DE69519714T2

DE69519714T2 - Laser zur Umwandlung optischer Wellenlängen mit nichttlinearem optischem Kristall für Phasenanpassung vom Typ I

Info

Publication number: DE69519714T2
Application number: DE69519714T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Hyuga
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1995-06-13
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2015-06-14
Also published as: EP0712184B1; EP0712184A3; EP0712184A2; JPH08116121A; US5696781A; DE69519714D1; JP3614474B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Festkörperlaser unter Verwendung eines Nd:YVO&sub4;-Kristalls als Lasermedium und insbesondere einen Festkörperlaser, der eine Wellenlängenumwandlungsfunktion besitzt und eine Einfach-Longitudinalmode erzeugen kann.

Beschreibung des Standes der Technik

Es gibt einen Festkörperlaser, bei dem ein Festkörperlaserkristall, der mit Neodym (Nd) dotiert ist, mit einem Laserstrahl gepumpt wird, der aus einem Halbleiterlaser oder dergleichen austritt. Bei diesem Typ Festkörperlaser ist es, um einen Laserstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge zu erzeugen, verbreitete Praxis, die Wellenlänge eines Festkörperlaserstrahls in eine zweite Harmonische umzuwandeln, indem ein nicht lineares optisches Material in einem Resonator in dem Festkörperlaser angeordnet wird.
Ähnlich wie bei anderen Typen von Lasersystemen besteht auch bei dem erwähnten Wellenlängenumwandlungslaser ein Bedarf nach Schwingung in einer Longitudinalmode, um Ausgangsschwankungen zu unterdrücken, die aus widerstreitenden Longitudinalmoden resultieren. Um diese Anforderung zu erfüllen, ist bereits ein Versuch unternommen worden, einen Nd:YVO&sub4; (einen YVO&sub4;-Kristall, das mit Nd dotiert ist), das die Ausführung von Schwingung in einer einzelnen Longitudinalmode ermöglicht, bei einem Festkörperlasermedium einzusetzen.
Selbst wenn jedoch ein derartiger Nd:YVO&sub4;-Kristall bei dem Festkörperlaser eingesetzt wird, liegt auf der Hand, dass der Festkörperlaser dazu neigt, Schwingung in mehreren Longitudinalmoden zu erzeugen. Es ist, wie beispielsweise in Abstracts of Spring Meeting 1993; the Japan Society of Applied Physics and Related Societies, S. 31, Z-4 offenbart, ein Wellenlängenumwandlungslaser vorgeschlagen worden, mit dem die Erzeu gung einer Einfach-Longitudinalmode in größerem Maße mittels eines Etalons gewährleistet werden soll, das zusammen mit einem KTP-Kristall, bei dem es sich um einen nicht linearen optischen Kristall handelt, in einem Resonator angeordnet wird.
Jedoch kann, selbst wenn der Etalon auf diese Weise eingesetzt wird, wenn die Temperatur des Resonators in dem Laser sich ändert, Schwingung in einer Mehrfach- Longitudinalmode entstehen.
US-A-5 253 102 offenbart einen Wellenlängenumwandlungslaser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung wird angesichts des erwähnten Nachteils nach dem Stand der Technik gemacht, und das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Wellenlängenumwandlungslaser zu schaffen, mit dem eine Einfach- Longitudinalmode erzeugt werden kann, indem ein Schwingungsmodus stabilisiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel mit einem Wellenlängenumwandlungslaser erreicht, der einen mit Neodym (Nd) dotierten YVO&sub4;-Kristall, der mit Licht gepumpt wird, einen nicht linearen optischen Kristall, der in einem Resonator angeordnet ist, um die Wellenlänge eines Festkörperlaserstrahls umzuwandeln, der von dem YVO&sub4;- Kristall emittiert wird, sowie einen Etalon enthält, der in dem Resonator angeordnet ist, um die Schwingungsmode des Festkörperlaserstrahls zu einer Einfach-Longitudinalmode zu verändern, wobei der Wellenlängenumwandlungslaser einen Kristall umfasst, der Phasenanpassung vom Typ 1 bewirkt und als der nicht lineare optische Kristall eingesetzt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung weist der nicht lineare optische Kristall periodische Bereichsumkehrungen auf.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem nicht linearen optischen Kristall, der die periodischen Bereichsumkehrungen aufweist, um einen MgO:LiNbO&sub3;-Kristall.
