DE19836712A1 - Frequenzverdoppelter, diodengepumpter Festkörperlaser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen frequenzverdoppelten Festkörperlaser, welcher einen dem Laserkristall 5 nachgeordneten, nach Typ II frequenzverdoppelnden, intracavity angeordneten, nicht linearen Kristall 6 und ein optisches Element 7 innerhalb der Kavität umfaßt, welches dem besagten Kristall 6 vor- oder nachgeordnet ist und die Polarisationsrichtung eines jeden der entlang der Kristallachsen des Kristalls 6 ausgesandten und linear polarisierten Anteils des Lichtes der Grundwellenlänge bei doppeltem Durchgang durch das optische Element 7 um 45 DEG dreht. Das optische Element ist eine lambda/8-Platte 7, welche vorzugsweise aus Quarz besteht und welche so innerhalb der Laserkavität angeordnet ist, daß die Hauptachsen der Platte 7 mit den Kristallachsen des nichtlinearen Kristalls 6 einen Winkel von 45 DEG einschließen.

Description

Die Erfindung betrifft einen frequenzverdoppelten, diodengepumpten Festkörperlaser mit stabilisierter Ausgangsleistung, insbesondere für Anwendungen in der Augenheilkunde.

Aus "OPTICS LETTERS", October 1988, Vol. 13, No. 10, Seiten 805 bis 807, ist ein diodengepumpter Nd:YAG Laser vom Typ II mit stabilisiertem Ausgang beschrieben, welcher als frequenzverdoppelndes Element einen Typ II phasenangepaßten, nichtlinearen Kristall aus Kaliumtitanylphosphat (KTP) besitzt, bei welchem zur Frequenzverdoppelung zwei Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen notwendig sind.

Im Falle einer solchen Typ II-Frequenzverdopplung der Ausgangsstrahlung kann nicht mit einer polarisierten Grundwellenlänge gearbeitet werden, da die betreffenden frequenzverdoppelnden Kristalle, wie z. B. KTP, Anteile in zwei Polarisationsrichtungen benötigen. Es sind dieses ein ordentlicher und ein außerordentlicher Strahl. Ohne ein polarisierendes Element wird in diesem Falle nur eine instabile Ausgangsleistung erreicht. Diese Instabilität, welche durch die Kopplung der Polarisationsmoden der Grundwelle bewirkt wird, kann wirkungsvoll durch Einführung einer Lambda-Viertel-Platte (λ/4-Platte oder quarter-wave plate QWP) innerhalb der Kavität des Lasers unterdrückt werden. Um diesem sogenannten "green problem" zu begegnen und eine Entkopplung der Polarisationsmoden und eine Stabilisierung zu bewirken, wird üblicherweise die genannte QWP für die Grundwellenlänge verwendet, deren Achsen im Winkel von 45° zu den Kristallachsen des verdoppelnden Kristalls gestellt sind. Nach Oka und Kubota wird hierbei eine Entkopplung von Polarisationsmoden und damit eine Stabilisierung bewirkt. Die theoretische Begründung setzt dabei voraus, daß es Polarisations- Eigenzustände im Resonator gibt, das heißt, daß der Polarisationszustand des Lichtes nach einem Resonatorumlauf (Durchlauf des Lichtes) erhalten bleiben muß.

So ist es die Aufgabe der Erfindung, einen frequenzverdopplenden, diodengepumpten Festkörperlaser zu schaffen, bei welchem durch Beeinflussung der resonatorinternen Polarisationsmoden mit Hilfe eines geeigneten optischen Elementes neben einer Stabilisierung auch eine Erhöhung der Ausgangsleistung erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe der Erfindung bei einem derartigen Festkörperlaser nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches mit den im kennzeichnenden Teil angegebenen Mitteln gelöst. In den übrigen Ansprüchen sind weitere Ausführungen der Erfindung und Einzelheiten derselben beschrieben.

