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WO2004066460A1 - Laserresonator und frequenzkonvertierter laser - Google Patents

Laserresonator und frequenzkonvertierter laser Download PDF

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WO2004066460A1
WO2004066460A1 PCT/EP2003/014957 EP0314957W WO2004066460A1 WO 2004066460 A1 WO2004066460 A1 WO 2004066460A1 EP 0314957 W EP0314957 W EP 0314957W WO 2004066460 A1 WO2004066460 A1 WO 2004066460A1
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laser
frequency
resonator
designed
laser resonator
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PCT/EP2003/014957
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French (fr)
Inventor
Eckhard Zanger
Manfred Salzmann
Original Assignee
Nlg - New Laser Generation Gmbh
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    • H01S3/1317—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the temperature

Definitions

  • the invention relates to a laser resonator with an amplification medium arranged therein and with a frequency-selective element arranged in the laser resonator, which element has a frequency-dependent attenuation profile.
  • Such laser resonators are used to generate a primary laser beam from which a secondary laser beam with converted frequency can be generated using an optically non-linear crystal.
  • Frequency-converted solid-state lasers are widely used, particularly in the blue and ultraviolet spectral range.
  • the nonlinear crystal can be arranged either internally, ie inside the laser resonator or externally, ie outside the laser resonator. Since with internal frequency conversion the primary laser beam inside the laser resonator is available with a much higher intensity than outside the resonator, the internal frequency conversion is, as expected, very efficient. If, on the other hand, the frequency conversion takes place outside the laser resonator, measures must be taken to achieve conversion efficiency that is sufficient for practical applications.
  • a known method for increasing the efficiency of the external frequency conversion is the resonant frequency doubling in a passive resonator (see, for example, Ashkin et al. "Resonant Optical Second Harmony Generation and Mixing", Journal of Quantum Electronics, QE-2, 1966, page 109 and M.Brieger et al. "Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator", Optics Communications 38, 1981, page 423).
  • a laser beam is coupled into a mirror and a non-linear crystal optical resonator, which is tuned to the frequency of the laser beam.
  • the resonance case results in an increase in the intensity of the laser beam in the resonator and thus an increase in the conversion efficiency in the nonlinear crystal.
  • the laser beam of a diode-pumped solid-state laser is frequency-converted both internally and externally in order to obtain a wavelength in the ultraviolet spectral range.
  • a laser beam with four times the frequency of the primary laser beam is generated from the laser beam of the internally frequency-doubled laser with a particularly large resonator length described in US5446749 with the aid of an external, resonant frequency doubler. Since it is a multi-mode laser, the resonator length of the frequency doubler must be an integral multiple of the resonator length of the laser resonator.
  • the use of two particularly large resonators leads to an unwieldy design of the device.
  • the noise level of the frequency-doubled laser beam, which is fed to the external frequency doubler is already relatively high, since only a statistical suppression of the noise takes place here.
  • the non-linear frequency doubling not only doubles the noise amplitude, but additional frequencies in the particularly disruptive range from 0 Hz to a few MHz are generated by the effect of the difference frequency formation in "mode beating", i.e. the formation of beats by forming the difference frequency of the different laser modes.
  • mode beating is explained in more detail below. It represents a noise source that is always present in multimode lasers. This phenomenon is often not registered as noise because it is either covered by the stronger noise from other noise sources or because the frequencies are outside the registered range.
  • the frequency spectrum of laser noise plays a crucial role in the usability of the laser system.
  • the laser beam is amplitude-modulated using an electro-optical modulator.
  • the modulation frequencies used can extend up to several 100 MHz. It is important for the application that the laser noise in the range of the useful frequencies is as low as possible. The laser noise outside this frequency range, on the other hand, is irrelevant.
  • a two-mode laser with a resonator length of 3 cm has a frequency spacing of the two laser modes of 5 GHz. Therefore, only this one frequency can occur in the noise spectrum, which is harmless for all previously known applications.
  • further beat frequencies are added.
  • the frequencies of longitudinal laser modes in a real laser resonator are not exactly equidistant, since the dispersion of optical elements and "mode pulling" effects of the active medium shift the frequencies. Therefore, the noise spectrum of a laser with more than two modes has several closely adjacent frequencies according to the mode spacing.
  • the technical problem underlying the present invention is to provide a laser which enables low-noise and particularly stable external frequency conversion.
  • Another technical problem on which the invention is based is the provision of a frequency-converted laser with low noise and particularly high stability.
  • a laser resonator with the features of claim 1 and a laser arrangement with the features of claim 12 are provided.
  • the dependent claims contain advantageous refinements of the laser resonator according to the invention or the laser arrangement according to the invention.
  • the present invention is based on the finding that the formation of the laser resonator is of the utmost importance for a stable intensity of the secondary laser beam. Therefore, a basic aspect of the invention is a laser resonator for generating the primary laser beam.
  • the design of the laser resonator according to the invention is further based on the following findings:
  • a laser whose gain medium (also called active medium) is significantly shorter than the resonator length and is located in the middle between the two resonator mirrors, tends to operate in two modes.
  • Two-mode operation basically means the formation of two adjacent longitudinal laser modes in the transversal basic state TEM 0 o, ie TEMooq and TEMoo q + ⁇ , where q means the number of vibration nodes of the respective mode.
  • the occurrence of higher transverse modes, for example TEM 01q is avoided by a corresponding configuration of the pump light distribution in the active medium and a favorable resonator geometry.
  • the frequencies of which are closest to the maximum gain of the active medium the population inversion and thus the gain available for further modes drops sharply.
  • the population inversion generated in the active medium by the pump beam source is very effectively called up simply by the oscillation of these two modes, i.e. converted into laser radiation, since the interaction zones of the two modes are complementary to each other.
  • the first mode has an antinode where the second has an oscillation node.
  • This complementary use of the occupation inversion by the two modes largely avoids spatial modulation of the occupation inversion (“spatial hole burning”).
  • One idea on which the present invention is based is therefore to avoid the occurrence of more than two modes in the laser resonator, since the occurrence of a single further mode with external frequency conversion leads to instabilities in the frequency-converted output power and to the “mode beating” mentioned "and thus leads to increased noise.
  • the laser resonator according to the invention therefore comprises an amplification medium arranged therein and a frequency-selective element arranged in the laser resonator, which element has a frequency-dependent attenuation profile.
  • the frequency-selective element of the attenuation profile is frequency-dependent and the laser resonator is tuned in its optical length or is designed such that an adjustable optical two-mode length of the laser resonator emits a laser beam with exactly two adjacent longitudinal laser modes of the same or approximately the same intensity can be coupled out of the laser resonator.
  • a low-noise two-mode operation is made possible with the aid of a suitable tuning of the frequency-selective element and the resonator length.
  • the length of the laser resonator is to be set according to the invention such that two adjacent longitudinal laser modes of the same or approximately the same intensity are coupled out of the laser resonator.
  • This optical length of the laser resonator is referred to as the optical two-mode length. It depends on the respective ambient temperature, the ambient air pressure and a predetermined frequency dependency of the attenuation profile of the frequency-selective element.
  • the term “optical length” takes into account the influence of the refractive index.
  • the laser resonator achieves particularly high stability with a controller provided according to the invention.
  • a controller provided according to the invention.
  • it has a first controller which is designed to control a change in the optical length of the laser resonator as a function of an input signal.
  • the first controller is designed to carry out the control in such a way that the primary laser beam can be coupled out permanently with the same or with approximately the same intensity of the two laser modes.
  • the input signal depends on the difference in intensity or the energy or the power of the two laser modes.
  • a second controller is additionally provided, which is designed to control a change in the attenuation profile of the frequency-selective element as a function of an input signal, such that the primary laser beam can be coupled out permanently with the same or with approximately the same intensity of the two laser modes.
  • the input signal depends on the difference in the intensity of the two laser modes.
  • the laser resonator according to the invention has a third one
  • the third regulator designed to control both the optical length of the laser resonator and the attenuation profile of the frequency-selective element as a function of an input signal
  • the third regulator is additionally designed to carry out the control in such a way that the primary laser beam can be coupled out permanently with the same or with approximately the same intensity of the two laser modes.
  • the input signal depends on the difference in the intensity of the two laser modes.
  • Stable two-mode operation is possible with the laser resonator according to the invention.
  • the occurrence of further modes can be successfully suppressed with the help of the frequency-selective element in a wide power range.
  • undesired modes are suppressed in prior art multi-mode lasers, e.g. in US5960015, only in a limited power range.
  • the laser according to the invention exhibits an improved noise behavior compared to multimode lasers according to the prior art.
  • the laser resonator according to the invention is characterized in that two adjacent laser modes can be coupled out permanently with the same or approximately the same intensity.
  • the gain medium has a gain profile with a center frequency v 0 at which the gain profile has a maximum.
  • the frequencies of the two adjacent longitudinal laser modes are symmetrical or approximately symmetrical about the center frequency v 0 in this exemplary embodiment.
  • An approximately symmetrical arrangement means that the two adjacent laser modes occur in the laser beam with only approximately the same intensity. However, this has no consequences for the intensity of the resulting laser beam, since the sum of the intensities of both modes has not changed compared to the case of the same intensity. Only when an external passive resonator for frequency conversion with the laser resonator according to the invention is operated nator, the intensity ratio of the two neighboring laser modes affects the total power of the frequency-converted laser beam.
  • a variable division factor K (0 ... 1) is defined, according to which the constant total power P f is divided into the power Pi and P 2 of the two laser modes in accordance with
  • the first or the third controller generates a control signal and outputs the control signal to a first actuator which is designed to change the optical length of the laser resonator as a function of the applied control signal.
  • the first actuator is preferably designed to change the temperature of the laser resonator.
  • This variant is structurally simple. The regulation of the temperature alone is often sufficient to regulate the optical length of the laser resonator or the preferred frequency of the frequency-selective element or both.
  • the first actuator is therefore designed in addition to changing the temperature of the frequency-selective element.
  • the second controller generates a control signal and outputs the control signal to a second actuator which is designed to change the temperature of the frequency-selective element.
  • a linear frequency-selective element in particular an etalon or a combination of several etalons, is preferably used as the frequency-selective element.
  • the etalon can be designed in such a way that its surface normal includes an angle other than zero with the direction of the laser beam, whereby the surfaces of the etalon can be uncoated. In this case, it is an angle-adjustable etalon.
  • at least one decoupling mirror designed as an etalon is used, the degree of decoupling of which is frequency-dependent due to the etalon effect and which thereby suppresses the undesired modes.
  • Such an etalon can e.g. be adjusted by changing the temperature.
  • the design of the laser with an outcoupling mirror designed as an etalon is one of the features through a particularly low effort and high efficiency.
  • the invention is not limited to this particular arrangement. Rather, other frequency-selective elements, such as e.g. a birefringent filter or an angle tunable etalon or a combination of such elements can be used. In the following, the etalon is therefore only representative of one of the frequency-selective elements in question.
  • the etalon has a preferred frequency which is tuned to the center frequency v 0 of the gain profile.
  • the range of the etalon is chosen in such a way that a sufficient attenuation of all undesired laser modes takes place.
  • the laser arrangement according to the invention comprises an external passive resonator for frequency conversion of a primary laser beam emanating from the laser resonator. Dispensing with the use of nonlinear materials for frequency conversion within the laser resonator makes it possible to provide a frequency-converted laser with stable conditions, in particular with stable two-mode operation and low noise.
  • the noise spectrum of the frequency-converted laser beam only contains beat frequencies that are greater than or equal to the frequency spacing of the two adjacent longitudinal laser modes of the primary laser beam, and that the effective value of the noise of the frequency-converted laser beam in the frequency range below the lowest beat frequency is at most 0.2 % of the mean output power.
  • the tasks for the laser resonator and the passive resonator are also divided, namely the generation of a stable, low-noise primary laser beam in the former and the efficient frequency conversion in the latter.
  • the separation of laser source and frequency converter such as a frequency doubler, therefore opens up additional degrees of freedom for the designer to optimize the two parts separately.
  • the length of the nonlinear crystal can be optimized solely for the needs of frequency conversion, without affecting the laser source.
  • Operating restrictions such as A maximum permissible pump power for low-noise operation, as can be partially observed with internal frequency doubling, does not apply to external frequency conversion.
  • the separate optimization of laser source and frequency converter therefore makes it easier for the designer to meet the requirements.
  • a particularly preferred exemplary embodiment of the laser arrangement according to the invention therefore has a first measuring device which is designed and arranged to generate and output a first measuring signal which is dependent on the intensity of the secondary laser beam.
  • a further embodiment has an evaluation unit downstream of the first measuring device, which is designed to output an error signal from the first measuring signal, which is based on the deviation of the optical resonator length from the optimal length, i.e. the optical two-mode length, is dependent and contains directional information, e.g. is positive if the resonator length is too small and negative if the resonator length is too long.
  • the error signal is particularly preferably passed as an input signal to the first, second or third controller.
  • the background of these exemplary embodiments is that the power of the frequency-converted laser beam takes a maximum at the optimal resonator length. Detection of the frequency-converted intensity can therefore provide a signal from which an input signal for the control loop can be obtained.
  • the external passive resonator for frequency conversion thus additionally serves as a type of detector for the mode structure of the laser resonator.
  • the first measurement signal is maximum when the mode structure is symmetrical about the center frequency and thus optimal for laser operation.
  • the external passive resonator can be designed for frequency doubling.
  • frequency doubling due to the inherent nature of nonlinear crystals from the primary laser radiation, which according to the invention contains two adjacent frequencies vi and v 2 , three additional frequencies are generated, namely the double frequencies 2v ⁇ and 2v 2 and the sum frequency v- ⁇ + v 2 of the two original frequencies.
  • the frequencies of the two laser modes of the primary laser beam are so close together that they lie within the acceptance range for phase matching in the nonlinear crystal.
  • phase adaptation with a conversion coefficient that is larger by a factor of 4 (see, for example, VG Dmitriev, GG Gurzadyan, N. Nikososyan, "Handbook of Nonlinear Optical Crystals", Springer Series in Optical Sciences, Vol. 64, ISBN 3-540- 65394-5)
  • the intensities of the three frequencies therefore behave like 1: 4: 1.
  • the advantageous effect of these properties is particularly important when two external passive resonators are connected in series, as will be explained below.
  • the optical length of the external passive resonator corresponds to an integer multiple of the optical length of the laser resonator, it can be achieved with a two-mode laser that the external passive resonator is resonant for both frequencies of the primary laser beam, so that the same efficiency in Frequency conversion can be achieved as with a single-mode laser.
  • resonance can only be achieved for a part of the laser modes in the passive resonator, since the frequency spacing of the modes changes due to the dispersion in the laser resonator and in passive resonator changes according to different nonlinear laws. The efficiency that can be achieved with such an arrangement is therefore lower.
  • the frequency-converted laser beam of an arrangement according to US5696780 has a large number of beats in the low-frequency range, the amplitudes and frequencies of which change in a complicated manner with environmental parameters such as air pressure and temperature.
  • the laser according to the invention for frequency conversion, it comprises at least two external passive resonators connected in series such that the primary laser beam can be coupled into the first external passive resonator and the frequency-converted laser beam originating from the first external passive resonator can be coupled into the second external passive resonator for further frequency conversion is. If the external-passive resonators are each designed for frequency doubling, a laser beam with a frequency four times that of the primary laser beam can be obtained with this configuration.
  • the optical lengths of both resonators can correspond to an integral multiple of the optical length of the laser resonator. If the nonlinear crystals of the external passive resonators are designed for frequency doubling, this means, for example, that resonance is present in the second external passive resonator for all three frequencies of the frequency-doubled laser beam.
  • the first of the very advantageous properties mentioned above thus ensures that a multimode laser beam can be multiplied in frequency with high efficiency without creating disturbing beat frequencies.
  • the optical length of the second external passive resonator is therefore set such that it differs significantly from an integer multiple of the optical length of the laser resonator.
  • the passive resonator also has the effect of a narrow-band filter that suppresses unwanted frequencies. If the power of the laser beam coupled into the second passive resonator were evenly distributed over the three frequencies, only 1/3 of this power would circulate in the resonator. Because of the quadratic dependence of the doubling process, the conversion efficiency would drop to 1/9 of the value that is present in the embodiment described above, in which all three frequencies are resonant. Since the power circulating in the resonator only drops to 2/3 in the present case, the conversion efficiency is reduced to only 4/9. The second of the above-mentioned very advantageous properties therefore ensures a conversion efficiency which is four times higher if the secondary modes are suppressed with the aid of the second passive resonator for the purpose of single-mode operation.
