WO2017012991A1 - Verfahren zur modulation eines lasers und modulierbarer laser - Google Patents

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WO2017012991A1
WO2017012991A1 PCT/EP2016/066796 EP2016066796W WO2017012991A1 WO 2017012991 A1 WO2017012991 A1 WO 2017012991A1 EP 2016066796 W EP2016066796 W EP 2016066796W WO 2017012991 A1 WO2017012991 A1 WO 2017012991A1
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PCT/EP2016/066796
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Martin Leitner
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Jenoptik Laser Gmbh
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    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
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    • G02F1/3546—Active phase matching, e.g. by electro- or thermo-optic tuning
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    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1003—Waveguide having a modified shape along the axis, e.g. branched, curved, tapered, voids
    • H01S5/1014—Tapered waveguide, e.g. spotsize converter

Definitions

  • the invention relates to the modulation of laser radiation, which is generated by frequency multiplication of a laser radiation, in particular a diode laser radiation.
  • a frequency doubling of the radiation of a diode laser is possible with a periodically poled nonlinear crystal.
  • a frequency conversion of radiated laser light into higher harmonics occurs (eg frequency doubling).
  • the periodic polarity of the crystal causes a quasi-phase matching (QPM) of the secondary frequency-doubled radiation to the primary radiation of the diode laser.
  • QPM quasi-phase matching
  • the quasi-phase matching promotes the conversion of the primary laser radiation into the secondary frequency-doubled radiation.
  • this quasi-phase adaptation only works over a very narrow wavelength range. This results in problems in the modulation of the laser radiation.
  • the wavelength of the laser diode may shift due to the modulation, so that there may be an unwanted cancellation of the Quasiphasenanpassungs condition of the crystal.
  • Another disadvantage of the teaching of the three publications cited above is that when using trapezoidal laser diodes by the modulation of the power of the primary (first) laser radiation of the laser diode, a change in the astigmatism of this radiation can occur, whereby the beam quality can be impaired.
  • modulating the power of the laser diode can shorten its life.
  • the quasi-phase matching of a periodically poled crystal is, as described above, strongly dependent on the wavelength of the incident laser beam. Therefore, an accurate tuning to make the quasi-phase matching is required.
  • various measures are known. From EP 1079266 B1 it is known to perform a wavelength tuning of a periodically poled crystal by means of deformation by a piezo element. From JP 20071 14527 A it is known to adapt a quasi-phase matching condition by means of a change in the operating current of a laser diode. From JP 2007108593 A it is known to adapt a quasi-phase matching condition by means of a variation of the beam direction.
  • WO 1998018045 A1 discloses a Bragg modulator with which the intensity of a light beam can be modulated.
  • a modulator could be connected downstream of a frequency doubling crystal in order to be able to modulate the output power of a frequency-doubled laser radiation.
  • a modulator would be an additional component that takes up space and costs.
  • the object of the invention is to provide a method for modulating the output power of a frequency-multiplied laser, in particular a diode laser, which permits rapid modulation and can be operated stably over a wide parameter range of the average output power and / or pulse width and / or pulse repetition time ,
  • the laser diode should be able to be operated in continuous wave mode or in quasi-continuous mode.
  • a modulatable laser is to be specified as a device.
  • the object is achieved by a method for modulating an output power of a second laser radiation having a second wavelength, comprising:
  • the conversion has a variable conversion rate
  • the object of the invention results in a modulatable laser, comprising: a laser source for generating a first Laserstra ment with a first wavelength; a periodically poled crystal for at least partially converting the first laser radiation into a second laser radiation having a second wavelength, wherein the second wavelength is a fraction, preferably one half or one third or one quarter of the first wavelength, and wherein the periodic polarity of the crystal is selected in that a quasi-phase matching of the second laser radiation to the first laser radiation is present.
  • the modulatable laser further comprises an element for separating the first laser radiation.
  • the modulatable laser is characterized in that a device is provided with which the periodically poled crystal can be subjected to a variable electrical and / or magnetic field, so that a suppression of the conversion due to cancellation of the quasi-phase matching can be effected and that at least one Characteristic of the electrical and / or magnetic field can be modulated with a predetermined signal.
  • the method according to the invention allows the fast modulation of a frequency-multiplied laser, in particular of a diode laser.
  • a stable operation over a wide range of parameters is possible.
  • the laser source can be operated in continuous wave mode, which on the one hand enables stable operation of the laser module and on the other hand ensures a long service life of the laser source.
