DE19619483A1

DE19619483A1 - Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung

Info

Publication number: DE19619483A1
Application number: DE19619483A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Phys Dr Stamm; Ingo Dipl Phys Dr Klaft; Vadim Dipl Phys Berger; Stefan Dipl Ing Dr Borneis; Peter Dipl Phys Lokai
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 1997-11-20
Also published as: US5663973A

Description

Die Erfindung betrifft eine abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung mit mehreren abstimmbaren optischen para metrischen Oszillatoren (OPOs).

Solche OPOs enthalten optische parametrische Verstärkermedien (in der Regel optisch nichtlineare Kristalle) die in optischen Resonatoren angeordnet sind. Allgemein unterscheidet man opti sche parametrische Oszillatoren (OPO) optische parametrische Verstärker (OPA) und optische parametrische Generatoren (OPG). Der optische parametrische Verstärker weist ein optisches para metrisches Verstärkermedium (z. B. einen Kristall) auf, das nicht in einem optischen Resonator angeordnet ist. Der optische para metrische Generator weist ein optisches parametrisches Verstär kermedium auf, das so stark gepumpt wird, daß die parametrische Fluoreszenz im Einfach- bzw. Mehrfachdurchgang lawinenartig ver stärkt wird.

Das Prinzip der optischen parametrischen Oszillation ist seit 1965 bekannt (J.A. Giordmaine und R.C. Miller). Wird das opti sche parametrische Verstärkermedium innerhalb des Resonators durch die sogenannte Pumpstrahlung angeregt, so wird durch Fre quenzmischung Strahlung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt. Eine typische Pumpstrahlung ist die dritte Harmonische des Nd:YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 355 nm. Die durch Frequenzmischung im Verstärkermedium erzeugte kurzwellige Strah lung heißt Signalstrahlung und die langwelligere Strahlung heißt Idlerstrahlung. Wegen der Energieerhaltung ist die Summe der Frequenzen von Signal- und Idlerstrahlung gleich der Frequenz der Pumpstrahlung. Die Wellenlängen von Signal- und Idlerstrah lung können durch Veränderung der sogenannten Phasenanpassung abgestimmt werden. Bei gegebener Pumpwellenlänge kann dies bei spielsweise durch Änderung der Winkelausrichtung des nichtlinea ren Kristalls in Bezug auf die Pumpstrahlung oder auch durch Änderung der Kristalltemperatur erfolgen. Bei feststehendem Kri stall können die Wellenlängen der Signal- und Idlerstrahlen auch durch Änderung der Pumpwellenlänge abgestimmt werden. Somit ist ein OPO eine Quelle abstimmbarer kohärenter Strahlung. So kann heute beispielsweise bei Verwendung von ß-Barium-Borat (BBO) und bei Verwendung der dritten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers die Wellenlänge der Signalstrahlung etwa im Bereich zwischen 410 nm und 710 nm abgestimmt (verändert) werden, wobei gleichzeitig die Wellenlänge der Idlerstrahlung im Bereich zwischen 2500 nm und 710 nm durchgestimmt wird.

Das US-Patent 5,053,641 beschreibt eine solche abstimmbare Quel le kohärenter Strahlung mit einem OPO, der einen BBO-Kristall (β-BaB ₂O₄) im Resonator verwendet. Der Pumpimpuls wird durch einen der beiden Resonatorspiegel in den optisch nichtlinearen Kristall fokussiert. Die Abstimmung (Veränderung) der Wellen länge der Ausgangsstrahlung erfolgt durch Drehung des Kristalls um eine Achse, die senkrecht zur optischen Achse des Resonators steht.

Im US-Patent 5,033,057 wurde die Anordnung so modifiziert, daß im Resonator des OPO zwei Spiegel zum Einkoppeln bzw. Auskoppeln der Pumpstrahlung angeordnet sind.

Beide vorstehend genannten OPO-Anordnungen sind dadurch gekenn zeichnet, daß die Bandbreite der emittierten OPO-Strahlung im wesentlichen durch die spektrale Breite des optischen parametri schen Verstärkerprofils bestimmt ist. Dies gilt sowohl für die Signal- als auch die Idlerstrahlung. Die spektrale Breite des Verstärkerprofils liegt typischerweise, zum Beispiel bei Verwen dung von BBO als Verstärkermedium, je nach Wellenlänge im Be reich von ca. 5 bis 50 cm^-1.