  • the above-mentioned configurations of the two external passive resonators are therefore two largely identical laser sources for ultraviolet laser radiation, of which the first configuration delivers multimode laser radiation with high efficiency, while the second configuration single-mode laser radiation with 44% of the efficiency of the first configuration supplies.
  • the two embodiments differ only in a slightly different optical length of the second passive resonator. It is therefore even possible to convert one embodiment into the other by introducing an optical element which maintains the beam geometry and enables a change in the optical path length, and thereby one To switch between multimode and single-mode laser radiation.
  • the laser with external frequency conversion also comprises a pump light source and a control circuit with a detector for detecting high-frequency power fluctuations and an actuator for acting on the pump light source in such a way that undamped vibrations in the laser power are suppressed. This is explained in more detail below.
  • the primary laser beam of a solid-state laser is coupled into an external passive resonator in two-mode operation in order to generate a frequency-converted laser beam.
  • the passive resonator is expediently designed as a ring resonator (M.Brieger et al. "Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator", Optics Communications 38, 1981, page 423) in order to directly reflect the primary laser beam back into the laser resonator to avoid, since this usually leads to instabilities.
  • a ring resonator is also not without effects, since the optical elements in the resonator, in particular the nonlinear crystal, can scatter the laser light in different directions. The light scattered in the opposite direction to the beam direction is caused by the resonance increase As long as the distance between the laser resonator and the passive resonator is constant and the backscatter is strictly linear with the laser power, no instabilities occur.
  • the dynamics of the excitation process can lead to a resonance behavior, the so-called relaxation oscillation, in an optically pumped solid-state laser. It is usually a damped oscillation as long as the excitation of the laser medium is not pulse-shaped. This damped relaxation oscillation can result in an undamped oscillation with a modulation depth of up to 100% if there is a non-linear reaction of the type described above and the distance between the laser resonator and the passive resonator is such that feedback is created by a suitable phase relationship.
  • the frequency of the resulting oscillation corresponds to the relaxation resonance and is typically in the frequency range between 100 kHz and 1 MHz, depending on the active laser material used and on the pump power.
  • a less complex way is chosen to prevent the described oscillations.
  • the noise caused by the damped relaxation vibration of a diode-pumped solid-state laser can be reduced with the help of electronic negative feedback. den (see Harb et al., "Suppression of the Intensity Noise in a Diode-pumped Neodymium ⁇ AG Nonplanar Ring Laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 30, No. 12 1994, p2907).
  • the high-frequency power fluctuations of the primary Laser radiation is converted into an electrical signal with the help of a photodetector, which is electronically amplified and added to the operating current of the laser diode or the laser diode array after a possible frequency response and phase correction.
  • this is also possible with other pump light sources, provided that the pump light output reacts quickly enough to the operating current.
  • this negative feedback method was used exclusively to reduce the noise. In the present invention, however, it is used to avoid an undamped oscillation of the laser power, which arises from the interaction of the relaxation resonance of the laser-active medium and the non-linear, optical reaction of a passive resonator.
  • FIG. 1 shows a first embodiment for the laser according to the invention with only one frequency conversion stage
  • FIG. 2 shows a second embodiment for the laser according to the invention with two frequency conversion stages
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of the laser according to the invention with a control circuit for stabilizing the two-mode operation
  • 4 shows a fourth exemplary embodiment of the laser according to the invention with a control loop for damping relaxation vibrations
  • 5 shows a schematic representation of the frequency dependence of the various elements in the laser resonator
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of the power of the primary and the frequency-converted laser beam as a function of the temperature of the laser resonator according to FIG. 3,
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the frequency spectrum of primary and frequency-multiplied laser beams in an embodiment with a multi-frequency resulting laser beam
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the frequency spectrum of primary and frequency-multiplied laser beams in an embodiment with a single-frequency resulting laser beam and
  • the invention provides an optically pumped, especially a diode-pumped, continuous solid-state laser with external frequency conversion.
  • a laser crystal as an active medium in a laser resonator generates a primary laser beam with a fundamental wavelength, from which one or more frequency-converted laser beams are generated with the aid of external resonant frequency conversion.
  • the frequency-converted radiation contains three or more frequencies.
  • the frequency-converted laser radiation contains only a single frequency and therefore corresponds to the radiation of a single the laser. This is discussed in detail in the following description of the exemplary embodiments
  • the two-mode laser 7 comprises a laser diode 1 as a pump light source emitting a pump light beam 11, a focusing optics 2, which is shown as an individual lens for the sake of simplicity, and a laser resonator 6 with a laser crystal 5 arranged approximately centrally therein, a coupling mirror 3 for coupling the pump light beam and a coupling-out mirror 4 for coupling out the laser beam.
  • the pump light beam 11 generated by the laser diode 1 is focused into the laser crystal 5 by means of the focusing optics 2 via the coupling mirror 3.
  • the material Nd: YVO is preferably used as the laser crystal, since it is highly efficient and generates polarized laser light.
  • the coupling mirror 3 is transparent for the wavelength of the pump radiation and highly reflective for the basic wavelength of the laser.
  • the coupling-out mirror 4 is designed as an etalon and is therefore also referred to below as a coupling-out etalon.
  • the coupling-out etalon 4 is a plane-parallel plate made of quartz, which is uncoated on the inwardly facing surface and is partially reflective on the outwardly facing surface for the fundamental wavelength of the laser.
  • the reflectance of this layer is chosen to be lower by the Fresnel reflection on the inside than the value which is optimal for the typical operating parameters of the laser.
  • the reflectivity of the coupling-out ion then has a frequency dependence similar to that shown in the middle curve of FIG. 5, which, with a suitably chosen thickness, sufficiently suppresses the undesired laser modes.
  • an optical resonator length of approx. 30mm a thickness of the coupling mirror of 2mm and a reflectance of approx. 90%, two-mode operation up to several watts of output power was achieved.
  • the transfer optics 8 shown in FIG. 1 as a simple lens guides the primary laser beam 12 into the frequency doubler 9 under modem matching conditions.
  • a passive ring resonator with three mirrors 26a, 26b and 26c and a nonlinear crystal 10, further details , such as the resonator length stabilization, have been omitted for the sake of simplicity.
  • LiNbO 3 , KTP, LBO or BBO, for example, are suitable as materials for the nonlinear crystal.
  • the optical resonator length which is set to an integer multiple of the length of the laser resonator, the precise embodiment of the passive resonator is of secondary importance for the present invention.
  • the frequency-doubled laser beam generated in the nonlinear crystal 10 emerges as the resulting laser beam 13, which is generally in the visible spectral range.
  • the wavelengths 532nm or 670nm can be generated.
  • the arrangement described can achieve a power of the primary laser beam of 2W at 1064nm and a power of the frequency-doubled beam of more than 1W at 532nm with a pump power of the laser diode of 4W at 808nm.
  • the efficiency in generating the frequency-doubled laser beam from the pump beam is more than 20%.
  • two external passive resonators 9, 15 are present as frequency conversion stages.
  • a laser beam with four times the frequency of the primary laser radiation is generated in the downstream second passive resonator 15 from the frequency-doubled laser beam generated in the first passive resonator with the aid of a suitable non-linear crystal 16.
  • the optical length of the second passive resonator 15 is dimensioned such that there is resonance for all three frequencies of the frequency-doubled laser beam. This exemplary embodiment is described in more detail below with reference to FIG. 2.
  • the laser shown in FIG. 2 differs from the laser shown in FIG. 1 only in that a second transfer lens 17 and a second one external passive resonator 15 are present, which are arranged after the first external passive resonator.
  • the frequency-doubled laser beam 13 is coupled into the second frequency doubling unit 15 via the second transfer optics 17.
  • the second frequency doubling unit 15 comprises a nonlinear crystal 16, with the aid of which a frequency-quadrupled laser beam 14 is generated.
  • the resulting laser beam 14 then usually has a wavelength in the ultraviolet spectral range.
  • the wavelengths 266nm or 335nm can be generated.
  • the detailed spectral properties of the resulting laser beam depend on the precise embodiment of the second frequency conversion stage.
  • the first frequency doubler stage 9 is preferably designed such that it is resonant for both frequencies of the primary laser beam. This is achieved by tuning the optical resonator length of the resonator 9 to an integer multiple of the optical resonator length of the laser resonator 6.
  • the frequency spectrum of the second harmonic 13 is shown in Fig. 7 (middle).
  • the spectrum consists of a main line with two satellites, each with a lower intensity by a factor of 4.
  • the second frequency doubler stage 15 can now optionally be designed in two configurations.
  • the second frequency doubler stage 15 is designed such that it is resonant for all three frequencies of the second harmonic. This can be achieved in that the optical resonator length of the resonator 15 is also matched to an integral multiple of the optical resonator length of the laser resonator 6. In this case, the total available power of the second harmonic 13 is used to generate the fourth harmonic 14 and thus the maximum possible efficiency is achieved.
  • the fourth harmonic frequency spectrum in this case contains five frequencies as shown in Fig. 7 (below).
  • the noise spectrum of the frequency-quadrupled laser beam does not contain any beat frequencies that are smaller than the frequency spacing of the longitudinal modes of the primary laser beam. This configuration is for Optimal applications where a high output power or efficiency is required, but the frequency spectrum is irrelevant in detail.
  • the embodiment of FIG. 2 can be modified so that only the main line of the second harmonic is used to generate the fourth harmonic.
  • the resonator length of the second passive resonator 15 is tuned such that it is significantly different from an integral multiple of the resonator length of the laser resonator 6.
  • the second passive resonator 15 can only be resonant to one of the three frequencies of the second harmonic and thus efficiently double only one of the three frequencies.
  • the electronic resonator length stabilization of the second passive resonator 15 is expediently designed such that it only stabilizes on the main line, but not on the satellite lines, in order to obtain the highest possible efficiency in this case.
  • the frequency spectrum of the primary, frequency-doubled and frequency-quadrupled laser beam for this embodiment is shown schematically in FIG. 8.
  • the frequency spectrum of the resulting fourth harmonic of this embodiment of the invention contains only a single frequency and therefore does not differ from the frequency spectrum of a frequency-multiplied single-mode laser.
  • the noise spectrum of the frequency-quadrupled laser beam of this embodiment does not contain any beat frequencies that result from the superimposition of adjacent frequencies.
  • the optical resonator length of the passive resonator is increased If the frequencies of the two active laser modes are as resonant as possible, if additional laser modes are added, this will no longer be possible exactly, which will reduce the resonance increase in the passive resonator and consequently reduce the efficiency of the frequency conversion Measures to stabilize the output power of the laser, since the otherwise expected power fluctuations are unacceptable. On the other hand, this behavior offers the possibility to obtain a correction signal from the variation of the frequency-converted output power or the im passive resonator to gain circulating power that can be used for a control loop to stabilize the frequency-determining elements.
  • the clearly perceptible variation in the laser power when detuning one of the frequency-determining elements, such as, for example, an etalon is used to obtain a correction signal for regulating the actuating element.
  • the laser power decreases by up to 20% if, for example, the etalon is detuned from the optimal setting.
  • the power of the primary laser beam generated in the laser resonator does not provide such a clear criterion for the etalon setting or the resonator length.
  • the variation in laser power when the etalon is tuned remains well below 1%, since at least two laser modes are active at all times.
  • the weakening of one Laser mode due to an unfavorable etalon setting also strengthens the other laser modes. If additional, undesirable laser modes are added, the behavior becomes even more indifferent.
  • the desired state of exactly two laser modes, the frequencies of which are symmetrical to the maximum of the gain of the active medium, is not characterized by a maximum or a minimum of the power of the primary laser beam.
  • the primary laser radiation with the fundamental wavelength represents the useful radiation, there is no need for stabilization measures, since the power stability, the noise and the overall efficiency have good values. It is only through frequency conversion that the necessity and at the same time the possibility of stabilization measures arise, in that the passive resonator is used as a kind of detector for the mode structure of the primary laser beam.
  • the frequency-determining elements in the laser resonator are synchronized.
  • a preferred frequency of the etalon is tuned to the frequency v 0 of the maximum gain of the active medium.
  • the optical length of the laser resonator is adjusted so that the frequencies of the two active modes are symmetrical to the center frequency v 0 I.
  • active control is helpful, since the optical length of the laser resonator is sensitive to environmental parameters such as pressure and temperature. Both the resonator length and the eta- Preferred ion frequency can be controlled, for example, with the help of an active temperature control.
  • both elements can be connected by a common temperature can be controlled with only one control loop.
  • the common temperature is initially set roughly in accordance with the element with the lower temperature dependency, for example the etalon. This setting results in a specific selection of the active laser modes. The fine adjustment of the temperature is now carried out with regard to the symmetrization of the active modes in relation to the center frequency vo.
  • FIG. 3 shows an embodiment with which two-mode operation is ensured even under changing environmental conditions with the aid of such a control loop.
  • An actuating element 17, preferably a Peltier element, is attached to the laser resonator 6 in order to control the common temperature of the distance-determining material 24 of the laser resonator 6 and the coupling mirror 4 designed as an etalon.
  • a detector 19 generates an electrical signal which is used for Power of the resulting laser beam 13 is proportional.
  • 5 shows schematically the frequency dependence of the various elements in the laser resonator 6. The upper curve shows the gain profile of the laser crystal 5, the middle curve the reflectivity of the coupling-out ion 4 and the lower curve the resonances of the laser resonator 6.
  • the preferred frequencies of the coupling-out ion 4 are those frequencies , in which the reflectivity of the coupling-out ion 4 is maximal and thus the resonator losses are minimal.
  • a preferred frequency of the coupling-out ion 4 must coincide approximately with the center frequency v 0 of the active material, and the frequencies of two adjacent laser modes according to the lower curve in FIG. 5 must be approximately symmetrical to v 0 . Since both conditions only have to be met with a limited accuracy sen, it is sufficient to use a single parameter, namely the common temperature of the laser resonator 6 and decoupling etalon 4 for tuning.
  • the materials are selected, for example, in such a way that the laser modes of the laser resonator 6 shift with the temperature much faster than the preferred frequencies of the coupling-out etalon 4.
  • the common temperature of the laser resonator 6 and coupling-out etalon 4 is now initially set roughly according to the first criterion, so that a preferred frequency of the etalon corresponds to v 0 . Then the temperature is only slightly corrected so that the second criterion, that is to say two laser modes located symmetrically to the front, is met. The temperature change required for this is so small that the first criterion is still met with sufficient accuracy.
  • the power of the frequency-converted laser beam behaves approximately as shown in the lower curve in FIG. 6. In contrast to the power of the primary laser beam shown in the upper curve, this curve has clear maxima.
  • This measurement parameter is therefore suitable as a correction signal for a controller 18, which regulates the common temperature of the laser resonator 6 and coupling-out etalon 4 in such a way that a maximum power of the resulting frequency-converted laser beam is obtained. Both analog and digital electronic methods are known which can be used for this.
  • FIG. 4 shows another exemplary embodiment of the present invention.
  • undamped relaxation vibrations in the laser power can be avoided.
  • a beam splitter 25 is used to direct a portion of the primary laser beam onto a detector 20.
  • the power fluctuations of the primary laser beam in the frequency range from a few Hz to a few 10 MHz are converted by this detector 20 into an electrical signal, which is fed to control electronics 21.
  • the control electronics 21 essentially comprise a high-frequency amplifier with phase correction.
  • the output signal of the control electronics 21 becomes the injection current for the laser diode 1 added from the power supply device 22.
  • the amplification factor of the control electronics is set in such a way that frequencies in the vicinity of the relaxation oscillation are optimally damped. This avoids undamped relaxation vibrations that can arise from the passive resonator 9 due to backscattering 23.
  • Curve 9 shows oscilloscope recordings of the power of the primary laser beam with a time deflection of 2 ⁇ s / division.
  • Curve a) shows the case of an undamped relaxation oscillation with the passive resonator coupled.
  • Curve b) shows a damped relaxation oscillation after a pulse-like disturbance of the laser diode current. The passive resonator was blocked and the control switched off. In curve c) the control was switched on and the gain set optimally so that the relaxation oscillation is optimally damped. When the passive resonator was coupled, undamped vibrations could no longer be observed.
  • the invention described in the exemplary embodiments makes it possible to provide a continuous, frequency-converted, optically pumped solid-state laser which has a high overall optical-optical efficiency, the noise of which in the relevant frequency range below about 1 GHz is similarly low to that of a single-mode laser, whose output power after the first frequency conversion stage is at least 300mW and which is easier and cheaper to manufacture than a single-mode laser of comparable power.
  • Such a laser can be produced in particular by placing an optically pumped, active solid-state laser medium, such as Nd: YAG or Nd: YVO 4 , in the middle of a laser resonator with two mirrors and a frequency-selective element, such as an etalon, in the Laser resonator is used so that exactly two adjacent longitudinal laser modes are formed, and the primary laser beam coupled out of the laser resonator with a fundamental wavelength in one or more external, passive resonators with one or more nonlinear crystals is converted to a laser beam of a different wavelength. Controlling the frequency-dependent elements in the laser resonator with the aid of control loops offers the possibility, if necessary, of permanently ensuring two-mode operation and thus the desired laser properties.
  • an optically pumped, active solid-state laser medium such as Nd: YAG or Nd: YVO 4