  • the continuous wave operation is advantageous because it can be used to avoid deterioration of the beam quality by changing astigmatism. Since the two functions, frequency doubling and modulation, according to the invention in a single component, namely the periodically poled crystal, can be realized, the inventive solution of the task is also inexpensive and allows a compact design. description
  • the method according to the invention serves to modulate an output power of a laser.
  • at least one laser source generates a first laser radiation (primary laser radiation).
  • the first laser radiation has a first wavelength.
  • the laser source can be designed as a laser diode, which can be pumped electrically, or comprise at least one laser diode.
  • the laser source may also include a plurality of laser diodes. The radiations of the plurality of laser diodes can be brought together, for example, by means of one of the known methods for beam collimation to the first laser radiation.
  • the laser source can also be embodied as an optically pumped laser source, for example as an optically pumped semiconductor laser, or comprise at least one thereof.
  • the laser diode may comprise a waveguide, which is designed as a ridge waveguide.
  • the laser diode may be a single mode laser diode.
  • the laser diode can also be designed as a trapezoidal laser (tapered laser diode).
  • the first laser radiation may preferably be single-mode or have only a few modes.
  • the diffraction factor M 2 can preferably be less than 3, particularly preferably less than 1.5.
  • a rectangular Cartesian coordinate system xyz may be used.
  • the beam direction of the first laser radiation can emerge from the laser diode in the z-direction.
  • the waveguide plane of the laser diode may be the xz plane.
  • the first laser beam ment can emerge in a known manner from the laser diode with a slow axis divergence and a fast axis divergence.
  • the long ⁇ samachsendivergenz can occur in the xz-plane. Ie.
  • the cross section of the radiation, measured in the x direction can expand with the slow axis convergence.
  • the fast axis divergence can occur correspondingly in the yz plane.
  • the first laser radiation is at least partially converted with a periodically poled crystal into a second laser radiation (secondary laser radiation).
  • the conversion is at a conversion rate that can be variable.
  • the conversion rate can be understood as the ratio of the power of the second laser radiation to the power of the first laser radiation.
  • the power of the first laser radiation can be measured before entering the periodically poled crystal and the power of the second laser radiation after emerging from the periodically poled crystal.
  • the conversion can be done with a single periodically poled nonlinear crystal.
  • the conversion of the first laser radiation into second laser radiation may be a frequency doubling.
  • nonlinear crystals for example a second nonlinear crystal
  • These may also be periodically poled and, if necessary, may have a different periodicity than the (first) periodically poled crystal.
  • a second nonlinear crystal and optionally other nonlinear crystals may be required if the second wavelength is to be, for example, one-third or one fourth of the first wavelength, ie if the generation of higher than the second harmonic is intended.
  • the process of generating the third harmonic may, for example, take place in such a way that the second harmonic is first generated in an intermediate step with the (first) periodically poled crystal and then mixed with a second non-linear crystal by sum-frequency mixing with the fundamental wave first laser radiation, the third harmonic is generated, which can then represent the useful radiation as the second laser radiation.
  • the second harmonic can be called third laser radiation.
  • the quasi-phase matching of the (first) periodically poled crystal can then be effected between the first and the third laser radiation, ie between the first and the second harmonic. may be provided while the second non-linear crystal may provide phase matching or quasi-phase matching for the sum frequency mixing.
  • the second wavelength is a fraction, preferably one half or one third or one quarter of the first wavelength.
  • the term "fraction" may in this case mean that the numerator has a 1 and the denominator a natural number greater than 1.
  • This conversion process is a frequency multiplication, preferably a frequency doubling, tripling, or quadrupling.
  • the conversion may have a variable conversion rate.
  • the conversion rate can be controlled in the manner indicated below.
  • the conversion of the first laser radiation into the second laser radiation takes place with a periodically poled crystal.
  • the mode of operation of the periodically poled crystal is based on the spectral and in-phase matching between the first laser radiation and the second laser radiation.
  • the first wavelength of the first laser beam may be predetermined by the laser diode.
  • the first wavelength in the near infrared range between see 780 nm and 3000 nm, more preferably be between 780 nm and 1100 nm.
  • the first wavelength in the range of visible light between 380 nm and 780 nm.
  • laser diodes are available at 405 nm, 630-680 nm, 780 nm, 808 nm, 880 nm, 905 nm, 915 nm-980 nm, 1020 nm, 1064 nm. Such diodes may be suitable for carrying out the invention.
  • the periodically poled crystal may have nonlinear optical properties. These can lead to harmonics of the incident laser light occurring in the crystal.