Als Ergebnis der Untersuchungen, die die Erfinder der vorliegenden Erfindung angestellt haben, hat sich herausgestellt, dass ein herkömmlicher Laser unter Verwendung des erwähnten KTP und des Etalons dazu neigt, eine Mehrfach-Longitudinalmode zu erzeugen. Dies wird auf die folgenden Gründe zurückgeführt. Bei dem KTP-Kristall handelt es sich um einen nicht linearen optischen Kristall, der Phasenanpassung vom Typ II bewirkt, und der KTP-Kristall sowie der Nd:YVO&sub4;-Kristall sind so angeordnet, dass Azimuthwinkel der Kristalle in einem Winkel von 45º zueinander geneigt sind. Bei dieser Anordnung ändert sich, wenn sich die Temperatur eines Resonators einschließlich der Temperatur des KTP-Kristalls ändert, auch eine Eigen-Polarisationsmode des Resonators, und σ-Polarisationsschwingung tritt zusätzlich zu π-Polarisationsschwingung auf. Dadurch wird der Laser in eine Mehrfach-Longitudinalmode versetzt.
Im Gegensatz dazu sind, wenn bei dem Laser ein Kristall, der Phasenanpassung vom Typ I ausführt, als der nicht lineare optische Kristall auf die gleiche Weise wie bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, der nicht lineare optische Kristall und der Nd:YVO&sub4;-Kristall so angeordnet, dass Azimuthe dieser Kristalle im Wesentlichen aneinander angepasst sind. Bei einem derartigen Aufbau bewirkt ein Festkörpertaserstrahl, der als eine Grundwelle dient, π-Polarisationsschwingung aufgrund der Anisotropie des Nd:YVO&sub4;-Kristalls (eine Differenz zwischen π-Polarisation und σ-Polarisation). Selbst wenn sich die Temperatur des Resonators ändert, bleibt eine Eigen-Polarisationsmode des Lasers unverändert. Daher wird π-Polarisationsschwingung konstant aufrecht erhalten, und auch ein Laserstrahl wird in einer Einfach-Longitudinalmode gehalten.
Bei dem Wellenlängenumwandlungslaser der vorliegenden Erfindung werden Effekte, die aus der Herstellung einer stabilen Einzel-Longitudinalmode resultieren, auf die erwähnte Weise erzielt. Ein zulässiger Fehler bei der Regulierung der Temperatur des Resonators ist größer und es steht eine relativ einfache und kostengünstige Temperatursteuereinrichtung zur Verfügung. Des Weiteren führt die Zunahme der zulässigen Toleranz bei der Regulierung der Temperatur des Resonators dazu, dass sich die Lebensdauer des Wellenlängenumwandlungslasers im Vergleich zu einem herkömmlichen Wellenumwandlungslaser verbessert. Es wird möglich, Schwingung in einer Einzel- Longitudinalmode über einen langen Zeitraum zu erzeugen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht, die einen Wellenlängenumwandlungslaser in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht, die die Grundelemente des in Fig. 1 dargestellten Wellenlängenumwandlungslasers zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird im Folgenden eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt einen laserdiodengepumpten Festkörperlaser in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Dieser laserdiodengepumpte Festkörperlaser besteht aus einem Halbleiterlaser 11, der einen Laserstrahl als Pumpstrahl emittiert, einer Kollimationslinse 12, die beispielsweise aus einer Brechungsindexlinse besteht, die den Laserstrahl 10 bündelt, bei dem es sich um divergentes Licht handelt, einem VYO&sub4;-Kristall (Nd:YVO&sub4;-Kristall), bei dem es sich um ein Festkörperlasermedium handelt, das mit Neodym (Nd) dotiert ist, sowie einen Resonatorspiegel 14, der an der Vorderseite des Nd:YVO&sub4;-Kristalls 13 (d. h. in der Zeichnung auf der rechten Seite) angeordnet ist.
Ein MgO:LiNbO&sub3; (LiNbO&sub3; mit MgO dotiert)-Kristall 15, bei dem es sich um einen nicht linearen optischen Kristall mit periodischen Bereichsumkehrungen handelt, und ein Etalon 16 sind zwischen dem Resonatorspiegel 14 und dem Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 angeordnet.