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Abstract

Ein optisch gepumpter, insbesondere diodengepumpter, kontinuierlicher Festkörperlaser erzeugt einen primären Laserstrahl, dessen Frequenz mit Hilfe von einem oder mehreren nachgeordneten passiven Resonatoren mit nichtlinearen Kristallen in den sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich konvertiert wird. Mit relativ geringem Aufwand wird erreicht, dass im Laserresonator genau zwei longitudinale Lasermoden mit etwa gleicher Amplitude angeregt werden. Dadurch wird eine hohe Effizienz des Gesamtsystems und ein sehr niedriges Rauschniveau des resultierenden frequenzkonvertierten Laserstrahls erreicht. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält die frequenzkonvertierte Strahlung drei oder mehr benachbarte Frequenzen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält die frequenzkonvertierte Laserstrahlung nur eine einzige Frequenz und entspricht daher der Strahlung eines Einmodenlaser.

Description

Laserresonator und Frequenzkonvertierter Laser
Die Erfindung betrifft einen Laserresonator mit einem darin angeordneten Verstärkungsmedium und mit einem im Laserresonator angeordneten frequenzselektiven Element, das ein frequenzabhängiges Abschwächungsprofil aufweist.
Derartige Laserresonatoren dienen zur Erzeugung eines primären Laserstrahls, aus dem mit Hilfe eines optisch nichtlinearen Kristalls ein sekundärer Laserstrahl mit konvertierter Frequenz erzeugtwerden kann. Frequenzkonvertierte Festkörper-Laser finden insbesondere im blauen und ultravioletten Spektralbereich vielfache Anwendung.
Der nichtlineare Kristall kann dabei entweder intern, d.h. innerhalb des Laserresonators oder extern, also außerhalb des Laserresonators, angeordnet sein. Da bei interner Frequenzkonversion der primäre Laserstrahl innerhalb des Laserresonators mit wesentlich höherer Intensität zur Verfügung steht als außerhalb des Resonators, ist die interne Frequenzkonversion erwartungsgemäß sehr effizient. Erfolgt die Frequenzkonversion dagegen außerhalb des Laserresonators, so müssen Maßnahmen getroffen werden, um eine für praktische Anwendungen ausreichende Konversionseffizienz zu erreichen.
Bei beiden Varianten sind Vorkehrungen zum Reduzieren nichtlinearer Kopplungen von Moden des Laserstrahls zu treffen, die zum Auftreten unerwünschter Frequenzen im Laserstrahl und damit zu einem Rauschen in der Intensität des Laserstrahls führen würden.
Nachfolgend werden die im Stand der Technik zur Anwendung kommenden Methoden und Vorrichtungen zur Frequenzkonversion sowie die dabei auftretenden Rauschquellen eines Laserstrahls vorgestellt und diskutiert. Die Diskussion beschränkt sich auf den Fall externer Frequenzkonversion, der für die vorliegende Erfindung allein relevant ist.
Eine bekannte Methode zur Effizienzerhöhung der externen Frequenzkonversion ist die resonante Frequenzverdopplung in einem passiven Resonator (siehe z.B. Ashkin et al. „Resonant Optical Second Harmonie Generation and Mixing", Journal of Quantum Electronics, QE-2, 1966, Seite 109 und M.Brieger et al. „Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator", Optics Communications 38, 1981 , Seite 423). Dabei wird ein Laserstrahl in einen Spiegel und einen nichtlinearen Kristall umfassenden optischen Resonator eingekoppelt, der auf die Frequenz des Laserstrahls resonant abgestimmt ist. Durch den Resonanzfall ergibt sich eine Überhöhung der Intensität des Laserstrahls im Resonator und damit eine Erhöhung der Konversionseffizienz im nichtlinearen Kristall.
Die Technik der externen, resonanten Frequenzkonversion wurde in den letzten Jahren stetig weiter entwickelt und in zahlreichen Druckschriften beschrieben (siehe z.B. US5027361 , US5552926, US5621744, US5943350, US6088379, DE19814199, DE19818612, DE10002418, DE10063977). Die bei externer Frequenzverdopplung erzielte Konversionseffizienz ist mit mittlerweile bis zu 90% teilweise sogar höher als bei der internen Konversion (siehe Schneider et al., „1.1W single-frequency 532nm radiation by second- harmonic generation of a miniature Nd:YAG ringlaser" Optics Letters, Vol 21 , Nr. 24, 1996, Seite 1999).
In der US5696780 wird der Laserstrahl eines diodengepumpten Festkörperlasers sowohl intern als auch extern frequenzkonvertiert, um eine Wellenlänge im ultravioletten Spektralbereich zu erhalten. Dabei wird aus dem Laserstrahl des in der US5446749 beschriebenen, intern frequenzverdoppelten Lasers mit besonders großer Resonatorlänge mit Hilfe eines externen, resonanten Fre- quenzverdopplers ein Laserstrahl mit der vierfachen Frequenz des primären Laserstrahls erzeugt. Da es sich um einen Mehrmoden-Laser handelt, muss die Resonatorlänge des Frequenzverdopplers ein ganzzahliges Vielfaches der Resonatorlänge des Laserresonators betragen.
Die Verwendung zweier besonders großer Resonatoren führt prinzipbedingt zu einer unhandlichen Ausführung des Gerätes. Außerdem ist das Rauschniveau des frequenzverdoppelten Laserstrahls, der dem externen Frequenz- verdoppler zugeführt wird, schon relativ hoch, da hier nur eine statistische Unterdrückung des Rauschens erfolgt. Durch die nichtlineare Frequenzverdopplung wird die Rauschamplitude nicht nur verdoppelt, sondern es werden durch den Effekt der Differenzfrequenzbildung beim „Mode beating", d.h., das Ausbilden von Schwebungen durch Differenzfrequenzbildung der verschiedenen Lasermoden zusätzliche Frequenzen im besonders störenden Bereich von 0Hz bis einigen MHz erzeugt.
Nachfolgend wird das Problem des Mode beating näher erläutert. Es stellt eine bei Mehrmoden-Lasern stets vorhandene Rauschquelle dar. Dieses Phänomen wird häufig nicht als Rauschen registriert, da es entweder durch das stärkere Rauschen anderer Rauschquellen überdeckt wird oder weil die Fre- quenzen außerhalb des registrierten Bereiches liegen. Für manche Anwendungen spielt das Frequenzspektrum des Laserrauschens eine entscheidende Rolle für die Brauchbarkeit des Lasersystems. In vielen Anwendungen wird z.B. der Laserstrahl mit Hilfe eines elektrooptischen Modulators amplitudenmoduliert. Die verwendeten Modulationsfrequenzen können sich bis zu mehreren 100 MHz erstrecken. Für die Anwendung ist es wichtig, dass das Laserrauschen im Bereich der Nutzfrequenzen möglichst niedrig ist. Das Laserrauschen außerhalb dieses Frequenzbereiches spielt dagegen keine Rolle. Schwebungsfrequenzen im Bereich einiger GHz, wie sie durch benachbarte Lasermoden eines wenige Zentimeter langen Laserresonators ent- stehen, sind im allgemeinen ohne Bedeutung, da sie weit außerhalb des Frequenzbandes liegen, das normalerweise für die Modulation benutzt wird. Z.B. hat ein Zweimoden-Laser mit einer Resonatorlänge von 3cm einen Frequenzabstand der beiden Lasermoden von 5GHz. Im Rauschspektrum kann daher nur diese eine Frequenz auftreten, was für alle bisher bekannten Anwendun- gen unschädlich ist. Hat ein Laser jedoch mehr als zwei Moden, so treten weitere Schwebungsfrequenzen hinzu. Die Frequenzen longitudinaler Lasermoden in einem realen Laserresonator sind nicht exakt äquidistant, da die Dispersion optischer Elemente sowie „Mode-pulling"-Effekte des aktiven Mediums die Frequenzen verschieben. Deshalb weist das Rauschspektrum eines La- sers mit mehr als zwei Moden mehrere dicht benachbarte Frequenzen entsprechend den Modenabständen auf.
Solange nur die Grundwellenlänge des Lasers benutzt wird, liegen diese Frequenzen im Bereich einiger GHz und sind daher für den genannten Anwendungsbereich unschädlich. Wird die Laserstrahlung jedoch mit Hilfe eines nichtlinearen Materials frequenzkonvertiert, also z.B. frequenzverdoppelt, so treten im Rauschspektrum der konvertierten Laserstrahlung nicht nur die genannten, dicht benachbarten Frequenzen im GHz-Bereich auf, sondern auch deren Differenzfrequenzen. Diese Differenzfrequenzen liegen im Allgemeinen im Bereich zwischen 0Hz und wenigen MHz und sind daher für den genannten Anwendungsbereich höchst schädlich. Diese Schwebungen haben außerdem die unangenehme Eigenschaft, dass ihre Frequenzen empfindlich von der Länge des Laserresonators und damit von der Temperatur abhängen, so dass ein Rauschspektrum mit verschiedenen, sich ständig ändernden Frequenzen entsteht, was für die genannten Anwendungen besonders nachteilig ist.
Aus der Veröffentlichung A. Hohla et al., Bichromatic frequency conversion in potassium niobate", Optics Letter, Vol. 23, 1998, No. 6, Seiten 436-438, ist ein Laser mit einem Laserresonator in Form eines Miniatur-Titan-Saphir-Laser bekannt, der einen primären Laserstrahl mit zwei Lasermoden mit einer Frequenzdifferenz von 1 ,2 GHz ausgeben kann. Der Laser umfasst weiterhin einen externen Ring-Resonator vom Bow-Tie-Typ mit gekrümmten Endspiegeln, in den die beiden Lasermoden eingekoppelt werden. Der externe Resonator weist einen temperaturgeregelten Kaliumniobat-Kristall zur Frequenzverdopplung auf. Die Temperaturregelung dient der Aufrechterhaltung einer optimalen Phasenanpassung des Kaliumniobat-Kristalls.
Nachteil dieser Anordnung ist, dass Schwankungen externer Parameter wie der Umgebungstemperatur einen stabilen, rauscharmen Betrieb mit zwei La- sermoden und einer konstanten Leistung des sekundären Laserstrahls verhindern. Eine konstante Leistung frequenzkonvertierter Laserstrahlung ist jedoch in vielen industriellen Anwendungen von hoher Bedeutung.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es, einen Laser zur Verfügung zu stellen, der eine rauscharme und besonders stabile externe Frequenzkonversion ermöglicht. Eine weiteres technisches Problem, das der Erfindung zu Grunde liegt, ist die Bereitstellung eines frequenzkonvertierten Lasers mit geringem Rauschen und besonders hoher Stabilität.
Erfindungsgemäß wird ein Laserresonator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Laseranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 bereit gestellt. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Laserresonators oder der erfindungsgemäßen Laseranordnung. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Ausbildung des Laserresonators für eine stabile Intensität des sekundären Laserstrahls von größter Bedeutung ist. Daher ist ein grundlegender Aspekt der Erfindung ein Laserresonator zur Erzeugung des primären Laserstrahls. Die Ausgestal- tung des erfindungsgemäßen Laserresonators beruht weiterhin auf den folgenden Erkenntnissen:
Ein Laser, dessen Verstärkungsmedium (auch aktives Medium genannt) deutlich kürzer als die Resonatorlänge ist und sich in der Mitte zwischen den beiden Resonatorspiegeln befindet, hat die Neigung zum Zweimodenbetrieb. Mit Zweimodenbetrieb ist grundsätzlich die Ausbildung von zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden im transversalen Grundzustand TEM0o gemeint, also TEMooq und TEMooq+ι, wobei q die Anzahl der Schwingungsknoten der jeweiligen Mode bedeutet. Das Auftreten von höheren transversalen Moden, also z.B. TEM01q, wird durch eine entsprechende Ausgestaltung der Pump- lichtverteilung im aktiven Medium und eine günstige Resonatorgeometrie vermieden.
Nach dem Anschwingen der beiden Lasermoden, deren Frequenzen dem Verstärkungsmaximum des aktiven Mediums am nächsten liegen, sinkt die Besetzungsinversion und damit die für weitere Moden zur Verfügung stehende Verstärkung stark ab. Die im aktiven Medium durch die Pumpstrahlquelle erzeugte Besetzungsinversion wird allein durch das Anschwingen dieser zwei Moden sehr effektiv abgerufen, d.h. in Laserstrahlung umgesetzt, da die Wechselwirkungszonen der beiden Moden komplementär zueinander liegen.
Einfacher ausgedrückt hat die erste Mode einen Schwingungsbauch, wo die zweite einen Schwingungsknoten hat. Durch diese komplementäre Nutzung der Besetzungsinversion durch die beiden Moden wird eine räumliche Modulation der Besetzungsinversion („spatial hole burning") weitgehend vermieden.