Für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in der Spektro skopie, ist es allerdings wünschenswert, über eine abstimmbare Strahlung zu verfügen, deren spektrale Bandbreite deutlich klei ner ist, zum Beispiel kleiner als 0,2 cm^-1 bis hin zu einzelnen Longitudinalmoden mit Bandbreiten im Bereich von 0,01 cm^-1 und weniger. Um die Erzeugung abstimmbarer kohärenter Strahlung mit so geringen Bandbreiten geht es bei der vorliegenden Erfindung.

W.R. Bosenberg u. a. beschreiben in einem Aufsatz in J. Opt. Soc. Am. B. 10, 1716 (1993), einen schmalbandigen abstimmbaren OPO. Der impulsförmig angeregte Resonator enthält neben dem nichtli nearen Kristall ein Gitter als wellenlängenselektives Element. Das Gitter wird mit streifendem Einfall (grazing incidence) ein gesetzt.

Eine andere Anordnung eines gepulst angeregten schmalbandigen OPO ist in der DE 42 19 169 A1 beschrieben. Diese Quelle zur Erzeugung abstimmbarer schmalbandiger kohärenter Strahlung weist einen ersten OPO als sogenannten Seed-Oszillator auf, der keine frequenzselektiven Elemente zur Reduzierung der Bandbreite im Resonator enthält. Außerhalb des Resonators ist ein frequenz selektives Element angeordnet, das aus der relativ breitbandigen Ausgangsstrahlung des Seed-Oszillators einen schmalen Spektral bereich ausfiltert. Diese schmalbandige Strahlung wird dann in einen zweiten OPO eingegeben, der als Leistungsoszillator die Strahlung verstärkt.

Beide vorstehend genannten Quellen abstimmbarer schmalbandiger kohärenter Strahlung weisen Nachteile auf.

Die in dem Artikel von W. R. Bosenberg et al. beschriebene Anord nung eines Gitters in einem sogenannten Littmann-Resonator be dingt erhebliche Strahlungsverluste im Resonator. Auch gute Git ter haben bei streifendem Einfall im hier betrachteten Wellenlän genbereich Beugungsreflektivitäten von weniger als 20 bis 50%.

Da das Gitter von der Strahlung bei jedem Resonatorumlauf zweimal passiert wird, liegen die durch das Gitter verursachten Resona torverluste bei über 80%. Dies hat zur Folge, daß die Schwelle der Schmalbandoszillation sehr hoch liegt und die einzelnen opti schen Bauteile sehr stark belastet werden. Diese Nachteile wer den noch gravierender, wenn man ein optisches parametrisches Verstärkermedium mit großer Verstärkungsbandbreite, wie bei spielsweise BBO oder LBO, verwendet (der zitierte Stand der Tech nik verwendet KTP mit relativ geringer Verstärkungsbandbreite).

Die in der DE 42 19 169 A1 beschriebene Anordnung umgeht zwar die mit Gitterverlusten verbundenen Probleme im OPO-Resonator, jedoch werden passive Verluste für die Seed-Strahlung des zwei ten OPO eingeführt, die umso größer sind, je größer das Verhält nis der Bandbreite der Ausgangsstrahlung des ersten OPO zur Bandbreite des externen spektralen Filters ist. Da für eine vor gegebene Anordnung die minimal erforderlichen Seed-Energien für einen stabilen schmalbandigen Betrieb des geseedeten Leistungs oszillators feststehen, erhöht sich die erforderliche Energie der Pumpstrahlung, die dem ersten OPO zugeführt werden muß, in dem Maße, in dem die Bandbreite der Ausgangsstrahlung verringert werden soll. Betrachtet man zum Beispiel einen BBO-OPO, der von der dritten Harmonischen eines Nd:YAG-Lasers gepumpt wird und der mit einer Bandbreite von 50 cm^-1 anschwingt, dann verursacht die Reduktion der Bandbreite durch die externe spektrale Filte rung der Strahlung auf 0,05 cm^-1 bereits eine Verringerung der Energie um einen Faktor 1000. Da typische Seed-Energien für op tische parametrische Leistungsoszillatoren im Energiebereich von 10 µJ bis 100 µJ liegen, ist eine Ausgangsstrahlung aus dem er sten OPO mit Energien im Bereich von 10 mJ bis 100 mJ erforder lich. Dies erfordert aber Pumpenergien für den ersten OPO im Bereich von 100 mJ bis 1 J.