Die oben erwähnten Elemente 13 bis 16 sind stationär in einem Gehäuse 20 aufgenommen, das beispielsweise aus Kupfer besteht, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein Peltier-Element 21 ist als Temperatursteuerelement in einem Bereich des Gehäuses 20 nahe an dem Festkörperlaserresonator (der aus dem Resonatorspiegel 14 und dem Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 besteht, wie dies weiter unten beschrieben ist) vorhanden. Ein Temperatursensor 22 ist ebenfalls in dem Gehäuse 20 aufgenommen und misst eine Temperatur in dem Resonator. Die Betätigung des Peltier-Elementes 21 wird durch eine Temperatursteuerschaltung 23 gesteuert, die einen Ausgang von dem Temperatur sensor 22 empfängt, so dass die Temperatur im Inneren des Resonators auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird. Die Temperatur des Halbleiterlasers 11 wird ebenfalls mittels einer Temperatursteuereinrichtung (nicht dargestellt) auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten.
Ein Halbleiterlaser, der den Laserstrahl 10 mit einer Wellenlänge von 808 nm emittiert, wird als der Halbleiterlaser 11 eingesetzt. Der Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 hat eine Nd-Konzentration von 1 mol% und ist so angeordnet, dass die c-Achse des Kristalls 13 mit der Richtung der linearen Polarisation des Laserstrahls 10 fluchtend ist. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Absorptionsvermögen des Laserstrahls 10 größer wird als in dem Fall, in dem die a-Achse des Kristalls 13 mit der Richtung der linearen Polarisation des Laserstrahls 10 fluchtend ist.
Der MgO:LiNbO&sub3;-Kristall 15 hingegen weist eine MgO-Konzentration von 5 mol% auf, und ein Abstand der Bereichsumkehrungen 15a, die sich in einer Ebene erstrecken, die die c-Achse des Kristalls 15 einschließt, ist auf 6,95 um eingestellt. Die Abschlussflächen des Kristalls 15, durch die Licht hindurchtritt, messen 2 · 0,5 mm, und der Kristall 15 hat eine Dicke von 2 mm. Der MgO:LiNbO&sub3;-Kristall 15 ist so angeordnet, dass der Nd:YVO&sub3;-Kristall 13 auf die c-Achse ausgerichtet ist.
Neodym-Ionen in dem Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 werden von dem eintretenden Laserstrahl 10 angeregt, und ein Laserstrahl 18 mit einer Wellenlänge von 1064 nm wird emittiert. Dieser Laserstrahl 18 resoniert zwischen einer Abschlussfläche 13a des Nd:YVO&sub4;-Kristalls 13 und einer Spiegelfläche 14a des Resonatorspiegels 14. Nachdem er mittels des MgO:NiNbO&sub3;-Kristalls 15 Phasenanpassung vom Typ I unterzogen wurde, wird der Laserstrahl 18 in eine zweite Harmonische 19 umgewandelt, die die halbe Wellenlänge aufweist, d. h. eine Wellenlänge von 532 nm.
Die hintere Abschlussfläche 13a des Nd:YVO&sub4;-Kristalls 13 ist mit einer Beschichtung überzogen, die den Laserstrahl 10 durchlässt, den Laserstrahl 18 und die zweite Harmonische 19 jedoch reflektiert. Die Spiegelfläche 14a des Resonatorspiegels 14 hingegen ist mit einer Beschichtung bedeckt, die den Laserstrahl 18 reflektiert, jedoch einen Teil der zweiten Harmonischen 19 durchlässt. Der Etalon 16 besteht beispielsweise aus einer Quarzplatte, und beide Enden desselben sind mit einer Beschichtung bedeckt, die das Licht einer Wellenlänge von 1064 nm teilweise reflektiert, Licht einer Wellenlänge von 532 nm jedoch nicht reflektiert.
Bei dieser Ausführung wird der Laserstrahl 18 durch den Effekt des Etalons 16 in eine Einfach-Longitudinalmode versetzt. Dies wiederum führt dazu, dass die zweite Harmonische 19 in eine Einfach-Longitudinalmode versetzt wird. Anschließend wird ein Teil der zweiten Harmonischen 19 von dem Resonatorspiegel 14 emittiert. Der MgO:LiNbO&sub3;- Kristall 15 und der Nd:YVO&sub4;-Kristall 13 sind so angeordnet, dass beide Kristalle auf die c-Achse ausgerichtet sind, und daher kommt es aufgrund der Anisotropie des Nd:YVO&sub4;- Kristalls 13 zu π-Polarisationsschwingung (eine Differenz der Verstärkung zwischen π-Polarisation und σ-Polarisation). Diese Eigenpolarisationsmode ändert sich auch dann nicht, wenn sich die Temperatur des Resonators verändert, und daher wird die π-Polarisationsschwingung konstant aufrecht erhalten. Aus diesem Grund wird auch der Laserstrahl in einer Einfach-Longitudinalmode gehalten.