Ohne zusätzliche Maßnahmen können bei einer solchen Anordnung jedoch sporadisch weitere Moden anschwingen. Ob und wie viele weitere Moden an- schwingen, hängt von der Bandbreite des Verstärkungsmediums, von der Pumpleistung und von der Resonatorlänge ab. Je größer die Pumpleistung und je größer die Resonatorlänge, desto mehr weitere Moden können anschwingen, da hierdurch sowohl die für die zusätzlichen Moden zur Verfügung stehende restliche Verstärkung als auch die Anzahl der in der Verstärkungsbandbreite liegenden zusätzlichen Moden ansteigt.
Selbst bei einer sehr geringen Pumpleistung und einem sehr kurzen Resonator tritt häufig der Fall ein, dass drei Moden anschwingen. Das ist z.B. dann der Fall, wenn sich die Frequenz einer Mode etwa in der Mitte des Verstär- kungsbereichs befindet und die beiden Nachbarmoden dadurch etwa die gleiche Verstärkung erfahren.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee ist es daher, das Auftreten von mehr als zwei Moden im Laserresonator zu vermeiden, da schon das Auftreten einer einzigen weiteren Mode bei externer Frequenzkon- version zu Instabilitäten der frequenzkonvertierten Ausgangsleistung und zu dem erwähnten „Mode-Beating" und damit zu erhöhtem Rauschen führt. Dies gelingt erfindungsgemäß, indem im Resonator zwei benachbarte longitudinale Moden mit gleicher oder annähernd gleicher Intensität zum Schwingen gebracht werden.
Der erfindungsgemäße Laserresonator umfasst daher ein darin angeordnetes Verstärkungsmedium und ein im Laserresonator angeordnetes frequenzselektives Element, das ein frequenzabhängiges Abschwächungsprofil aufweist. Das frequenzselektive Element ist in der Frequenzabhängigkeit des Abschwächungsprofils und der Laserresonator ist in seiner optischen Länge derart abgestimmt oder derart abstimmbar ausgebildet, dass bei einer einstellbaren optischen Zwei-Moden-Länge des Laserresonators ein Laserstrahl mit genau zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden gleicher oder annähernd gleicher Intensität aus dem Laserresonator ausgekoppelt werden kann. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe einer geeigneten Abstimmung des frequenzselektiven Elements und der Resonatorlänge ein rauscharmer Zwei-Moden- Betrieb ermöglicht. Bei vorgegebenem Abschwächungsprofil ist die Länge des Laserresonators erfindungsgemäß so einzustellen, dass zwei benach- barte longitudinale Lasermoden gleicher oder annähernd gleicher Intensität aus dem Laserresonator ausgekoppelt werden. Diese optische Länge des Laserresonators wird als optische Zwei-Moden-Länge bezeichnet. Sie ist von der jeweiligen Umgebungstemperatur, dem Umgebungsluftdruck und einer vorgegebenen Frequenzabhängigkeit des Abschwächungsprofils des fre- quenzselektiven Elements abhängig. Der Begriff „optische Länge" berücksichtigt dabei den Einfluss des Brechungsindexes.
Eine besonders hohe Stabilität erzielt der Laserresonator mit einem erfindungsgemäß vorgesehenen Regler. Er weist in einer ersten Alternative einen ersten Regler auf, der zum Steuern einer Änderung der optischen Länge des Laserresonators in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist. Der erste Regler ist ausgebildet, die Steuerung derart vorzunehmen, dass der primäre Laserstrahl dauerhaft mit gleicher oder mit annähernd gleicher Intensität der zwei Lasermoden ausgekoppelt werden kann. Das Eingangssignal ist vom Unterschied der Intensität oder der Energie oder der Leistung der beiden Lasermoden abhängig.
Alternativ ist zusätzlich ein zweiter Regler vorgesehen, der zum Steuern einer Änderung des Abschwächungsprofils des frequenzselekliven Elements in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, derart, dass der primäre Laserstrahl dauerhaft mit gleicher oder mit annähernd gleicher In- tensität der zwei Lasermoden ausgekoppelt werden kann. Das Eingangssignal ist vom Unterschied der Intensität der beiden Lasermoden abhängig.
Weiterhin alternativ hat der erfindungsgemäße Laserresonator einen dritten
Regler, der zum Steuern sowohl der optischen Länge des Laserresonators als auch des Abschwächungsprofils des frequenzselekliven Elements in Ab- hängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, wobei der dritte Regler zusätzlich ausgebildet ist, die Steuerung derart vorzunehmen, dass der primäre Laserstrahl dauerhaft mit gleicher oder mit annähernd gleicher Intensität der zwei Lasermoden ausgekoppelt werden kann. Das Eingangssignal ist vom Unterschied der Intensität der beiden Lasermoden abhängig.
Mit dem erfindungsgemäßen Laserresonator ist ein stabiler Zweimodenbetrieb möglich. Das Auftreten weiterer Moden lässt sich mit Hilfe des frequenzselekliven Elementes in einem weiten Leistungsbereich erfolgreich unterdrücken. Im Vergleich dazu gelingt das Unterdrücken unerwünschter Moden in Mehrmoden-Lasern nach dem Stand der Technik, z.B. in US5960015, nur in einem eingeschränkten Leistungsbereich. Als Folge der wirkungsvolleren Unterdrückung weiterer Moden zeigt der erfindungsgemäße Laser ein gegenüber Mehrmoden-Lasern nach Stand der Technik verbessertes Rauschverhalten.
Der erfindungsgemäße Laserresonator zeichnet sich dadurch aus, dass zwei benachbarte Lasermoden dauerhaft mit gleicher oder annähernd gleicher Intensität ausgekoppelt werden können.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laserresonators hat das Verstärkungsmedium ein Verstärkungsprofil mit einer Mittenfrequenz v0, bei der das Verstärkungsprofil ein Maximum aufweist. Bei der optischen Zwei-Moden-Länge des Laserresonators liegen bei diesem Ausführungsbeispiel die Frequenzen der zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden symmetrisch oder annähernd symmetrisch um die Mitlenfre- quenz v0.
Eine nur annähernd symmetrische Anordnung bewirkt, dass die beiden be- nachbarten Lasermoden mit nur annähernd gleicher Intensität im Laserstrahl auftreten. Dies ist für die Intensität des resultierenden Laserstrahls jedoch ohne Folgen da die Summe der Intensitäten beider Moden gegenüber dem Fall gleicher Intensität nicht verändert ist. Erst wenn ein externer passiver Resonator zur Frequenzkonversion mit dem erfindungsgemäßen Laserreso- nator betrieben wird, wirkt sich das Intensitätsverhältnis der beiden benachbarten Lasermoden auf die Gesamtleistung des frequenzkonvertierten Laserstrahls aus. Definiert man einen variablen Aufteilungsfaktor K (0...1), nach dem sich die konstante Gesamtleistung Pf auf die Leistung P-i und P2 der beiden Lasermoden aufteilt gemäß
P, = κPf P2 = (l -κ)Pf
so folgt für die frequenzverdoppelte Leistung Ps in erster Näherung:
Figure imgf000012_0001
Ps = γ(- 2(κ - 0.5)2 + 1.5)P 2 f
wobei γ der Konversionskoeffizient darstellt. Demnach nimmt die frequenz- verdoppelte Leistung Ps ein bei κ=0.5, also bei symmetrischer Aufteilung der Leistung, ein Maximum an. Daher ist die frequenzverdoppelte Leistung oder eine Änderung der frequenzverdoppelten Leistung ein besonders geeignetes Eingangssignal für den Regler des erfindungsgemäßen Laserresonators.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt der erste oder der dritte Regler ein Steuersignal und gibt das Steuersignal an ein erstes Stellglied aus, das zum Ändern der optischen Länge des Laserresonators in Abhängigkeit vom anliegenden Steuersignal ausgebildet ist.
Bevorzugt ist das erste Stellglied zum Ändern der Temperatur des Laserresonators ausgebildet. Diese Variante ist konstruktiv einfach. Die Regelung der Temperatur ist alleine oft schon ausreichend, um die optische Länge des Laserresonators oder der Vorzugsfrequenz des frequenzselektiven Elementes oder von beidem zu regeln. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daher das erste Stellglied zusätzlich zum Ändern der Temperatur des frequenzselektiven Elementes ausgebildet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel erzeugt der zweite Regler ein Steuersignal und gibt das Steuersignal an ein zweites Stellglied aus, das zum Ändern der Temperatur des frequenzselektiven Elementes ausgebildet ist.
Vorzugsweise wird als frequenzselektives Element ein lineares frequenzse- lektrives Element, insbesondere ein Etalon oder eine Kombination mehrerer Etalons verwendet. Das Etalon kann derart ausgestaltet sein, dass seine Flächennormale mit der Richtung des Laserstrahls einen von Null verschiednen Winkel einschließt, wobei die Flächen des Etalons unbeschichtet sein können. Es handelt sich in diesem Fall um ein winkelabstimmbares Etalon. Insbesondere findet mindestens ein als Etalon ausgebildeter Auskoppelspiegel Anwendung, dessen Auskoppelgrad durch die Etalonwirkung frequenzabhängig ist und der dadurch die unerwünschten Moden unterdrückt. Ein solches Etalon kann z.B. durch Änderung der Temperatur abgestimmt werden. Bei richtiger Wahl der Dicke und der Beschichtung des Etalons ist ein stabiler Zweimoden- Betrieb über einen weiten Leistungsbereich von der Laserschwelle bis zu mehreren Watt Ausgangsleistung möglich. Die Ausgestaltung des Lasers mit einem als Etalon ausgebildeten Auskoppelspiegel zeichnet sich u.a. durch einen besonders geringen Aufwand und eine hohe Effizienz aus. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Anordnung beschränkt. Vielmehr können im Rahmen der Erfindung auch andere frequenzselektive Elemente, wie z.B. ein doppelbrechendes Filter oder ein winkelabstimmbares Etalon oder eine Kombination derartiger Elemente verwendet werden. Im Folgenden sei daher das Etalon lediglich stellvertretend für eines der in Frage kommenden frequenzselektiven Elemente genannt.
In jedem Fall weist das Etalon eine Vorzugsfrequenz auf, die auf die Mittelfrequenz v0 des Verstärkungsprofils abgestimmt ist. Die Bandbreite des Etalons ist derart gewählt, dass eine ausreichende Abschwächung aller unerwünschten Lasermoden erfolgt. Die erfindungsgemäße Laseranordnung umfasst außerhalb des erfindungsgemäßen Laserresonators einen externen passiven Resonator zur Frequenzkonversion eines vom Laserresonator ausgehenden primären Laserstrahls. Der Verzicht auf die Verwendung nichtlinearer Materialien zur Fre- quenzkonversion innerhalb des Laserresonators ermöglicht es, einen frequenzkonvertierten Laser mit stabilen Verhältnissen, insbesondere mit stabilem Zweimodenbetrieb und geringem Rauschen zur Verfügung zu stellen. Insbesondere lässt sich erreichen, dass das Rauschspektrum des frequenzkonvertierten Laserstrahls nur Schwebungsfrequenzen enthält, die größer oder gleich dem Frequenzabstand der beiden benachbarten longitudinalen Lasermoden des primären Laserstrahls sind, und dass der Effektivwert des Rauschens des frequenzkonvertierten Laserstrahls im Frequenzbereich unterhalb der niedrigsten Schwebungsfrequenz höchstens 0,2% der mittleren Ausgangsleistung beträgt.
Mit der Trennung von Laserquelle und passivem Resonator als Frequenz- konvertierer erfolgt auch eine Aufteilung der Aufgaben für den Laserresonator und den passiven Resonator, nämlich die Erzeugung eines stabilen, rauscharmen primären Laserstrahls in ersterem und die effiziente Frequenzkonversion in letzterem. Die Trennung von Laserquelle und Frequenzkonver- tierer, wie beispielsweise ein Frequenzverdoppler, eröffnet dem Konstrukteur daher zusätzliche Freiheitsgrade zur getrennten Optimierung der beiden Teile. So kann z.B. die Länge des nichtlinearen Kristalls allein für die Bedürfnisse der Frequenzkonversion optimiert werden, ohne dass sich das auf die Laserquelle auswirkt. Betriebseinschränkungen, wie z.B. eine maximal zu- lässige Pumpleistung für rauscharmen Betrieb, wie sie bei interner Frequenzverdopplung teilweise einzuhalten sind, entfallen bei der externen Frequenzkonversion. Das getrennte Optimieren von Laserquelle und Frequenz- konvertierer erleichtert dem Konstrukteur daher das Erfüllen von Anforderungsvorgaben.