  • the periodically poled crystal is at least temporarily operated quasi-phase matched. That is, the quasi-phase matching condition between the first laser radiation and the second laser radiation (quasi-phase-matching condition) is satisfied at least in a certain time interval. In this time interval, the conversion rate may have a maximum value.
  • the satisfaction of the quasi-phase matching condition can be influenced.
  • the refractive indices of the crystal for the first laser radiation ni and the second laser radiation n 2 can be changed.
  • the changes of ni and n 2 can be be different.
  • the quasi-phase matching condition can be completely or partially canceled.
  • the quasi-phase-adjusted operation can thus be influenced by the field.
  • At least one parameter of the electrical and / or magnetic field is modulated. This causes a modulation of the conversion rate due to an influence on the quasi-phase-adjusted operation.
  • the periodically poled crystal may have an electrical and / or magnetic coercivity.
  • the coercive field strength may be the amount of field strength beyond which a change in the ferroelectric domains of the periodically poled crystal remains after the field is turned off.
  • the modulation may preferably be such that the maximum amount of the electric and / or magnetic field strength remains below the electrical and / or magnetic coercive force.
  • the periodically poled crystal may be, for example, a periodically poled lithium niobate crystal LiNbO 3 (PPLN) or a periodically poled lithium stoichiometric lithium LiTaO 3 (PPSLT) crystal. It can be formed as a solid or as a crystal layer on a substrate. He may, but need not, be trained as a waveguide. As the crystal material, other ferroelectric materials having non-linear optical properties may be used. To circumvent the need for critical or non-critical phase matching, the crystal may be equipped with ferroelectric domains that allow quasi-phase matched operation.
  • PPLN periodically poled lithium niobate crystal LiNbO 3
  • PPSLT periodically poled lithium stoichiometric lithium LiTaO 3
  • domains are written into the material in a known manner in which the second ⁇ (2) order of the dielectric susceptibility ⁇ periodically changes the sign (periodic polarity).
  • a true phase matching does not take place, however, the individual domains can be designed in their periodicity so that the generated partial waves of the second, or the third or fourth or higher harmonics of the laser wavelength constructively overlap.
  • the preparation of the ferroelectric domains can be carried out in a known manner with an electric field which exceeds the coercive force of the crystal material.
  • the first laser radiation and the second laser radiation can emerge together from the periodically poled crystal. In the case of the first laser radiation, this may be the fraction that has not been converted to the second laser radiation or absorbed in the crystal.
  • the desired useful radiation may be the second laser radiation. Therefore, according to the invention, a separation of the first laser radiation can be provided.
  • a dichroic element for example a wavelength-selective mirror, may be provided. This can, for example, transmit the second laser radiation and deflect the first laser radiation at an angle, for example 90 °.
  • the mirror may, for example, transmit the first laser radiation and deflect the second laser radiation at an angle, for example 90 °.
  • the first laser radiation can be absorbed after the deflection, for example by means of a beam trap.
  • the first laser radiation can also be separated by means of an absorbing element, which has a high transmission for the second laser radiation.
  • the laser source can be operated in continuous wave mode (continous wave - cw) or in quasi-continuous mode (quasi continuous wave - qcw).
  • Quasi-continuous operation can mean that the laser source, in particular laser diode, is switched on only at certain time intervals, which are so short that thermal effects are significantly reduced, but long enough for the laser process to take place near the continuous wave operation.
  • a quasi-continuous operation can be present at pulse lengths (length of the switched-on time interval) of 1 ms to 1000 ms, preferably 10 ms to 1000 ms.
  • the quasi-continuous operation can be carried out with preferably with a fixed duty cycle and / or a fixed length of the switched-on time interval.
  • the duty cycle is the ratio of the length of the switched-on time interval to the sum of the lengths of the switched on and off time interval.
  • the modulated characteristic may be the field strength of the electric field E and / or the magnetic field H, or the magnetic induction B, respectively.
  • the conversion rate may have a maximum value when the field strength of the electric and / or magnetic field is zero, that is, when the crystal is not applied to a field. This means that applying the periodically poled crystal to an electric and / or magnetic field can result in a reduction in the conversion rate. The conversion rate can be reduced so much that no second laser radiation is generated as long as the field is applied. The conversion rate can therefore be zero in this case. This means that the conversion of first laser radiation into second laser radiation can come to a standstill.
  • the electric field and / or the magnetic field can have a high-frequency alternating field component.
  • the modulated parameter may be the amplitude of the alternating field component. By an amplitude modulation of the high-frequency alternating field, the quasi-phase adaptation can be changed.