Bei der Anordnung gemäß der DE 42 19 169 A1 können die Gitter verluste oder die vorstehend beschriebenen passiven Filterver luste dadurch vermieden werden, daß der erste OPO-Resonator möglichst kurz gebaut wird. In einem solchen kurzen Resonator schwingen dann nur einige Longitudinalmoden an, so daß die durch eine externe spektrale Filterung verursachten Gesamtverluste an Nutzstrahlung reduziert werden können. Somit können bei dieser bekannten Anordnung die externen Verluste dadurch reduziert wer den, daß der Seed-OPO sehr kurz gebaut wird, so daß die Longitu dinalmoden des Resonators einen relativ großen Abstand haben. Die gesamte Ausgangsenergie ist dann diskret auf die einzelnen anschwingenden Moden verteilt und die externen spektralen Ver luste verringern sich. Um beispielsweise bei einer Verstärkungs bandbreite von 50 cm^-1 die Verluste durch die externe spektrale Filterung auf den Faktor 50 zu reduzieren (vgl. oben den Faktor 1000), dürfen nur 50 Longitudinalmoden des OPO-Resonators an schwingen. Dies erfordert einen Modenabstand des OPO-Resonators von 1 cm^-1 und bedeutet, daß das optische parametrische Verstär kungsmedium kürzer als 3,3 mm sein müßte.

Ein weiteres Problem dieser bekannten OPO-Anordnung liegt darin, daß die statistische Natur des Anschwingens der einzelnen Longi tudinalmoden sowohl bei gepulster als auch bei kontinuierlicher (cw) Anregung einen stabilen Betrieb des OPO verhindert. Die Intensitäten der einzelnen Longitudinalmoden unterliegen nämlich statistischen Gesetzen, so daß die in der mit einer bestimmten Wellenlänge anschwingenden Mode enthaltene Energie auch sta tistisch schwankt. Die sogenannte Modenkonkurrenz führt aufgrund der spontanen parametrischen Prozesse zu Energiefluktuationen zwischen den verschiedenen Moden. Solche Energiefluktuationen können bis zu 100% betragen. Damit wird die Energiestabilität der abgegebenen Ausgangsstrahlung sehr schlecht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung mit optischen parame trischen Oszillatoren der eingangs genannten Art bereitzustel len, bei der resonatorinterne und resonatorexterne Verluste redu ziert sind, die Energiestabilität erhöht ist, die Oszillations schwelle der OPOs vermindert ist, die Stabilität und Effizienz der Quelle erhöht ist, wahlweise viele nichtlinear-optische Kri stalle als optische parametrische Verstärkermedien eingesetzt werden können und die Gefahr der Zerstörung optischer Komponen ten durch zu hohe Strahlungsbelastung verhindert ist.

Erfindungsgemäß werden diese Ziele erreicht mittels einer ab stimmbaren schmalbandigen Quelle kohärenter Strahlung mit einem ersten optischen parametrischen Oszillator, der mindestens ein erstes optisches parametrisches Verstärkermedium in einem Resonator enthält oder einem optischen parametrischen Generator,
mindestens einem zweiten optischen parametrischen Oszillator, der mindestens ein zweites optisches parametrisches Verstärker medium in einem Resonator enthält und in den Ausgangsstrahlung des ersten optischen parametrischen Oszillators eingekoppelt wird,
mindestens einem dritten optischen parametrischen Verstärker medium, in das Ausgangsstrahlung des zweiten optischen parame trischen Oszillators eingekoppelt wird, und mit
Mitteln zum Erzeugen und Einkoppeln von Pumpstrahlung in die ersten und zweiten optischen parametrischen Oszillatoren und in das dritte optische parametrische Verstärkermedium, wobei
die in den zweiten optischen parametrischen Oszillator eingekop pelte Ausgangsstrahlung des ersten optischen parametrischen Os zillators eine Bandbreite hat, die kleiner als der Longitudinal modenabstand des zweiten optischen parametrischen Oszillators ist und so in den zweiten optischen parametrischen Oszillator eingekoppelt wird, daß in diesem nur eine Longitudinalmode ange regt wird, die in das dritte optische parametrische Verstärker medium eingekoppelt und dort verstärkt wird.

Mit dieser abstimmbaren schmalbandigen Quelle kohärenter Strah lung aus zumindest zwei OPOs und zumindest einem OPA wird eine Modenselektion in mehreren Stufen erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, daß die Bandbreite der Ausgangsstrahlung des ersten opti schen parametrischen Oszillators durch dessen Struktur so ein gestellt ist, daß sie kleiner als der Longitudinalmodenabstand des zweiten optischen parametrischen Oszillators ist.