Da sich die Leistung des primären Laserstrahls nicht ändert, wenn die optische Länge des Laserresonators vom Optimum abweicht, kann aus diesem Parameter kein Eingangssignal, etwa in Form eines Fehlersignals, für den Regler des erfindungsgemäßen Laserresonators abgeleitet werden.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Laseranordnung weist daher eine erste Messeinrichtung auf, die ausgebildet und angeordnet ist zur Erzeugung und Ausgabe eines von der Intensität des sekundären Laserstrahls abhängigen ersten Messsignals. Eine weitere Ausführungsform weist eine der ersten Messeinrichtung nachgeschaltete Auswertungseinheit auf, die ausgebildet ist, aus dem ersten Messsignal ein Fehlersignal auszugeben, das von der Abweichung der optischen Resonatorlänge von der optimalen Länge, d.h. der optischen Zwei-Moden- Länge, abhängig ist und eine Richtungsinformation beinhaltet, also z.B. positiv bei zu kleiner Resonatorlänge und negativ bei zu großer Resonatorlänge ist. Besonders bevorzugt wird das Fehlersignal als Eingangssignal an den ersten, zweiten oder dritten Regler geleitet . Hintergrund dieser Ausführungsbeispiele ist, dass die Leistung des frequenzkonvertierten Laserstrahls bei der optimalen Resonatorlänge ein Maximum annimmt. Die Detektion der frequenzkonvertierten Intensität kann daher ein Signal liefern, aus dem sich ein Eingangssignal für den Regelkreis gewinnen lässt.Der externe passive Resonator zur Frequenzkonversion dient dadurch zusätzlich als eine Art Detektor für die Modenstruktur des Laserresonators. Das erste Messsignal ist dann maximal, wenn die Modenstruktur symmetrisch um die Mittenfrequenz und damit optimal für den Laserbetrieb ist.
Insbesondere kann der externe passive Resonator zur Frequenzverdopplung ausgelegt sein. Bei der Frequenzverdopplung werden aufgrund der Eigen- schaffen nichtlinearer Kristalle aus der primären Laserstrahlung, die erfindungsgemäß zwei benachbarte Frequenzen vi und v2 enthält, zusätzlich drei weitere Frequenzen erzeugt, nämlich die doppelten Frequenzen 2vι und 2v2 sowie die Summenfrequenz v-\+v2 der beiden ursprünglichen Frequenzen. Die Frequenzen der beiden Lasermoden des primären Laserstrahls sind so dicht benachbart, dass sie innerhalb des Akzeptanzbereiches für Phasenanpassung im nichtlinearen Kristall liegen. Für die Summenfrequenzmischung liegt dann ebenfalls Phasenanpassung mit einem um Faktor 4 größeren Konversionskoeffizienten vor (siehe z.B. V.G. Dmitriev, G.G. Gurzadyan, N. Niko- gosyan, „Handbook of Nonlinear Optical Crystals", Springer Series in Optical Sciences, Vol.64, ISBN 3-540-65394-5). Die Intensitäten der drei Frequenzen verhalten sich demnach wie 1 :4:1.
Gegenüber herkömmlicher Multimode-Laserstrahlung zeichnet sich der frequenzkonvertierte Laserstrahl gemäß der Erfindung durch zwei sehr vorteilhafte Eigenschaften aus: Zum einen sind die drei enthaltenen Frequenzen exakt äquidistant mit einem Frequenzabstand von Δv=v2-v1, zum anderen sind in der mittleren Frequenz des frequenzverdoppelten Laserstrahls 2/3 der Gesamtleistung vereinigt. Die vorteilhafte Wirkung dieser Eigenschaften ist insbesondere von Bedeutung, wenn zwei externe passive Resonatoren hintereinander geschaltet werden, wie weiter unten erläutert werden wird.
Wenn die optische Länge des externen passiven Resonators einem ganz- zahligen Vielfachen der optischen Länge des Laserresonators entspricht, kann bei einem Zweimoden-Laser erreicht werden, dass der externe passive Resonator für beide Frequenzen des primären Laserstrahls resonant ist, so dass die gleiche Effizienz bei der Frequenzkonversion wie bei einem Einmo- den-Laser erreichbar ist. Im Gegensatz dazu kann bei einer Anordnung nach US5696780, bei der ein Vielmoden-Laser mit typischerweise 100 Moden extern frequenzkonvertiert wird, nur für einen Teil der Lasermoden im passiven Resonator Resonanz erreicht werden, da sich der Frequenzabstand der Moden durch die Dispersion im Laserresonator und im passiven Resonator nach unterschiedlichen nichtlinearen Gesetzmäßigkeiten ändert. Dadurch ist die erreichbare Effizienz bei einer solchen Anordnung geringer. Wegen des oben erwähnten „Mode Beating" weist der frequenzkonvertierte Laserstrahl einer Anordnung nach US5696780 eine Vielzahl von Schwebungen im niederfrequenten Bereich auf, deren Amplituden und Frequenzen sich auf komplizierte Weise mit Umgebungsparametern wie Luftdruck und Temperatur ändern. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasers umfasst dieser zur Frequenzkonversion mindestens zwei derart hintereinander geschaltete externe passive Resonatoren, dass der primäre Laserstrahl in den ersten externen passiven Resonator und der vom ersten externen passiven Resonator ausgehende frequenzkonvertierte Laserstrahl zur weiteren Frequenzkonversion in den zweiten externen passiven Resonator einkoppelbar ist. Sind die externen- passiven Resonatoren jeweils zur Frequenzverdopplung ausgelegt, so lässt sich mit dieser Ausgestaltung ein Laserstrahl mit gegenüber dem primären Laserstrahl vierfacher Frequenz erhalten.
Um eine möglichst hohe Konversionseffizienz zu erzielen, können in einer ersten Ausgestaltung der beiden externen passiven Resonatoren die optischen Längen beider Resonatoren einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Länge des Laserresonators entsprechen. Wenn die nichtlinearen Kristalle der externen passiven Resonatoren zur Frequenzverdopplung ausgelegt sind, wird dadurch beispielsweise erreicht, dass im zweiten externen passiven Resonator für alle drei Frequenzen des frequenzverdoppelten Laserstrahls Resonanz vorliegt. Durch Frequenzverdopplung und Summenfrequenzmi- schung wird ein „frequenzvervierfachter" Laserstrahl mit fünf benachbarten Frequenzen im Frequenzabstand Δv=v2-v1 erzeugt. Wegen der exakten Äqui- distanz kann kein störendes niederfrequentes Rauschen durch Schwebungen entstehen. Die erste der oben genannten sehr vorteilhaften Eigenschaften sorgt also dafür, dass ein Multimode-Laserstrahl mit hoher Effizienz in der Frequenz vervielfacht werden kann, ohne dass störende Schwebungsfrequenzen entstehen.
In einigen Anwendungen von ultravioletter Laserstrahlung wie z.B. in der Lithographie und der konfokalen Mikroskopie ist es jedoch von entscheidender Bedeutung, dass der Laserstrahl nur eine einzige Frequenz enthält. Um dies zu erreichen, ist in einer alternativen Ausgestaltung der beiden externen passiven Resonatoren daher die optische Länge des zweiten externen passiven Resonators derart eingestellt, dass sie sich deutlich von einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Länge des Laserresonators unterscheidet. Im Falle frequenzverdoppelnder nichtlinearer Kristalle in den passiven Resonatoren bedeutet dies beispielsweise, dass die optische Länge des zweiten passiven Resonators so dimensioniert ist, dass nur für die mittlere Frequenz vι+v2 des vom ersten passiven Resonator erzeugten frequenzverdoppelten Laserstrahls Resonanz vorliegt. Dadurch wird nur eine der drei vorhandenen Frequenzen verdoppelt und der neu erzeugte konvertierte Laserstrahl enthält nur noch die eine Frequenz 2(v-ι+v2).
Der passive Resonator hat in diesem Fall zusätzlich die Wirkung eines schmalbandigen Filters, das unerwünschte Frequenzen unterdrückt. Wäre die Leistung des in den zweiten passiven Resonator eingekoppelten Laserstrahls gleichmäßig auf die drei Frequenzen verteilt, so würde nur 1/3 dieser Leistung im Resonator zirkulieren. Wegen der quadratischen Abhängigkeit des Verdopplungsprozesses würde die Konversionseffizienz auf 1/9 des Wertes absinken, der bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform vorliegt, bei der alle drei Frequenzen resonant sind. Da im vorliegenden Fall die im Resonator zirkulierende Leistung nur auf 2/3 absinkt, wird die Konversionseffizienz nur auf 4/9 reduziert. Die zweite der obengenannten sehr vorteilhaften Eigenschaften sorgt daher für eine vierfach höhere Konversionseffizienz, wenn die Nebenmoden mit Hilfe des zweiten passiven Resonators zum Zweck des Einmoden- betriebes unterdrückt werden.
Bei den genannten Ausgestaltungen der beiden externen passiven Resonatoren handelt es sich daher um zwei weitgehend baugleiche Laserquellen für ultraviolette Laserstrahlung, von denen die erste Ausgestaltung Multimode- Laserstrahlung mit hoher Effizienz liefert, während die zweite Ausgestaltung Einmoden-Laserstrahlung mit 44% der Effizienz der ersten Ausgestaltung liefert. Die beiden Ausführungsformen unterscheiden sich lediglich in einer geringfügig unterschiedlichen optischen Länge des zweiten passiven Resonators. Es ist daher sogar möglich, eine Ausgestaltung durch Einführung eines optischen Elementes, das die Strahlgeometrie erhält und eine Änderung der optischen Weglänge ermöglicht, in die andere zu überführen und dadurch eine Umschaltung zwischen Mehrmoden- und Einmodenlaserstrahlung zu bewirken.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Laser mit externer Frequenzkonversion außerdem eine Pumplichtquelle sowie einen Regelkreis mit einem Detektor zum Detektieren hochfrequenter Leistungsschwankungen und einem Stellglied zum Einwirken auf die Pumplichtquelle derart, dass ungedämpfte Schwingungen in der Laserleistung unterdrückt werden. Dies wird im Folgenden näher erläutert.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der primäre Laser- strahl eines Festkörperlasers im Zweimodenbetrieb in e nen externen passiven Resonator eingekoppelt, um einen frequenzkonverti erten Laserstrahl zu erzeugen. Der passive Resonator wird zweckmäßigerwe se als Ringresonator (M.Brieger et al. „Enhancement of Single Frequency SHG in a Passive Ring Resonator", Optics Communications 38, 1981 , Seite 423) ausgeführt, um eine direkte Reflexion des primären Laserstrahls zurück in den Laserresonator zu vermeiden, da dies in der Regel zu Instabilitäten führt. Jedoch ist auch ein Ringresonator nicht rückwirkungsfrei, da die optischen Elemente im Resonator, insbesondere der nichtlineare Kristall, das Laserlicht in verschiedene Richtungen streuen können. Das entgegengesetzt zur Einstrahlrichtung gestreute Licht wird durch die Resonanzüberhöhung im Resonator verstärkt und gelangt als gerichteter Strahl zurück in den Laserresonator. Solange der Abstand zwischen Laserresonator und passivem Resonator konstant ist und die Rückstreuung sich streng linear mit der Laserleistung verhält, treten hierdurch keine Instabilitäten auf.
Bei passiven Resonatoren mit einem nichtlinearen Kristall können jedoch leistungsabhängige, nichtlineare Rückstreueffekte auftreten. Dies äußert sich darin, dass sich die Resonanzfrequenz des passiven Resonators mit der Leistung der im Resonator zirkulierenden Lichtwelle ändert. Die Änderung der Resonanzfrequenz führt wiederum zu einer Änderung der Leistung, da sich die Re- sonanzbedingung ändert. Dieses Phänomen wird bei der Methode des „Addi- tive Pulse Mode Locking" ausgenutzt, um bei einen kontinuierlich gepumpten Festkörperlaser, wie z.B. einen Titan-Saphir-Laser, Impulsbetrieb durch Modenkopplung herbeizuführen (siehe W.Koechner, „Solid State Laser Engineering", Springer Series in Optical Sciences, Seite 515, ISBN 3-540-60237-2). In der vorliegenden Erfindung kann dieses Phänomen jedoch zu einer unerwünschten Schwingung führen. Die Dynamik des Anregungsprozesses kann in einem optisch gepumpten Festkörperlaser zu einem Resonanzverhalten, der sog. Relaxationsschwingung führen. Es handelt sich dabei normalerweise um eine gedämpfte Schwingung, solange die Anregung des Lasermediums nicht impulsförmig erfolgt. Aus dieser gedämpften Relaxationsschwingung kann eine ungedämpfte Schwingung mit einer Modulationstiefe bis zu 100% entstehen, wenn eine nichtlineare Rückwirkung der oben beschriebenen Art vorhanden ist und der Abstand zwischen Laserresonator und passivem Resonator derart ist, dass durch eine geeignete Phasenbeziehung eine Rückkopp- lung entsteht. Die Frequenz der entstehenden Schwingung entspricht der Relaxationsresonanz und liegt typischerweise im Frequenzbereich zwischen 100kHz und 1 MHz, abhängig vom verwendeten aktiven Lasermaterial und von der Pumpleistung.
Bei der vorliegenden Erfindung würde ein Auftreten dieser ungedämpften Schwingung ein unerwünschtes Verhalten darstellen. Dieses ließe sich im Prinzip dadurch vermeiden, dass man den Abstand zwischen Laserresonator und passivem Resonator so gestaltet, dass aus der Rückkopplung eine Gegenkopplung wird und dadurch die ungedämpfte Schwingung wieder zu einer gedämpften Schwingung wird. Jedoch muss der Abstand hierfür dauerhaft auf Bruchteile der Wellenlänge genau eingehalten werden, was nur mit einer aufwendigen elektronischen Regelung mit Piezostellglied möglich wäre.