So ist es vorteilhaft, wenn daß das optische Element eine Lambda-Achtel-Platte (λ/8- Platte) ist, die vorzugsweise aus Quarz hergestellt ist. Dabei ist die λ/8-Platte so im Laserstrahlengang angeordnet, daß deren Hauptachsen mit den Kristallachsen des nichtlinearen Kristalls einen Winkel von 45° einschließen. Der nicht lineare, frequenzverdoppelnde Kristall, vorzugsweise KTP, bewirkt aufgrund seiner doppelbrechenden Eigenschaften eine Aufspaltung der Polarisationsmoden der Grundwellenlänge in zu den Kristallachsen linearen Anteilen. Durch den Einsatz des so geschaffenen und angeordneten, optischen Elementes wird erreicht, daß jeder dieser Anteile nach zweimaligem Durchgang durch das optische Element in seiner Polarisationsrichtung um 45° gedreht wird. Damit stehen dem frequenzverdoppelnden KTP-Kristall wieder beide Polarisationsanteile in gleicher Größe zur Verfügung, wodurch eine optimale Frequenzverdopplung ermöglicht wird.

Eine Möglichkeit, in das optische Element weitere Funktionen zu integrieren, besteht u. a. darin, daß durch eine entsprechende Verspiegelung an optisch wirksamen Flächen dieses Elementes die in Richtung dieses Elementes emittierte Strahlung in Richtung des Auskoppelspiegels zurückgeworfen wird und der direkt austretenden frequenzverdoppelten Strahlung überlagert wird. Somit wird wirksam eine Steigerung der Leistung des Lasers erreicht. Bei richtiger Stellung der λ/8-Platte, d. h. wenn die Hauptachsen mit den Kristallachsen einen Winkel von 45° bilden, wird jeder Polarisationsanteil der Grundwellenlänge entlang der Kristallachsen, nachdem er die Platte zweimal durchlaufen hat, um 45° gedreht. Jeder dieser nun im 45°-Winkel zu den Kristallachsen wieder auf den Kristall treffenden Anteile wird durch die doppelbrechende Eigenschaft des Kristalls wieder in zwei gleich große Anteile entlang der Kristallachsen zerlegt. Gerade diese Tatsache, daß der Kristall immer wieder gleich große Anteile entlang seiner Kristallachsen zugeführt bekommt, ist für eine optimale Frequenzverdopplung und damit vor allem für eine Leistungssteigerung entscheidend.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn das optische Element so in seiner optisch wirksamen Dicke dimensioniert ist, daß es bezüglich der Drehung der jeweiligen Polarisationsebene für Strahlung mit der Grundwellenlänge wie eine λ/8-Platte wirkt und für die frequenzverdoppelte Strahlung eine λ/4-Platte darstellt mit ebenfalls entsprechender Drehung der Polarisationsebene. Die Polarisationsrichtung bzw. die Polarisationsebene der frequenzverdoppelten Strahlung wird dadurch um 90° gedreht.

Damit wird eine interferenzfreie Überlagerung mit dem direkten Strahl erreicht und eine Rückkonversion des frequenzverdoppelten Strahls in einen Strahl mit der Grundwellenlänge beim erneuten Durchgang des Lichtes durch den besagten Kristall verhindert.

Die λ/8-Platte ist vorteilhaft anwendbar bei einem durch Laserdioden gepumpten Festkörperlaser mit einem Typ II phasenangepaßten, nichtlinearen, frequenzverdoppelnden Kristall, wie beispielsweise KTP. Ihre Anwendung ist jedoch nicht auf einen solchen beschränkt.

Die erfindungsgemäße Anordnung der λ/8-Platte bei einem frequenzverdoppelnden, durch Laserdioden gepumpten Festkörperlaser bewirkt, daß ein konstanter und optimaler Wirkungsgrad der Frequenzkonversion erreicht wird, daß Schwankungen der Strahlung weitestgehend unterdrückt werden und daß die Ausgangsleistung der frequenzverdoppelten Strahlung erhöht wird.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung ist schematisch ein erfindungsgemäßer Festkörperlaser dargestellt.