Alternativ ist es auch möglich, die Bandbreite der in den zwei ten optischen parametrischen Oszillator eingekoppelten Strahlung dadurch hinreichend zu reduzieren, daß die Ausgangsstrahlung des ersten optischen parametrischen Oszillators über ein die Band breite begrenzendes Element in den zweiten optischen parametri schen Oszillator eingekoppelt wird.

Zwischen den vorstehend genannten einzelnen OPO- bzw. OPA-Stufen sind jeweils bestimmte optische Verzögerungsstrecken (sog. Delay- Lines) gegeben. Diese Verzögerungsstrecken und die zugehörigen Zeiten sind abgestimmt auf die Verzögerungsstrecken und -zeiten, die die Pumpstrahlung durchläuft. Die Abstimmung (Zeitsteuerung der Strahlungen) ist so, daß die Verzögerungsstrecken jeweils bewirken, daß die Pumpstrahlung jeweils dann in die Kristalle eingekoppelt wird, wenn ihre Verstärkungswirkung in bezug auf die zu verstärkenden OPA- bzw. OPO-Strahlung optimal ist. Die Verzögerungsstrecken können optisch abbildende Elemente enthal ten, die die mit der Strahlpropagation verbundenen Beugungs effekte kompensieren (sogenanntes "Relay-Imaging").

Die vorstehend genannten OPOs bzw. OPAs können in einer bevor zugten Ausgestaltung wahlweise mit jeweils zwei optischen para metrischen Kristallen ausgerüstet werden oder es kann auch ein Kompensator für die sog. "Walk-Off"-Kompensation vorgesehen wer den.

Der erste und/oder der zweite optische parametrische Oszillator können jeweils ein wellenlängenselektives Element enthalten.

Wellenlängenselektive Elemente (frequenzselektive Elemente) sind beispielsweise ein Gitter, ein Etalon, ein Prisma etc.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese hen, daß auch das dritte optische parametrische Verstärkermedium in einem OPO angeordnet ist (also kein OPA ist).

In diesem Falle ist bevorzugt vorgesehen, daß der longitudinale Modenabstand des in einem optischen Resonator angeordneten drit ten optischen parametrischen Verstärkermediums größer als die Bandbreite der in ihn eingekoppelten, vom zweiten optischen para metrischen Oszillator emittierten Strahlung ist.

Als Materialien für die optischen parametrischen Verstärkerme dien kommen Kristalle aus den folgenden Materialien bevorzugt in Betracht: BBO, LBO, CLBO, CBO, SBBO, KTP, KTA, KNB, KBBF, RTA, LiNbO₃, LiJO₃, AgGaS₂ oder AgGASe₂.

Zur Abstimmung der Wellenlänge der Quelle kohärenter Strahlung kann vorgesehen sein, daß das erste, zweite und zumindest eine dritte optische parametrische Verstärkermedium drehbar gelagert ist und daß der Resonator des ersten optischen parametrischen Verstärkermediums und der Resonator des zweiten optischen para metrischen Verstärkermediums Mittel zum Nachführen der Resona torlänge aufweisen, so daß bei aufeinander abgestimmter Drehung des dritten optischen parametrischen Verstärkermediums und Nach führung der Resonatorlängen die schmalbandige Ausgangsstrahlung kontinuierlich über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmbar ist.

Eine andere Möglichkeit der Abstimmung der Wellenlänge der Quel le kohärenter Strahlung besteht darin, daß das zumindest eine dritte optische parametrische Verstärkermedium drehbar gelagert ist und zumindest die ersten und zweiten optischen parametri schen Oszillatoren in einem druckdichten Gehäuse angeordnet sind und daß eine Einrichtung zum Ändern des Gasdrucks im Gehäuse vorgesehen ist, so daß bei abgestimmter Drehung des optischen parametrischen Verstärkermediums und Änderung des Gasdrucks im Gehäuse die schmalbandige Ausgangsstrahlung kontinuierlich über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmbar ist.

Die erfindungsgemäße abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung kann sowohl impulsförmig als auch kontinuierlich ge pumpt werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele von abstimmbaren schmalbandigen Quellen kohärenter Strahlung.

Fig. 4 zeigt eine besondere Anordnung für das Pumpen eines Kristalls, die bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1, 2 und 3 Verwendung finden kann.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind zwei optische parame trische Oszillatoren OPO 1 und OPO 2 vorgesehen und ein opti scher parametrischer Verstärker OPA.