In der vorliegenden Erfindung wird ein weniger aufwändiger Weg gewählt, die beschriebenen Oszillationen zu verhindern. Wie schon weiter oben in der Diskussion der Rauschquellen erwähnt wurde, kann das durch die gedämpfte Relaxationsschwingung hervorgerufene Rauschen eines diodengepumpten Festkörperlasers mit Hilfe einer elektronischen Gegenkopplung reduziert wer- den (siehe Harb et al., „Suppression of the Intensity Noise in a Diode-pumped NeodymiumΥAG Nonplanar Ring Laser", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 30, No. 12 1994, p2907). Dabei werden die hochfrequenten Leistungsschwankungen der primären Laserstrahlung mit Hilfe eines Photodetek- tors in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird elektronisch verstärkt und nach einer eventuellen Frequenzgang- und Phasenkorrektur zum Betriebsstrom der Laserdiode bzw. des Laserdiodenarrays hinzuaddiert.
Im Prinzip ist dies auch mit anderen Pumplichtquellen möglich, sofern die Pumplichtleistung genügend schnell auf den Betriebsstrom reagiert. Dieses Gegenkopplungsverfahren wurde in der erwähnten Veröffentlichung ausschließlich zur Reduzierung des Rauschens eingesetzt. In der vorliegenden Erfindung wird es jedoch zur Vermeidung einer ungedämpften Schwingung der Laserleistung eingesetzt, die aus dem Zusammenwirken der Relaxationsresonanz des laseraktiven Mediums und der nichtlinearen, optischen Rückwir- kung eines passiven Resonators entsteht.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Laser mit nur einer Frequenzkonversionsstufe,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Laser mit zwei Frequenzkonversionsstufen,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Laser mit einem Regelkreis zur Stabilisierung des Zweimodenbetriebs,
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Laser mit einem Regelkreis zur Dämpfung von Relaxationsschwingungen, Fig. 5 eine schematische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der verschiedenen Elemente im Laserresonator,
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Leistung des primären und des frequenzkonvertierten Laserstrahls in Abhängigkeit von der Tem- peratur des Laserresonators gemäß Fig. 3,
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Frequenzspektrums von primärem und frequenzvervielfachten Laserstrahlen bei einer Ausführungsform mit mehrfrequentem resultierendem Laserstrahl,
Fig. 8 eine schematische Darstellung des Frequenzspektrums von primä- rem und frequenzvervielfachten Laserstrahlen bei einer Ausführungsform mit einfrequentem resultierendem Laserstrahl und
Fig. 9 Oszilloskopaufnahmen von Relaxationsschwingungen nach einem
Störungsimpuls mit a) angekoppeltem Frequenzverdoppler, b) ohne Frequenzverdoppler, ohne elektronische Gegenkopplung und c) mit elektronischer Gegenkopplung.
Die Erfindung stellt insbesondere einen optisch gepumpten, speziell einen diodengepumpten, kontinuierlichen Festkörperlaser mit externer Frequenzkonversion zur Verfügung. Ein Laserkristall als aktives Medium in einem Laserresonator erzeugt einen primären Laserstrahl mit einer Grundwellenlänge, aus dem mit Hilfe externer resonanter Frequenzkonversion ein oder mehrere frequenzkonvertierte Laserstrahlen erzeugt werden. Durch Anregung von genau zwei longitudinalen Lasermoden im Laserresonator wird mit relativ geringem Aufwand eine hohe Gesamteffizienz und ein sehr niedriges Rauschen erreicht. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die frequenz- konvertierte Strahlung drei oder mehr Frequenzen. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die frequenzkonvertierte Laserstrahlung nur eine einzige Frequenz und entspricht daher der Strahlung eines Einmo- den-Lasers. In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird hierauf im Detail eingegangen
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist einen Zweimodenlaser 7, eine Transferoptik 8 und eine Frequenzverdopplungseinheit 9 auf. Der Zweimoden- laser 7 umfasst eine Laserdiode 1 als eine einen Pumplichtstrahl 11 aussendende Pumplichtquelle, eine Fokussieroptik 2, die der Einfachheit halber als Einzellinse dargestellt ist, sowie einen Laserresonator 6 mit einem näherungsweise mittig darin angeordneten Laserkristall 5, einem Einkoppelspiegel 3 zum Einkoppeln des Pumplichtstrahles und einem Auskoppelspiegel 4 zum Auskoppeln des Laserstrahls.
Der von der Laserdiode 1 erzeugte Pumplichtstrahl 11 wird mit Hilfe der Fokussieroptik 2 über den Einkoppelspiegel 3 in den Laserkristall 5 fokussiert. Als Laserkristall findet vorzugsweise das Material Nd:YVO Anwendung, da es eine hohe Effizienz besitzt und polarisiertes Laserlicht erzeugt. Der Einkoppel- spiegel 3 ist für die Wellenlänge der Pumpstrahlung transparent und für die Grundwellenlänge des Lasers hochreflektierend. Der Auskoppelspiegel 4 ist als Etalon ausgebildet ist und wird daher im Folgenden auch Auskoppeletalon genannt. Das Auskoppeletalon 4 ist eine planparallele Platte aus Quarz, die auf der nach innen gerichteten Fläche unbeschichtet und auf der nach außen gerichteten Fläche teilreflektierend für die Grundwellenlänge des Lasers beschichtet ist. Der Reflexionsgrad dieser Schicht wird um die Fresnelreflexion der Innenseite niedriger gewählt als der Wert, der für die typischen Betriebparameter des Lasers optimal ist. Die Reflektivität des Auskoppeletalons hat dann eine ähnlich wie in der mittleren Kurve von Fig. 5 dargestellte Frequenz- abhangigkeit, die bei passend gewählter Dicke die unerwünschten Lasermoden ausreichend unterdrückt. Bei einer optischen Resonatorlänge von ca. 30mm, einer Dicke des Auskoppelspiegels von 2mm und einem Reflexionsgrad von ca. 90% wurde Zweimodenbetrieb bis mehrere Watt Ausgangsleistung erreicht. Die in Fig. 1 als einfache Linse dargestellte Transferoptik 8 leitet den primären Laserstrahl 12 unter Modematching-Bedingungen in den Frequenzverdoppler 9. Dieser ist schematisch als passiver Ringresonator mit drei Spiegeln 26a, 26b und 26c und einem nichtlinearen Kristall 10 dargestellt, weitere De- tails, wie z.B. die Resonatorlängenstabilisierung wurden der Einfachheit halber weggelassen. Als Materialien für den nichtlinearen Kristall kommen beispielsweise LiNbO3, KTP, LBO oder BBO in Frage. Abgesehen von der optischen Resonatorlänge, die auf ein ganzzahliges Vielfaches der Länge des Laserresonators eingestellt wird, ist die genaue Ausführungsform des passiven Reso- nators für die vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Der im nichtlinearen Kristall 10 erzeugte frequenzverdoppelte Laserstrahl tritt als resultierender Laserstrahl 13 aus, der im Allgemeinen im sichtbaren Spektralbereich liegt. So lassen sich z.B. mit Nd:YVO die Wellenlängen 532nm oder 670nm erzeugen. Insbesondere lässt sich mit der beschriebenen Anordnung bei einer Pumpleistung der Laserdiode von 4W bei 808nm eine Leistung des primären Laserstrahls von 2W bei 1064nm und eine Leistung des frequenzverdoppelten Strahls von mehr als 1W bei 532nm erzielen. Die Effizienz beim Erzeugen des frequenzverdoppelten Laserstrahls aus dem Pumpstrahl beträgt dabei mehr als 20%.
Im zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 2) sind zwei externe passive Resonatoren 9, 15 als Frequenzkonversionsstufen vorhanden. Im nachgeordneten zweiten passiven Resonator 15 wird aus dem im ersten passiven Resonator erzeugten frequenzverdoppelten Laserstrahl mit Hilfe eines geeigneten nichtlinearen Kristalls 16 ein Laserstrahl mit der vierfachen Frequenz der primären Laserstrahlung erzeugt. Um eine möglichst hohe Konversionseffizienz zu erreichen, wird die optische Länge des zweiten passiven Resonators 15 so dimensioniert, dass für alle drei Frequenzen des frequenzverdoppelten Laserstrahls Resonanz vorliegt. Im Folgenden wird dieses Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher beschrieben.
Der in Fig. 2 dargestellte Laser unterscheidet sich vom in Fig. 1 dargestellten Laser lediglich dadurch, dass eine zweite Transferoptik 17 und ein zweiter externer passiver Resonator 15 vorhanden sind, die dem ersten externen passiven Resonator nachgeordnet sind. Über die zweite Transferoptik 17 wird der frequenzverdoppelte Laserstrahl 13 in die zweite Frequenzverdopplungseinheit 15 eingekoppelt. Die zweite Frequenzverdopplungseinheit 15 umfasst wie die erste Frequenzverdopplungseinheit einen nichtlinearen Kristall 16, mit dessen Hilfe ein frequenzvervierfachter Laserstrahl 14 erzeugt wird. Der resultierende Laserstrahl 14 hat dann üblicherweise eine Wellenlänge im ultravioletten Spektralbereich. Bei Verwendung des Materials Nd:YVO4 lassen sich z.B. die Wellenlängen 266nm oder 335nm erzeugen. Die detaillierten spektra- len Eigenschaften des resultierenden Laserstrahls hängen von der genauen Ausführungsform der zweiten Frequenzkonversionsstufe ab. Die erste Frequenzverdopplerstufe 9 wird vorzugsweise so ausgeführt, dass sie für beide Frequenzen des primären Laserstrahls resonant ist. Dies wird erreicht, indem die optische Resonatorlänge des Resonators 9 auf ein ganzzahliges Vielfa- ches der optischen Resonatorlänge des Laserresonators 6 abgestimmt wird. Das Frequenzspektrum der zweiten Harmonischen 13 ist in Fig. 7 (Mitte) dargestellt. Das Spektrum besteht aus einer Hauptlinie mit zwei Satelliten mit einer jeweils um einen Faktor 4 geringeren Intensität. Die zweite Frequenzverdopplerstufe 15 kann nun wahlweise in zwei Ausgestaltungen ausgeführt sein.
In der ersten Ausgestaltung ist die zweite Frequenzverdopplerstufe 15 derart ausgeführt, dass sie für alle drei Frequenzen der zweiten Harmonischen resonant ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die optische Resonatorlänge des Resonators 15 ebenfalls auf ein ganz∑ahliges Vielfaches der optischen Resonatorlänge des Laserresonators 6 abgestimmt wird. In diesem Fall wird die gesamte zur Verfügung stehende Leistung der zweiten Harmonischen 13 zur Erzeugung der vierten Harmonischen 14 benutzt und somit die maximal mögliche Effizienz erzielt. Das Frequenzspektrum der vierten Harmonischen enthält in diesem Fall fünf Frequenzen, wie in Fig. 7 (unten) dargestellt. Au- ßerdem enthält das Rauschspektrum des frequenzvervierfachten Laserstrahls keine Schwebungsfrequenzen, die kleiner sind als der Frequenzabstand der Longitudinalmoden des primären Laserstrahls. Diese Ausgestaltung ist für Anwendungen optimal, bei denen eine hohe Ausgangsleistung bzw. Effizienz gefordert ist, aber das Frequenzspektrum im Detail keine Rolle spielt.
Für Anwendungen, die weniger Leistung, jedoch einen einfrequenten Laserstrahl erfordern, kann die Ausführungsform nach Fig. 2 so modifiziert werden, dass nur die Hauptlinie der zweiten Harmonischen zur Erzeugung der vierten Harmonischen verwendet wird. Dazu wird die Resonatorlänge des zweiten passiven Resonators 15 so abgestimmt, dass sie von einem ganzzahligen Vielfachen der Resonatorlänge des Laserresonators 6 deutlich verschieden ist. Somit kann der zweite passive Resonator 15 nur noch zu einer der drei Frequenzen der zweiten Harmonischen resonant sein und damit auch nur eine der drei Frequenzen effizient verdoppeln. Zweckmäßigerweise wird die elektronische Resonatorlängenstabilisierung des zweiten passiven Resonators 15 so gestaltet, dass sie nur auf die Hauptlinie, nicht aber auf die Satellitenlinien stabilisiert, um die höchstmögliche Effizienz für diesen Fall zu erhalten. Das Frequenzspektrum von primärem, frequenzverdoppeltem und frequenzvervierfachtem Laserstrahl für diese Ausführungsform ist in Fig. 8 schematisch dargestellt. Das Frequenzspektrum der resultierenden vierten Harmonischen dieser Ausführungsform der Erfindung enthält nur eine einzige Frequenz und unterscheidet sich demnach nicht vom Frequenzspektrum eines frequenzver- vierfachten Einmodenlasers. Das Rauschspektrum des frequenzvervierfachten Laserstrahls dieser Ausgestaltung enthält keine Schwebungsfrequenzen, die aus der Überlagerung benachbarter Frequenzen entstehen.