Der in der Zeichnung schematisch dargestellte frequenzverdoppelte Festkörperlaser umfaßt in der dargestellten Reihenfolge von links nach rechts eine Pumplichtquelle 1, welche eine oder mehrere Laserdioden oder andere geeignete lichtaussendende Elemente umfaßt, eine Einkoppeloptik 2 für das Pumplicht und die Laserkavität begrenzende Reflektoren im Form eines Spiegels 3 und eines die frequenzverdoppelte Strahlung auskoppelnden Auskoppelspiegels 4, welche beispielsweise als Spiegel mit konkaven Reflexionsflächen dargestellt sind. Es sind aber durchaus auch Spiegel mit ebenen Reflexionsflächen mit entsprechender Beschichtung denkbar.

Innerhalb der Laserkavität sind ein Licht mit der Grundwellenlänge aussendender Laserkristall 5 sowie ein nichtlinearer, nach Typ II die Frequenz des Laserlichtes verdoppelnder Kristall 6 aus KTP oder einem anderen geeigneten Material, wie LiNbO₃ oder LilO₃, angeordnet. Zwischen dem Laserkristall 5, und dem nach Typ II frequenzverdoppelnden, nichtlinearen Kristall 6 ist ein vorteilhaft aus Quarz hergestelltes optisches Element, welches in seiner optischen Wirkung für die Grundwellenlänge eine λ/8-Platte 7 darstellt, innerhalb der Laserkavität angeordnet. Die λ/8-Platte 7 ist so im Laserstrahlengang innerhalb der Laserkavität angeordnet, daß deren Hauptachsen mit den Kristallachsen des nichtlinearen verdoppelnden Kristalls 6 einen Winkel von 45° einschließen, womit erreicht wird, daß dem verdoppelnden Kristall 6 zwei gleiche Leistungsanteile von Strahlen mit der Grundwellenlänge zugeleitet werden, wodurch ein nahezu konstanter und optimaler Wirkungsgrad der Frequenzkonversion, eine Unterdrückung von Schwankungen und eine Erhöhung der Ausgangsleistung der verdoppelten Strahlung erzielt werden. Sie bewirkt, daß die Polarisationsrichtung eines jeden der entlang der Kristallachsen des verdoppelnden Kristalls 6 ausgesandten und linear polarisierten Anteils des Lichtes der Grundwellenlänge bei doppeltem Durchgang durch das optische Element, die λ/8-Platte 7, um 45° gedreht wird. Die dem verdoppelnden Kristall 6 zugewandte Fläche der λ/8-Platte 7 ist mit einer, das in seiner Frequenz verdoppelte Licht reflektierenden Schicht 10 versehen. So wird bewirkt, daß das durch den Kristall 6 auch in Richtung der λ/8-Platte 7 emittierte, frequenzverdoppelte Licht in Richtung des Auskoppelspiegels 4 zurückgeworfen und der direkt austretenden verdoppelten Strahlung überlagert wird. Eine andere Möglichkeit der Strahlengestaltung und -führung innerhalb der Kavität besteht darin, die λ/8-Platte 7 so auszugestalten, daß dieses die Polarisationsebene der frequenzverdoppelten Strahlung nach einem zweimaligen Durchgang um 90° dreht, womit man eine interferenzfreie Überlagerung mit dem direkten Licht erzielt und eine Rückkonversion in die Grundwellenlänge beim erneuten Durchlaufen des Kristalls 6 verhindert.