Pumpstrahlung zum Pumpen der OPOs bzw. des OPA wird in an sich bekannter Weise erzeugt (nicht im einzelnen dargestellt). Bei spielsweise kann die dritte Harmonische eines Nd:YAG-Lasers als Pumpstrahlung 10 verwendet werden.

Pumpstrahlung 10 wird mittels teildurchlässiger Spiegel 12, 14 in den OPO 1 und den OPO 2 eingekoppelt. Die teildurchlässigen Spiegel 12 und 14 sind so ausgelegt, daß ein Anteil der Pump strahlung über Spiegel 16, 26 auch in den OPA als Pumpstrahlung 10′ einkoppelbar ist.

Der erste optische parametrische Oszillator OPO 1 enthält einen optisch nichtlinearen Kristall K₁, der zwischen zwei Resonator spiegeln 18, 22 angeordnet ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der erste OPO 1 in seiner Geometrie (Struktur) so gewählt, daß seine Ausgangsstrahlung 28 eine spektrale Bandbrei te hat, die kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Longitudi nalmoden des zweiten optischen parametrischen Oszillators OPO 2.

Der zweite optische parametrische Oszillator OPO 2 enthält einen Kristall K₂ zwischen zwei Resonatorspiegeln 22, 24. In den OPO 2 werden also Pumpstrahlung (über die Spiegel 14 und 15) und die vorstehend beschriebene Ausgangsstrahlung 28 des ersten OPO 1 eingekoppelt. Dabei wird der zweite OPO 2 so ausgelegt, daß auf grund der eingekoppelten Strahlung nur eine einzige Longitudinal mode im OPO 2 angeregt wird. Die vom OPO 2 emittierte Strahlung 30 wird in einen optischen parametrischen Verstärker (Amplifier) OPA eingekoppelt, der beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zwei nichtlineare optische Kristalle K₃, K₄ aufweist. Gleichzeitig wird in die Kristalle K₃, K₄ die Pumpstrahlung 10′ eingekoppelt. Somit wird die einzige vom OPO 2 emittierte Longitudinalmode durch den OPA verstärkt und als extrem schmalbandige kohärente Strahlung 32 abgegeben. Die Strahlung ist in weiter unten näher beschriebener Weise abstimmbar.

Fig. 2 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel. In den Figuren sind einander funktionsgleiche oder -ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird der Resonator des ersten OPO 1 durch ein Gitter in Autokollimation oder ein mit streifendem Einfall betriebenes Gitter 34 und einen Spiegel 20 gebildet. Der nichtlineare Kri stall K₁ ist zwischen Gitter 34 und Spiegel 20 angeordnet. Die Pumpstrahlung 10 wird über den teildurchlässigen Spiegel 12 und den für die Pumpstrahlung vollständig reflektierenden Spiegel 13 in den ersten OPO 1 eingekoppelt. Die Ausgangsstrahlung 28 des OPO 1 (z. B. die Signalstrahlung) tritt durch den Spiegel 13 hin durch und ist in ihrer Bandbreite so reduziert, daß im zweiten optischen parametrischen Oszillator OPO 2 nur eine Longitudinal mode angeregt wird. Im zweiten optischen parametrischen Oszil lator OPO 2 kann ein zusätzliches wellenlängenselektives Element 38 angeordnet sein. Das wellenlängenselektive Element 38 ist aber nicht notwendig, sondern nur eine Option. Die Ausgangsstrahlung 30 des OPO 2 besteht nur aus einer einzigen Longitudinalmode des OPO 2 und wird, zusammen mit der Pumpstrahlung 10′, in einen OPA eingegeben. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besteht der OPA wiederum aus einem oder zwei nichtlinearen Kristallen K₃ und K₄. Der OPA (Optical Parametrical Amplifier) kann zu einem OPO (Optical Parametrical Oscillator) abgewandelt werden durch Anord nung der nichtlinearen Kristalle K₃ und gegebenenfalls K₄ zwischen Resonatorspiegeln 40, 42, die in Fig. 2 gestrichelt dargestellt sind. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 können also wahlweise das wellenlängenselektive Element 38 des OPO 2 und/oder die Reso natorspiegel 40, 42 weggelassen bzw. hinzugefügt werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ähnelt wiederum dem Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 1, wobei zwischen dem ersten optischen parametrischen Oszillator OPO 1 und dem zweiten optischen para metrischen Oszillator OPO 2 ein wellenlängenselektives Element angeordnet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die ses wellenlängenselektive Element ein Gitter 36. Die vom OPO 1 emittierte Strahlung 28a wird von einem Spiegel 38 mit strei fendem Einfall auf das Gitter 36 (grazing incidence) umgelenkt. Die in der Bandbreite durch das Gitter 36 erheblich reduzierte Strahlung 28b wird über einen Spiegel 40 in den zweiten opti schen parametrischen Oszillator OPO 2 eingekoppelt. Das Gitter 36 stellt sicher, daß die Bandbreite der in den OPO 2 eingekop pelten Strahlung 28b kleiner ist als der Longitudinalmodenab stand zweier Longitudinalmoden des zweiten optischen parametri schen Oszillators OPO 2. Die einer einzigen Longitudinalmode des OPO 2 entsprechende Ausgangsstrahlung 30 wird in einem OPA ver stärkt, der beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zwei Kristalle K₃, K₄ enthält.