Es ist wünschenswert, dass der Zweimodenbetrieb auch bei Änderung von Umgebungsparametern wie Temperatur und Druck auf Dauer gewährleistet bleibt. Da die frequenzabhängigen Elemente in einem Laser im Allgemeinen empfindlich von solchen Umgebungsparametern abhängen, müssen diese durch Regelschleifen stabilisiert werden, wie das auch bei Einmoden-Lasem allgemein üblich ist. Im Gegensatz zu Vielmoden-Lasern, wie z.B. gemäß US5446749 bzw. US5696780, bei denen geringere Ansprüche bezüglich des Rauschens und der Leistungsstabilität gestellt werden und Fluktuation der Modenanzahl in der Statistik von etwa 100 Moden verborgen werden, ist bei der vorliegenden Erfindung eine Schwankung der Modenzahl nicht erwünscht, da sich die Eigenschaften des Lasers deutlich ändern, wenn sich die Modenzahl z.B. von zwei auf drei erhöht. Zwar ändert sich die Leistung des aus dem Laserresonator ausgekoppelten primären Laserstrahls nur unwesentlich, wenn sich die Modenanzahl ändert, jedoch ist die Leistung der im passiven Resonator umlaufenden Lichtwelle und damit die Leistung des frequenzkonvertierten Laserstrahl stark von der Modenanzahl abhängig. Durch „Mode-Pulling" und Dispersionseffekte des laseraktiven Mediums im Laserresonator und des nichtlinearen Kristalls im passiven Resonator wird die sonst vorliegende Äqui- distanz der Frequenzen der Resonatormoden aufgehoben. Um eine möglichst hohe Effizienz der Frequenzkonversion zu erreichen, wird die optische Resonatorlänge des passiven Resonators so eingestellt, dass die Frequenzen der beiden aktiven Lasermoden möglichst exakt resonant sind. Treten nun weitere Lasermoden hinzu, so wird dies nicht mehr exakt gelingen. Dadurch wird die Resonanzüberhöhung im passiven Resonator vermindert und in Folge die Effizienz der Frequenzkonversion verringert. Einerseits erfordert dieses Verhalten Maßnahmen zur Stabilisierung der Ausgangsleistung des Lasers, da die sonst zu erwartenden Leistungsschwankungen inakzeptabel sind, andererseits bietet gerade dieses Verhalten erst die Möglichkeit, ein Korrektursig- nal aus der Variation der frequenzkonvertierten Ausgangsleistung bzw. der im passiven Resonator zirkulierenden Leistung zu gewinnen, das für eine Regelschleife zur Stabilisierung der frequenzbestimmenden Elemente verwendet werden kann. In den bekannten Techniken zur elektronischen Stabilisierung von Einmodenlasern, z.B. gemäß US5107511 bzw. US5144632, wird die deutlich wahrnehmbare Variation der Laserleistung beim Verstimmen eines der frequenzbestimmenden Elemente, wie z.B. einem Etalon dazu benutzt, ein Korrektursignal zur Regelung des Stellelementes zu gewinnen. Die Laserleistung nimmt um bis zu 20% ab, wenn z.B. das Etalon gegenüber der Optimaleinstellung verstimmt wird. In der vorliegenden Erfindung liefert die Leistung des im Laserresonator erzeugten primären Laserstrahls kein derart eindeutiges Kriterium für die Etaloneinstellung bzw. der Resonatorlänge. Die Variation der Laserleistung bei Abstimmung des Etalons bleibt deutlich unter 1%, da zu jeder Zeit mindestens zwei Lasermoden aktiv sind. Die Schwächung einer Lasermode durch eine ungünstige Etaloneinstellung bewirkt gleichzeitig eine Stärkung der anderen Lasermode. Kommen weitere, unerwünschte Lasermoden dazu, so wird das Verhalten noch indifferenter. Der gewünschte Zustand von genau zwei Lasermoden, deren Frequenzen symmetrisch zum Maximum der Verstärkung des aktiven Mediums liegen, zeichnet sich nicht durch ein Maximum oder Minimum der Leistung des primären Laserstrahls aus. Solange die primäre Laserstrahlung mit der Grundwellenlänge die Nutzstrahlung darstellt, besteht insofern auch keinerlei Notwendigkeit von Stabilisierungsmaßnahmen, da die Leistungsstabilität, das Rauschen sowie die Gesamteffizienz gute Werte aufweisen. Erst durch die Frequenzkonversion ergibt sich die Notwendigkeit und gleichzeitig auch die Möglichkeit von Stabilisierungsmaßnahmen, indem der passive Resonator als eine Art Detektor für die Modenstruktur des primären Laserstrahls genutzt wird.
In US4398293 wird die Änderung einer Schwebungsfrequenz dazu genutzt, um die Wellenlänge eines Lasers zu stabilisieren. Es handelt sich dabei allerdings um die Schwebungsfrequenz zwischen zwei Moden mit unterschiedlichem Polarisationszustand, aber gleicher longitudinaler Modennummer. Daher ist der Frequenzabstand dieser Moden mit etwa 300kHz sehr gering und mit Standard-Elektronikkomponenten auswertbar. Bei Modenabständen von einigen GHz ist eine rein elektronische Auswertung von Schwebungsfrequenzen dagegen sehr aufwendig und wird in der vorliegenden Erfindung deshalb nicht verwendet.
Für den angestrebten Zweimodenbetrieb ist es notwendig, dass die frequenzbestimmenden Elemente im Laserresonator synchronisiert werden. Eine Vor- zugsfrequenz des Etalons wird dabei auf die Frequenz v0 der maximalen Verstärkung des aktiven Mediums abgestimmt. Die optische Länge des Laserresonators wird so abgestimmt, dass d e Frequenzen der zwei aktiven Moden symmetrisch zur Mittenfrequenz v0 I egen. Um den Zweimodenbetrieb auf Dauer zu gewährleisten, ist eine akt ve Regelung hilfreich, da die optische Länge des Laserresonators empfindlich von Umgebungsparametern wie Druck und Temperatur abhängt. Sowohl die Resonatorlänge als auch die Eta- lonvorzugsfrequenz lassen sich z.B. mit Hilfe einer aktiven Temperaturregelung steuern. Sofern die Temperaturabhängigkeit der Frequenzen des Laserresonators und des Etalons sehr verschieden sind, was durch eine geeignete Auswahl der Materialien für den Resonatorkörper und das Etalon immer er- reicht werden kann, und sofern das Etalon mit dem Resonatorkörper wärmeleitend verbunden wird, können beide Elemente durch eine gemeinsame Temperatur mit nur einer Regelschleife geregelt werden. Dabei wird die gemeinsame Temperatur zunächst grob nach Maßgabe des Elementes mit der geringeren Temperaturabhängigkeit, z.B. des Etalons, eingestellt. Aufgrund dieser Einstellung ergibt sich eine bestimmte Auswahl der aktiven Lasermoden. Die Feineinstellung der Temperatur erfolgt nun in Hinblick auf die Sym- metrisierung der aktiven Moden in Bezug auf die Mittenfrequenz vo.
Ein Ausführungsbeispiel, mit dem der Zweimodenbetrieb auch unter sich ändernden Umgebungsbedingungen mit Hilfe einer derartigen Regelschleife ge- währleistet ist, zeigt Fig. 3. Vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 unterscheidet es sich lediglich durch die Regelschleife. Ein Stellelement 17, vorzugsweise ein Peltierelement, wird am Laserresonator 6 angebracht, um damit die gemeinsame Temperatur des abstandsbestimmenden Materials 24 des Laserresonators 6 und des als Etalon ausgebildeten Auskoppelspiegels 4 zu steu- ern. Mit einem Detektor 19 wird ein elektrisches Signal erzeugt, das zur Leistung des resultierenden Laserstrahls 13 proportional ist. Fig. 5 zeigt schematisch die Frequenzabhängigkeit der verschiedenen Elemente im Laserresonator 6. Die obere Kurve zeigt das Verstärkungsprofil des Laserkristalls 5, die mittlere Kurve die Reflektivität des Auskoppeletalons 4 und die untere Kurve die Resonanzen des Laserresonators 6. Die Vorzugsfrequenzen des Auskoppeletalons 4 sind diejenigen Frequenzen, bei denen die Reflektivität des Auskoppeletalons 4 maximal und damit die Resonatorverluste minimal sind. Um Zweimodenbetrieb zu erreichen, muss eine Vorzugsfrequenz des Auskoppeletalons 4 etwa mit der Mittenfrequenz v0 des aktiven Materials ü- bereinstimmen, und die Frequenzen zweier benachbarter Lasermoden gemäß der unteren Kurve in Fig. 5 müssen etwa symmetrisch zu v0 liegen. Da beide Bedingungen nur mit einer begrenzten Genauigkeit eingehalten werden müs- sen, genügt es, einen einzigen Parameter, nämlich die gemeinsame Temperatur von Laserresonator 6 und Auskoppeletalon 4 zur Abstimmung zu verwenden. Man wählt hierzu die Materialien z.B. so aus, dass sich die Lasermoden des Laserresonators 6 wesentlich schneller mit der Temperatur verschieben als die Vorzugsfrequenzen des Auskoppeletalons 4. Die gemeinsame Temperatur von Laserresonator 6 und Auskoppeletalon 4 wird nun zunächst grob nach dem ersten Kriterium eingestellt, so dass also eine Vorzugsfrequenz des Etalons mit v0 übereinstimmt. Dann wird die Temperatur nur noch geringfügig korrigiert, so dass das zweite Kriterium, also zwei symmetrisch zu vo liegende Lasermoden, erfüllt ist. Die hierfür notwendige Temperaturänderung ist so gering, dass das erste Kriterium mit ausreichender Genauigkeit noch erfüllt ist. Ändert man die gemeinsame Temperatur über einen großen Bereich, so verhält sich die Leistung des frequenzkonvertierten Laserstrahls etwa so wie in der unteren Kurve von Fig. 6 dargestellt. Im Gegensatz zu der in der oberen Kurve dargestellten Leistung des primären Laserstrahls weist diese Kurve deutliche Maxima auf. Dieser Messparameter eignet sich daher als Korrektursignal für einen Regler 18, der die gemeinsame Temperatur von Laserresonator 6 und Auskoppeletalon 4 so regelt, dass sich eine maximale Leistung des resultierenden frequenzkonvertierten Laserstrahls einstellt. Es sind sowohl analoge wie digitale elektronische Verfahren bekannt, die hierzu verwendet werden können.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung zeigt Fig. 4. In diesem Ausführungsbeispiel können ungedämpfte Relaxationsschwingungen in der Laserleistung vermieden werden.
Ein Strahlteiler 25 wird dazu verwendet, einen Teil des primären Laserstrahls auf einen Detektor 20 zu lenken. Die Leistungsschwankungen des primären Laserstrahls im Frequenzbereich von einigen Hz bis einige 10MHz werden von diesem Detektor 20 in ein elektrisches Signal umgewandelt, das einer Regelelektronik 21 zugeführt wird. Die Regelelektronik 21 umfasst im Wesent- liehen einen Hochfrequenzverstärker mit Phasenkorrektur. Das Ausgangssignal der Regelelektronik 21 wird zu dem Injektionsstrom für die Laserdiode 1 aus dem Stromversorgungsgerät 22 hinzuaddiert. Der Verstärkungsfaktor der Regelelektronik wird so eingestellt, dass Frequenzen in der Umgebung der Relaxationsschwingung optimal gedämpft werden. Damit werden ungedämpfte Relaxationsschwingungen vermieden, die aufgrund von Rückstreuungen 23 aus dem passiven Resonator 9 entstehen können.
Fig. 9 zeigt Oszilloskopaufnahmen der Leistung des primären Laserstrahls mit einer Zeitablenkung von 2μs/Skalenteil. Kurve a) zeigt den Fall einer ungedämpften Relaxationsschwingung bei angekoppeltem passivem Resonator. Kurve b) zeigt eine gedämpfte Relaxationsschwingung nach einer impuls- artigen Störung des Laserdiodenstromes. Der passive Resonator wurde dabei abgeblockt und die Regelung abgeschaltet. Bei Kurve c) wurde die Regelung eingeschaltet und die Verstärkung optimal eingestellt, so dass die Relaxationsschwingung optimal gedämpft ist. Bei Ankopplung des passiven Resonators konnten nun keine ungedämpften Schwingungen mehr beobachtet wer- den.
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Erfindung ermöglicht es, einen kontinuierlichen, frequenzkonvertierten, optisch gepumpten Festkörperlaser zur Verfügung zu stellen, der eine hohe optisch-optische Gesamteffizienz aufweist, dessen Rauschen im relevanten Frequenzbereich unterhalb von etwa 1GHz ähnlich niedrig wie bei einem Einmoden-Laser ist, dessen Ausgangsleistung nach der ersten Frequenzkonversionsstufe mindestens 300mW beträgt und der einfacher und kostengünstiger herstellbar ist als ein Einmoden-Laser vergleichbarer Leistung.
Ein derartiger Laser kann insbesondere erzeugt werden, indem ein optisch gepumptes, aktives Festkörper-Lasermedium, wie z.B. Nd:YAG oder Nd:YVO4, in der Mitte eines Laserresonators mit zwei Spiegeln angeordnet wird und ein frequenzselektives Element, wie z.B. ein Etalon, im Laserresonator verwendet wird, so dass sich genau zwei benachbarte longitudinale Lasermoden bilden, und der aus dem Laserresonator ausgekoppelte primäre Laserstrahl mit einer Grundwellenlänge in einem oder in mehreren externen, passiven Resonatoren mit einem oder mehreren nichtlinearen Kristallen zu einem Laserstrahl einer anderen Wellenlänge konvertiert wird. Eine Steuerung der frequenzabhängigen Elemente im Laserresonator mit Hilfe von Regelschleifen bietet bei Bedarf die Möglichkeit, den Zweimodenbetrieb und damit die gewünschten Lasereigenschaften dauerhaft zu gewährleisten.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der Merkmale weitere Ausführungsformen zu realisieren.