Hierzu ist das optische Element in Form der λ/8-Platte 7 in seiner optisch wirksamen Dicke so dimensioniert, daß es bezüglich des Drehung der jeweiligen Polarisationsebene für Strahlung mit der Grundwellenlänge wie eine λ/8-Platte wirkt und für die frequenzverdoppelte Strahlung in ihrer optischen Wirkung eine λ/4-Platte darstellt.

Die Retroreflektion für die frequenzverdoppelte Strahlung kann in diesem Falle von einer entsprechenden Verspiegelung 12 auf den optischen Element 7 oder durch die Beschichtung 11 auf dem Laserkristall 5 übernommen werden. Auch bei 10 kann eine entsprechende Schicht vorgesehen sein. Auf diese Weise kann die frequenzverdoppelte Strahlung, die der Verdopplerkristall 6 in der falschen Richtung verläßt, zurückreflektiert werden, so daß auch dieser Leistungsanteil ausgenutzt werden kann.

Will man noch zusätzlich erreichen, daß diese zurückreflektierte frequenzverdoppelte Strahlung keine ungewünschten, ungünstigen Interferenzen bewirkt oder im verdoppelnden Kristall (KTP-Kristall) rückkonvertiert wird, ist es günstig, wenn die Strahlung durch die λ/8-Platte 7 in ihrer Polarisation bei einem doppelten Durchgang um 90° gedreht wird. Das wird dadurch erreicht, indem für Strahlung mit der Grundwellenlänge die Platte 7 so gestaltet ist, daß sie die Wirkung einer λ/8-Platte besitzt, jedoch für die frequenzverdoppelte Strahlung wie eine λ/4-Platte wirkt. In diesem Falle ist die Verspiegelung 12 anstelle der Beschichtung 10 an der λ/8-Platte 7 vorzusehen.

In an sich bekannter Weise ist der Spiegel 3 mit einer das Licht des Laserkristalls 5 (Licht mit der Grundfrequenz) reflektierenden, jedoch das Pumplicht durchlassenden Beschichtung 8 versehen. Der Auskoppelspiegel 4 ist dagegen mit einer das Laserlicht (Grundfrequenz) des Laserkristalls 5 reflektierenden, jedoch das durch den Kristall 6 in seiner Frequenz verdoppelte Licht durchlassenden Beschichtung 9 belegt.

Claims (7)

1. Frequenzverdoppelter Festkörperlaser, umfassend

• - einen einem Laserkristall (5) nachgeordneten, nach Typ II frequenzverdoppelnden, intracavity angeordneten, nicht linearen Kristall (6) und
• - ein optisches Element (7) innerhalb der Kavität, welches dem besagten Kristall (5) vor- oder nachgeordnet ist und die Polarisationsrichtung eines jeden der entlang der Kristallachsen des Kristalls (5) ausgesandten und linear polarisierten Anteils des Lichtes der Grundwellenlänge bei doppeltem Durchgang durch das optische Element (7) um 45° dreht.

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (7) eine λ/8-Platte (7) ist, welche vorzugsweise aus Quarz besteht.

3. Festkörperlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die λ/8-Platte (7) so innerhalb der Laserkavität angeordnet ist, daß deren Hauptachsen mit den Kristallachsen des nichtlinearen Kristalls (6) einen Winkel von 45° einschließen.

4. Festkörperlaser nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (7) für die Wellenlänge der frequenzverdoppelten Strahlung verspiegelt ist.

5. Festkörperlaser nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (7) so in seiner optisch wirksamen Dicke dimensioniert ist, daß es bezüglich des Drehung der jeweiligen Polarisationsebene für Strahlung mit der Grundwellenlänge wie eine λ/8-Platte wirkt und für die frequenzverdoppelte Strahlung eine λ/4-Platte darstellt.

6. Festkörperlaser nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (7) gleichzeitig die Polarisationsrichtung der frequenzverdoppelten Strahlung bei zweifachem Durchgang um 90° dreht.

7. Festkörperlaser nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Laserdioden gepumpter Festkörperlaser vorgesehen ist.