Als Material für die nichtlinearen Kristalle K₁, K₂₁ K₃, K₄ kom men folgende Kristalle in Betracht: BBO, LBO, CLBO, CBO, SBBO, KTP, KTA, KNB, KBBF, RTA, LiNbO₃, AgGaS₂ und AgGASe₂.

Zur Abstimmung (Veränderung) der Wellenlänge der Quelle schmal bandiger kohärenter Strahlung 32 gemäß den Fig. 1 bis 3 können die Kristalle K₁ und K₂ sowie der Kristall bzw. die Kristalle des OPA (also je nach Ausführungsform ein Kristall K₃ oder beide Kristalle K₃, K₄) drehbar gelagert werden und die Längen der Resonatoren der optischen parametrischen Oszillatoren OPO 1 und OPO 2 und ggf. auch des OPO 3, wenn dieser nicht als OPA ausge staltet ist, werden entsprechend der Drehung des Kristalls nach geführt, z. B. dadurch, daß ein Spiegel des jeweiligen Resonators (z. B. der Spiegel 20 und der Spiegel 24) durch einen piezoelek trischen Kristall verschoben wird. Der OPO 1 braucht nicht not wendiger Weise in seiner Länge verstellt zu werden.

Durch Drehung des Kristalls (bzw. der Kristalle) des OPA und synchrone Anpassung der Resonatorlängen läßt sich dann die Wel lenlänge der abgegebenen schmalbandigen Strahlung 32 über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmen.

Eine andere Möglichkeit der Abstimmung der Wellenlänge ist, das optische parametrische Verstärkermedium des OPA wiederum drehbar zu lagern und gleichzeitig die anderen OPOs in einem druckdich ten Gehäuse (nicht gezeigt) anzuordnen und den Gasdruck im Ge häuse zu verändern, und zwar entsprechend der Drehung des opti schen parametrischen Verstärkermediums im OPA. Auch hiermit ist eine Abstimmung der Wellenlänge der Strahlung 32 über einen wei ten Bereich möglich.

Die Pumpstrahlung 10 kann sowohl impulsförmig als auch konti nuierlich sein.

Bei Verwendung von sehr kurzen Pumpimpulsen (beispielsweise Pumpimpulsen von 1 bis 2 ns Impulsdauer) kann es vorteilhaft sein, zumindest einen oder auch mehrere der Kristalle (K₁, K₂, K₃, K₄) zweimal nacheinander anzuregen. Eine optische Anordnung für eine derartige zweimalige Anregung eines Kristalls ist in Fig. 4 beispielhaft und schematisch in bezug auf den Kristall K₂ des OPO 2 dargestellt. Mit einer optischen Anordnung gemäß Fig. 4 kann also wahlweise jeder OPO bzw. OPA bzw. optische parametrische Generator gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1, 2 und 3 wahlweise versehen werden, insbesondere bei Verwendung sehr kurzer Pumpimpulse. Die optische Anordnung wird dann mutatis mutandis in die optischen Systeme nach den Fig. 1, 2 oder 3 einfach oder mehrfach integriert. Die optische An ordnung zur Zweifach-Anregung eines Kristalls gemäß Fig. 4 er hält einen Pumpimpuls 10, der beispielsweise eine Wellenlänge von 355 nm (siehe oben) haben kann. Ein Spiegel 44 ist hoch reflektierend für die Wellenlänge von 355 nm, so daß der Pump impuls 10 in den Kristall K₂ des OPO 2 eingekoppelt wird. Der erste Durchgang des Pumpimpulses 10 durch den Kristall K₂ regt die optische parametrische Oszillation erstmals an. Der durch den Resonatorspiegel 24 aus dem OPO austretende Pumpstrahl 10′′ trifft auf einen Spiegel 46, der für Strahlung der Wellenlänge 355 nm hochreflektierend ist und wird von dort zu einem weiteren hochreflektierenden Spiegel 48 gelenkt, wobei der Strahl eine Abbildungsoptik 50 durchläuft, die dafür sorgt, daß der vom Spiegel 48 zurückreflektierte Strahl wieder genau in den Kri stall K₂ abgebildet wird. Das Hin- und Herlaufen des Pumpstrahls 10′′ vom Kristall K₂ zum Spiegel 48 und zurück ist in Fig. 4 durch einen Pfeil P angedeutet. Während die Pumpstrahlung beim ersten Durchgang durch den Kristall K₂ die optische parametri sche Oszillation anregt, erfolgt der zweite Durchgang des am Spiegel 48 reflektierten Pumpimpulses zu einem etwas späteren Zeitpunkt, an dem eine weitere Verstärkung der parametrischen Strahlung am wirksamsten ist. Die Zeitfolge der beiden in den Kristall K₂ eingekoppelten Pumpimpulse ist in Abhängigkeit vom gegebenen optischen System durch die Verzögerungsstrecken (Lauf zeiten zwischen den Spiegeln 46, 48 etc.) einstellbar. Die Zeit spanne zwischen dem Einkoppeln der Pumpimpulse in den Kristall K₂ liegt bei Pumpimpulsen, die selbst nur 1 bis 2 ns Impulsdauer haben, ebenfalls im Bereich von wenigen Nanosekunden.