Claims

Patentansprüche
1. Laserresonator (6) mit einem darin angeordneten Verstärkungsmedium (5) und mit einem im Laserresonator angeordneten frequenzselektiven Element (4), das ein frequenzabhängiges Abschwächungsprofil auf- weist, wobei das frequenzselektive Element in der Frequenzabhängigkeit des Abschwächungsprofils und der Laserresonator in seiner optischen Länge derart abstimmbar ausgebildet sind, dass bei einer einstellbaren optischen Zwei-Moden-Länge des Laserresonalors ein primärer Laserstrahl mit genau zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden aus dem Laserresonator ausgekoppelt werden kann, gekennzeichnet durch einen ersten Regler, der zum Steuern der optischen Länge des Laserresonators in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, o- derden ersten und zusätzlich einen zweiten Regler, der zum Steuern des Abschwächungsprofils des frequenzselektiven Elements in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, oder einen dritten Regler, der zum Steuern sowohl der optischen Länge des Laserresonators als auch des Abschwächungsprofils des frequenzselektiven Elements in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ausgebildet ist, wobei das Eingangssignal vom Unterschied der Intensität der beiden Lasermoden abhängig ist und der erste, zweite bzw. dritte Regler ausgebildet ist, die Steuerung derart vorzunehmen, dass der primäre Laserstrahl dauerhaft mit gleicher oder mit annähernd gleicher Intensität der zwei Lasermoden ausgekoppelt werden kann.
2. Laserresonator nach Anspruch 1 , bei dem der erste oder der dritte Regler ein Steuersignal erzeugt und an ein erstes Stellglied ausgibt, das zum Ändern der Temperatur des Laserresonators (6) ausgebildet ist.
3. Laserresonator nach Anspruch 2, bei dem das erste Stellglied zusätzlich zum Ändern der Temperatur des frequenzselektiven Elementes (4) aus- gebildet ist.
4. Laserresonator nach Anspruch 1 , bei dem der zweite oder der dritte Regler ein Steuersignal erzeugt und an ein zweites Stellglied ausgibt, das zum Ändern der Temperatur des frequenzselektiven Elementes (4) ausgebildet ist.
5. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , bei dem das frequenzselektive Element als Etalon (4) oder als Kombination mehrerer Etalons ausgebildet ist .
6. Laserresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , bei dem das frequenzselektive Element als doppelbrechendes Filter oder als Kombina- tion eines oder mehrerer Etalons mit einem doppelbrechenden Filter ausgebildet ist .
7. Laserresonator nach Anspruch 5 oder 6, bei dem mindestens eines der Etalons ein als Etalon ausgebildeter Auskoppelspiegel (4) ist.
8. Laserresonator nach einem der Ansprüche 5 bis 7 , bei dem mindestens ein Etalon (4) als winkelabstimmbares Etalon ausgebildet ist.
9. Laserresonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Verstärkungsmedium ein Verstärkungsprofil mit einer Mittenfrequenz v0 aufweist, bei der das Verstärkungsprofil ein Maximum hat, und bei dem bei der optischen Zwei-Moden-Länge des Laserresonators die Frequen- zen der zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden symmetrisch o- der annähernd symmetrisch um die Mittenfrequenz v0 liegen.
10. Laserresonator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem mindestens ein Etalon (4) eine Frequenz minimaler Abschwächung (Vorzugsfrequenz) aufweist, die auf die Mittelfrequenz v0 des Verstärkungsprofils abstimmbar ist, und bei dem die Bandbreite des Etalons (4) derart gewählt ist, dass nur die zwei benachbarten longitudinalen Lasermoden im Laserresonator verstärkt werden.
11. Laserresonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Temperaturabhängigkeit der optischen Länge des Laserresonators (6) und die Temperaturabhängigkeit der Vorzugsfrequenz des frequenzselektiven Elementes so ausgebildet sind, dass allein durch Regelung der gemeinsamen Temperatur des Laserresonators und des frequenzselektiven Elementes ein dauerhafter Zweimodenbetrieb erzielt werden kann.
12. Laseranordnung, mit einem Laserresonator nach einem der vorangehenden Ansprüche und mindestens einem externen passiven Resonator (9) mit einem nichtlinearen Kristall (10), der zur Erzeugung eines sekun- dären Laserstrahls durch Frequenzkonversion eines vom Laserresonator (6) ausgehenden primären Laserstrahls (12) angeordnet und ausgebildet ist.
13. Laseranordnung nach Anspruch12, mit einer ersten Messeinrichtung, die ausgebildet und angeordnet ist zur Erzeugung und Ausgabe eines entweder von der Leistung oder der Intensität oder der Energie des sekundären Laserstrahls abhängigen ersten Messsignals.
14. Laseranordnung nach Anspruch13, mit einer mit der ersten Messeinrichtung nachgeschalteten Auswertungseinheit, die ausgebildet ist, ein vom ersten Messsignal abhängiges an den ersten, zweiten oder dritten Reg- ler ein Fehlersignal auszugeben,, das Information über Richtung und
Größe einer Abweichung der Stellgröße von einer Optimalstellung enthält.
15. Laser nach einem der Ansprüchen bis 14, bei dem der externe passive Resonator (9) zur Frequenzverdopplung des primären Laserstrahls (12) ausgelegt ist.
16. Laseranordnung nach einem der Ansprüche12 bis 15, bei der die optische Länge des externen passiven Resonators (9) ein ganz∑ahliges Vielfaches der optischen Länge des Laserresonators (6) ist oder auf ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Länge des Laserresonators einstellbar ist.
17. Laseranordnung nach einem der Ansprüche12 bis 16, die mindestens zwei hintereinander geschaltete externe passive Resonatoren (9, 15) umfasst derart, dass der primäre Laserstrahl (12) in den ersten externen passiven Resonator (9) und der vom ersten externen passiven Resonator (9) ausgehende frequenzkonvertierte sekundäre Laserstrahl (13) zur weiteren Frequenzkonversion in den zweiten externen passiven Resonator (15) einkoppelbar ist.
18. Laseranordnung nach Anspruch17, bei der die optischen Längen der externen passiven Resonatoren (9, 15) ein ganzzahligen Vielfaches der optischen Länge des Laserresonators (6) sind oder auf ein ganzzahliges Vielfaches der optischen Länge des Laserresonators einstellbar sind.
19. Laseranordnung nach Anspruch18, bei der die optische Länge des zwei- ten externen passiven Resonators (15) derart eingestellt oder einstellbar ist, dass sie sich deutlich von einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Länge des Laserresonators (6) unterscheidet.
20. Laseranordnung nach Anspruch19, bei der der zweite externe passive Resonator (15) ein optisches Element umfasst, das eine Änderung der optischen Weglänge bewirkt.
21. Laseranordnung nach einem der Ansprüche12 bis 20, die eine Pumplichtquelle (1 ) und einen Regelkreis umfasst, wobei der Regelkreis einen Detektor (20) zum Delektieren hochfrequenter Leistungsschwankungen des primären Laserstrahls (12) und ein Stellglied zum Einwirken auf die Pumplichtquelle (1 ) aufweist derart, dass ungedämpfte Schwingungen in der Laserleistung unterdrückt werden.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9293882B2 (en) 2013-09-10 2016-03-22 Kla-Tencor Corporation Low noise, high stability, deep ultra-violet, continuous wave laser
US9509112B2 (en) 2013-06-11 2016-11-29 Kla-Tencor Corporation CW DUV laser with improved stability
US10175555B2 (en) 2017-01-03 2019-01-08 KLA—Tencor Corporation 183 nm CW laser and inspection system
CN113346347A (zh) * 2021-05-06 2021-09-03 电子科技大学 一种用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITFI20040199A1 (it) * 2004-09-24 2004-12-24 Gabriele Ferrari Procedimento e dispositivo moltiplicatore di frequenze ottiche per un fattore 1.5
EP2520250B1 (de) 2011-05-04 2014-02-19 Medtentia International Ltd Oy Medizinische Vorrichtung für ein Herzklappenimplantat
DE102012208912B4 (de) * 2012-05-25 2013-12-12 Crylas Crystal Laser Systems Gmbh Laseranordnung zur Erzeugung einerzweifach frequenzkonvertierten Laserstrahlung
DE102018200078B4 (de) * 2018-01-04 2020-07-02 Innovavent Gmbh Optisches System und Verfahren zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie
DE102022104383B3 (de) * 2022-02-24 2023-02-09 Crylas Crystal Laser Systems Gmbh Laseranordnung und Verfahren zur Inbetriebnahme

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63239995A (ja) * 1987-03-27 1988-10-05 Yokogawa Electric Corp 外部共振形レ−ザ装置
US4845716A (en) * 1986-01-09 1989-07-04 Veb Kombinat Feinmechanische Werke Halle Arrangement for the wavelength-selective internal intensity modulation and radiation pulse generation of high power CO2 lasers
US5068546A (en) * 1990-03-15 1991-11-26 Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. Solid state laser operating with frequency doubling and stabilized by an external resonator
US5218610A (en) * 1992-05-08 1993-06-08 Amoco Corporation Tunable solid state laser
US5253099A (en) * 1990-10-09 1993-10-12 Alcatel N.V. Reflective optical modulator
US5572543A (en) * 1992-04-09 1996-11-05 Deutsch Aerospace Ag Laser system with a micro-mechanically moved mirror
DE19645029A1 (de) * 1996-10-31 1998-05-07 Laserspec Analytik Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Laserstrahlungsquelle
DE19653821A1 (de) * 1996-12-21 1998-06-25 Alsthom Cge Alcatel Optischer Kammgenerator

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3588738A (en) * 1968-09-03 1971-06-28 Hughes Aircraft Co Frequency stabilized laser
US4398293A (en) * 1981-09-08 1983-08-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce Frequency stabilization for two-mode laser
US4797893A (en) * 1987-06-09 1989-01-10 Virgo Optics, Inc. Microlaser system
CA1313688C (en) * 1987-10-28 1993-02-16 Hitsoshi Wakata Method of stabilizing a wavelength of a laser beam and wavelength stabilizing laser device
US5027361A (en) * 1988-06-21 1991-06-25 Board Of Trustees Of Leland Stanford, Jr., University Efficient laser harmonic generation employing a low-loss external optical resonator
US5014278A (en) * 1988-09-22 1991-05-07 Ushio Denki Kabushiki Kaisha Method for the frequency stabilization of internal mirror type helium-neon laser oscillating at wavelength of 543 nm
US5020073A (en) * 1989-03-07 1991-05-28 Spectra-Physics Apparatus for aligning the optic axis of an intra-cavity birefringent element, and tunable laser using same
GB2229594B (en) * 1989-03-22 1993-04-07 Ferranti Int Signal Current-to-frequency converter
US5048031A (en) * 1990-04-23 1991-09-10 Coherent, Inc. Laser with actively stabilized etalon for single frequency operation
US5144632A (en) * 1990-04-23 1992-09-01 Coherent, Inc. Laser with actively stabilized etalon for single frequency operation
IL94429A (en) * 1990-05-17 1993-06-10 Andrei Brunfeld Interferometric measurement
JP3564705B2 (ja) * 1992-03-02 2004-09-15 ソニー株式会社 レーザ光発生装置
US5696780A (en) * 1994-02-04 1997-12-09 Spectra-Physics Lasers, Inc. Frequency conversion system
US5446749A (en) * 1994-02-04 1995-08-29 Spectra-Physics Lasers Inc. Diode pumped, multi axial mode, intracavity doubled laser
US5440574A (en) * 1994-06-02 1995-08-08 Spectra-Physics Laserplane, Inc. Solid-state laser
US5552926A (en) * 1994-10-07 1996-09-03 International Business Machines Corporation Device and method for wavelength conversion and BBO crystal for wavelength conversion
JPH08116122A (ja) * 1994-10-18 1996-05-07 Sony Corp 連続発振紫外線レーザー光発生装置
US5513196A (en) * 1995-02-14 1996-04-30 Deacon Research Optical source with mode reshaping
WO1996029000A1 (en) * 1995-03-23 1996-09-26 Philips Electronics N.V. Device for carrying out optical measurements in turbid media
CN1176508A (zh) * 1996-06-05 1998-03-18 三井石油化学工业株式会社 激光发生装置
JP3514073B2 (ja) * 1997-06-10 2004-03-31 株式会社ニコン 紫外レーザ装置及び半導体露光装置
US5960015A (en) * 1997-09-05 1999-09-28 Uniphase Corporation Two mode amplitude-stable intracavity-doubled laser and method
DE19814199A1 (de) * 1998-03-25 1999-10-07 Las Laser Analytical Systems G Verfahren und Vorrichtung zur abstimmbaren Frequenzkonversion
DE19818612B4 (de) * 1998-04-20 2005-03-10 Spectra Physics Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzkonversion, insbesondere zur Frequenzverdopplung von Festfrequenzlasern
DE10002418A1 (de) * 2000-01-20 2001-07-26 Laser Analytical Systems Gmbh Anordnung zur resonanten Frequenzverdopplung von Multimode-Laserstrahlung
US6913590B2 (en) * 2000-09-22 2005-07-05 Sorenson Development, Inc. Apparatus and method for peritoneal dialysis
DE10063977A1 (de) * 2000-12-14 2002-07-25 Eckhard Zanger Optischer resonanter Frequenzwandler
US6507593B1 (en) * 2001-09-24 2003-01-14 Coherent, Inc. Step-tunable external-cavity surface-emitting semiconductor laser

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4845716A (en) * 1986-01-09 1989-07-04 Veb Kombinat Feinmechanische Werke Halle Arrangement for the wavelength-selective internal intensity modulation and radiation pulse generation of high power CO2 lasers
JPS63239995A (ja) * 1987-03-27 1988-10-05 Yokogawa Electric Corp 外部共振形レ−ザ装置
US5068546A (en) * 1990-03-15 1991-11-26 Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. Solid state laser operating with frequency doubling and stabilized by an external resonator
US5253099A (en) * 1990-10-09 1993-10-12 Alcatel N.V. Reflective optical modulator
US5572543A (en) * 1992-04-09 1996-11-05 Deutsch Aerospace Ag Laser system with a micro-mechanically moved mirror
US5218610A (en) * 1992-05-08 1993-06-08 Amoco Corporation Tunable solid state laser
DE19645029A1 (de) * 1996-10-31 1998-05-07 Laserspec Analytik Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Laserstrahlungsquelle
DE19653821A1 (de) * 1996-12-21 1998-06-25 Alsthom Cge Alcatel Optischer Kammgenerator

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HARB C C ET AL: "SUPPRESSION OF THE INTENSITY NOISE IN A DIODE-PUMPED NEODYMIUM: YAGNONPLANAR RING LASER", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, IEEE INC. NEW YORK, US, vol. 30, no. 12, 1 December 1994 (1994-12-01), pages 2907 - 2913, XP000482575, ISSN: 0018-9197 *
HOHLA A ET AL: "BICHROMATIC FREQUENCY CONVERSION IN POTASSIUM NIOBATE", OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, US, vol. 23, no. 6, 15 March 1998 (1998-03-15), pages 436 - 438, XP000753366, ISSN: 0146-9592 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 013, no. 046 (E - 711) 2 February 1989 (1989-02-02) *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9509112B2 (en) 2013-06-11 2016-11-29 Kla-Tencor Corporation CW DUV laser with improved stability
US10044166B2 (en) 2013-06-11 2018-08-07 Kla-Tencor Corporation CW DUV laser with improved stability
US9293882B2 (en) 2013-09-10 2016-03-22 Kla-Tencor Corporation Low noise, high stability, deep ultra-violet, continuous wave laser
US9660409B2 (en) 2013-09-10 2017-05-23 Kla-Tencor Corporation Low noise, high stability, deep ultra-violet, continuous wave laser
US10175555B2 (en) 2017-01-03 2019-01-08 KLA—Tencor Corporation 183 nm CW laser and inspection system
US10429719B2 (en) 2017-01-03 2019-10-01 Kla-Tencor Corporation 183 nm CW laser and inspection system
CN113346347A (zh) * 2021-05-06 2021-09-03 电子科技大学 一种用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置
CN113346347B (zh) * 2021-05-06 2022-12-13 电子科技大学 一种用于Nd:YVO4激光器的激光强度噪声抑制装置

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