Bei einem herkömmlichen Wellenlängenumwandlungslaser, bei dem der Nd:YVO&sub4;- Kristall als ein Festkörperlasermedium eingesetzt wird, und der einen in einem Resonator zusammen mit einem KTP-Kristall angeordneten Etalon aufweist, kommt es, wie bereits erwähnt, wenn sich die Temperatur des Resonators um 0,5ºC ändert, zu Schwingung in einer Mehrfach-Longitudinalmode, oder es kommt zu Modensprüngen. Im Unterschied dazu ist es bei der oben beschriebenen Ausführung möglich, Schwingung in einer Einfach-Longitudinalmode stabil auch dann aufrecht zu erhalten, wenn sich die Temperatur des Resonators um ungefähr 2ºC ändert. Auf diese Weise wird, aufgrund der Ausdehnung des Temperaturbereichs, innerhalb dessen Schwingung in einer Einfach-Longitudinalmode aufrecht erhalten werden kann, die Lebensdauer des Wellenlängenumwandlungslasers im Vergleich zu einem herkömmlichen Wellenumwandlungslaser erheblich verbessert. Darüber hinaus wird es möglich, Schwingung in einer Einfach- Longitudinalmode über 1000 Stunden aufrecht zu erhalten.
Der nicht lineare optische Kristall, der Phasenanpassung vom Typ I bewirkt, ist nicht auf den oben beschriebenen MgO:LiNbO&sub3;-Kristall 15 beschränkt, der periodische Bereichsumkehrungen aufweist. Andere MgO:LiNbO&sub3;-Kristalle ohne die periodischen Bereichsumkehrungen und andere Kristalle, wie beispielsweise LiTaO&sub3;, KNbO&sub3;, β-BBO, LBO, Ba&sub2;NaNb&sub5;O&sub1;&sub5;, können ebenfalls eingesetzt werden.
Wenn Kristalle, die periodische Bereichsumkehrungen aufweisen, als der nicht lineare optische Kristall eingesetzt werden, der Phasenanpassung vom Typ I bewirkt, können rieben dem oben erwähnten MgO:LiNbO&sub3;-Kristall ein LiNbO&sub3;-Kristall, ein LiTaO&sub3;-Kristall oder ein KTP-Kristall, die jeweils periodische Bereichsumkehrungen aufweisen, ebenfalls eingesetzt werden. Neben den oben aufgeführten Kristallen kann auch ein nicht linearer optischer Kristall, der periodische Modulation eines Brechungsindex aufweist, eingesetzt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine veranschaulichende Ausführung beschrieben wurde, ist diese Beschreibung nicht als einschränkend zu verstehen. Verschiedene Abwandlungen der veranschaulichenden Ausführung sowie andere Ausführungen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der vorliegenden Beschreibung. Es ist daher vorgesehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen bzw. Ausführungen abdecken, die in den tatsächlichen Schutzumfang der Erfindung fallen, wie er von den Ansprüchen definiert wird.

Claims

1. Wellenlängenumwandlungslaser, der umfasst:

einen YVO&sub4;-Kristall, der mit Neodym (13) dotiert ist und mit Licht gepumpt wird,

einen nicht linearen optischen Kristall (15), der in einem Resonator angeordnet ist und die Wellenlänge eines Festkörperlaserstrahls (10) umwandelt, der von dem YVO&sub4;-Kristall (13) emittiert wird, und

wobei ein Kristall, der Phasenanpassung vom Typ I ausführt, als der nicht lineare optische Kristall (15) eingesetzt wird,

gekennzeichnet durch:

einen Etalon (16), der in dem Resonator angeordnet ist, um die Schwingungsmode des Festkörperlaserstrahls zu einer Einfach-Longitudinalmode zu verändern.

2. Wellenlängenumwandlungslaser nach Anspruch 1, wobei der nicht lineare optische Kristall (15) periodische Bereichsumkehrungen aufweist.

3. Wellenlängenumwandlungslaser nach Anspruch 2, wobei der nicht lineare optische Kristall, der die periodischen Bereichsumkehrungen aufweist, ein mit MgO dotierter LiNbO&sub3;-Kristall ist.