Die Quellen abstimmbarer schmalbandiger kohärenter Strahlung nach den Fig. 1 bis 3 sind hinsichtlich der Laufzeiten zwi schen den Spiegeln und der Abstände zwischen den einzelnen Kri stallen so gestaltet (auch ohne die Variante gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel von Fig. 4), daß die Pumpimpulse zeitlich syn chronisiert zu den jeweils zu verstärkenden Signal- oder Idler-Strahlungen in die Kristalle eingekoppelt werden.

In Abwandlung des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 1 bis 3 kann der erste OPO 1 auch durch einen so genannten optischen parametrischen Generator ersetzt werden. Ein optischer parametrischer Generator weist einen optischen para metrischen Kristall ohne Resonatorspiegel auf. Bei Verwendung eines optischen parametrischen Generators wird ein wellenlängen selektives Element eingesetzt, um die Bandbreite der in den zweiten optischen parametrischen Oszillator OPO 2 eingekoppelten Strahlung so zu reduzieren, daß sie kleiner ist als der Longi tudinalmodenabstand des zweiten optischen parametrischen Oszil lators OPO 2.

Auch kann in Abwandlung der beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgesehen sein, daß (entsprechend dem OPA; K₃, K₄) die übrigen OPOs mit jeweils zwei optischen parametrischen Kristallen ausge rüstet werden, oder mit einem entsprechenden Kompensator zur sogenannten "Walk-Off"-Kompensation. Die "Walk-Off-Kompensation" trägt folgendem Umstand Rechnung. In nicht linear optischen Kri stallen breitet sich trotz der Phasenanpassung die in endlichen Strahldurchmessern enthaltene Energie in leicht unterschiedlichen Richtungen im Kristall aus. Das hat zur Folge, daß nach einer endlichen Laufstrecke z. B. der Pumpstrahl und der anfangs er zeugte parametrische Oszillatorstrahl auseinandergelaufen sind. Diesen Effekt des Auseinanderlaufens kann man dadurch kompen sieren, daß ein identisches Medium gleicher Länge aber umge kehrter Orientierung durchlaufen wird. Dies ist als solches dem Fachmann bekannt.

Weiter können die beschriebenen Ausführungsbeispiele dahingehend abgewandelt werden, daß der OPO 2 auch durch "nicht verbrauchte" Pumpstrahlung des OPO 1 gepumpt wird, d. h. die Pumpstrahlung für den OPO 2 läuft bei dieser Variante nicht (ausschließlich) über die Spiegel 14 und 15, sondern über die Spiegel 12 und den OPO 1.

