattering process (91) with a changed wavelength of the pump beam (16), at least one polarizing element is used, characterized in that a polarization-changing element (33, 37, 38) is used to adjust the polarization of the pump beam and the generated beam, wherein as the polarization-changing element, a retardation plate is used, the retardation plate being designed such that after the retardation plate the polarization of the beam (91) generated as desired is perpendicular to the polarization of the pump beam (16) and to the polarization of the undesired beams.

Nonlinear Raman oscillator after the claim 1 , characterized in that the polarizing element (43) is a beam displacer made of a birefringent crystal, after the beam displacer the pump beam and the beam (91) generated by the Raman scattering process are spatially separated.

Nonlinear Raman oscillator after the claim 1 or 2 , characterized in that the polarizing element (43) is a thin-film polarizer.

Non-linear Raman oscillator according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that several combinations of polarizing elements and polarization changing elements are arranged in series with respect to the beam propagation direction.