Claims

1. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung mit

- einem ersten optischen parametrischen Oszillator (OPO 1), der mindestens ein erstes optisches parametrisches Verstär kermedium (K₁) in einem Resonator (18, 20; 20, 34) enthält, oder einem optischen parametrischen Generator,
- mindestens einem zweiten optischen parametrischen Oszilla tor (OPO 2), der mindestens ein zweites optisches parame trisches Verstärkermedium (K₂) in einem Resonator (22, 24) enthält und in den Ausgangsstrahlung (28; 28b) des ersten optischen parametrischen Oszillators (OPO 1) eingekoppelt wird,
- mindestens einem dritten optischen parametrischen Verstär kermedium (OPA), in das Ausgangsstrahlung (30) des zweiten optischen parametrischen Oszillators (OPO 2) eingekoppelt wird, und mit
- Mitteln (12, 14, 16, 26) zum Erzeugen und Einkoppeln von Pumpstrahlung (10, 10′) in die ersten und zweiten optischen parametrischen Oszillatoren (OPO 1, OPO 2) und in das drit te optische parametrische Verstärkermedium (OPA), wobei
- die in den zweiten optischen parametrischen Oszillator (OPO 2) eingekoppelte Ausgangsstrahlung (28; 28b) des er sten optischen parametrischen Oszillators (OPO 1) eine Band breite hat, die kleiner als der Longitudinalmodenabstand des zweiten optischen parametrischen Oszillators (OPO 2) ist, und so in den zweiten optischen parametrischen Oszilla tor (OPO 2) eingekoppelt wird, daß in diesem nur eine Longi tudinalmode angeregt wird, die in das dritte optische para metrische Verstärkermedium (K₃, K₄) eingekoppelt und dort verstärkt wird.

2. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der Ausgangsstrahlung (28) des ersten optischen parametrischen Oszillators durch dessen Struktur so eingestellt ist, daß sie kleiner als der Longitudinalmodenabstand des zwei ten optischen parametrischen Oszillators (OPO 2) ist.

3. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstrahlung (28a) des ersten optischen parametrischen Oszillators (OPO 1) über ein die Bandbreite begrenzendes Element (36) in den zweiten optischen parametrischen Oszillator (OPO 2) eingekoppelt wird.

4. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste optische parametrische Oszillator (OPO 1) ein wellen längenselektives Element (34) enthält.

5. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (OPO 1) und/oder der zweite optische parametrische Oszillator (OPO 2) ein wellenlängenselektives Element (34 bzw. 38) enthalten.

6. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine dritte optische parametrische Verstärkerme dium (K₃) in einem optischen Resonator (40, 42) angeordnet ist.

7. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der longitudinale Modenabstand des in einem optischen Resonator angeordneten dritten optischen parametrischen Verstärkermediums (K₃) größer als die Bandbreite der in ihn eingekoppelten, vom zweiten optischen parametrischen Oszillator (OPO 2) emittierten Strahlung ist.

8. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als optische parametrische Verstärkermedien (K₁, K₂, K₃, K₄) Kristalle verwendet werden, die aus folgender Gruppe ausgewählt werden: BBO, LBO, CLBO, CBO, SBBO, KTP, KTA, KNB, KBBF, RTA, LiNbO₃, LiJO₃, AgGaS₂ oder AgGASe₂.

9. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen parametrischen Verstärkermedien (K₁, K₂) des ersten optischen parametrischen Oszillators (OPO 1) oder Generators und des zweiten optischen parametrischen Oszillators (OPO 2) und das zumindest eine dritte optische parametrische Verstärkermedium (K₃, K₄) drehbar gelagert sind und daß der Resonator des ersten optischen parametrischen Verstärkermediums (K₁) und der Resonator des zweiten optischen parametrischen Verstärkermediums (K₂) und gegebenenfalls des dritten optischen parametrischen Oszillators Mittel zum Nachführen der Resonatorlänge aufweisen, so daß bei aufeinander abgestimmter Drehung des dritten optischen parame trischen Verstärkermediums (K₃, K₄) und Nachführung der Resona torlängen die schmalbandige Ausgangsstrahlung (32) kontinuier lich über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmbar ist.

10. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine dritte optische parametrische Verstärkermedium (K₃, K₄) drehbar gelagert ist und zumindest die ersten und zwei ten optischen parametrischen Oszillatoren (OPO 1, OPO 2) in ei nem druckdichten Gehäuse angeordnet sind und daß eine Einrich tung zum Ändern des Gasdrucks im Gehäuse vorgesehen ist, so daß bei abgestimmter Drehung des optischen parametrischen Verstärker mediums (K₃, K₄) und Änderung des Gasdrucks im Gehäuse die schmalbandige Ausgangsstrahlung (32) kontinuierlich über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmbar ist.

11. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung (10) impulsförmig ist.

12. Abstimmbare schmalbandige Quelle kohärenter Strahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung (10) kontinuierlich ist.