  • the amplitude modulation can be carried out in such a way that the high-frequency alternating field component is switched on and off alternately.
  • a DC field component may be present.
  • the DC field component can also be zero, so that the electric field and / or the magnetic field can consist exclusively of the high-frequency alternating field component.
  • the conversion rate may have a maximum value when the amplitude of the alternating field component has a value of zero.
  • the laser source can advantageously comprise at least one laser diode, particularly advantageously at least one trapezoidal laser (tapered laser diode).
  • the trapezoidal laser diode may include a seed section. This section can be designed as a ridge waveguide.
  • the trapezoid laser diode may further comprise a tapered section in which the seed radiation can be amplified.
  • the first laser radiation emerging from the laser diode can be astigmatic and / or asymmetrical. An asymmetry may be present with respect to the beam expansions and / or the divergences in the x and y directions.
  • a beam transformation device can be provided. This may consist of one or more beam transformation elements.
  • the beam transformation elements can be designed, for example, as cylindrical lenses, for example fast-axis collimator (FAC) and slow-axis collimator (SAC).
  • an optical isolation element can be provided which can prevent first or second laser radiation from being able to return to the laser diode.
  • the electrical and / or the magnetic field may have a transverse component with respect to the direction of the laser radiation. Specifically, the electrical and / or magnetic field may be transversely aligned.
  • the direction of the electrical and / or magnetic field may be in the direction of the fast axis (fast axis) of the laser diode. This can be the x-direction of the upper chosen coordinate system.
  • the direction of electrical and / or the magnetic field may lie in the direction of the slow axis of the laser diode. This can be the y-direction of the upper coordinate system.
  • the electrical and / or the magnetic field may have a longitudinal component with respect to the direction of the laser radiation. Specifically, the electrical and / or magnetic field may be longitudinally aligned. That can be the z-direction.
  • the electric field can be generated by means of an electrical voltage, preferably a high voltage, which is applied between at least two electrodes.
  • the electrodes can be attached directly to the crystal. They can each cover several adjacent periods of the poling (districts) of the periodically poled crystal. Thus, in each case a plurality of differently poled areas of the crystal can be acted upon with the same electric field strength.
  • the shape of the electrodes need not be adapted to the geometric configuration of the regions of the polarity of the crystal, but rather the electrodes may have a large area.
  • the voltage can be switched on and off, for example, by means of a fast high-voltage switch.
  • the magnetic field if provided, can be generated by means of a current-carrying coil. In each case a plurality of differently poled areas of the crystal can be charged with the same magnetic field strength.
  • the modulatable laser comprises a laser source which may advantageously comprise one or more laser diodes for generating a first laser radiation having a first wavelength, a periodically poled crystal for at least partially converting the first laser radiation into a second laser radiation having a second wavelength Wavelength is a fraction, preferably half or one third or one quarter of the first wavelength and wherein the periodic polarity of the crystal is selected such that a quasi-phase matching of the second laser radiation to the first laser radiation is present, and an element for separating the first laser radiation.
  • a laser source which may advantageously comprise one or more laser diodes for generating a first laser radiation having a first wavelength, a periodically poled crystal for at least partially converting the first laser radiation into a second laser radiation having a second wavelength Wavelength is a fraction, preferably half or one third or one quarter of the first wavelength and wherein the periodic polarity of the crystal is selected such that a quasi-phase matching of the second laser radiation to the first laser radiation is present, and an element for separating the first laser radiation.
  • the laser is characterized in that a device is provided with which the periodically poled crystal can be subjected to a variable electric and / or magnetic field.
  • This device may, for example, be designed as a pair of electrodes, wherein the periodically poled crystal may be located between the electrodes.
  • the device may also be designed, for example, as a current-carrying coil for generating a magnetic field or comprise such.
  • a suppression of the conversion due to a cancellation of the quasi-phase adjustment can be effected.
  • At least one characteristic of the electrical and / or magnetic field can be modulated with a predetermined signal. By Mo ⁇ dulation may lead to the cancellation of the quasi-phase matching provided that no termination may be reversible.
  • the laser may be configured to be alternately brought into a first state in which the quasi-phase matching exists and to a second state in which there is no quasi-phase matching.
  • first state in which the quasi-phase matching exists
  • second state in which there is no quasi-phase matching.
  • the first state can be brought about again.
  • the first state a conversion of first laser radiation into second laser radiation can take place, while in the second state the conversion can be suppressed.
  • the first laser radiation can pass from the laser source, in particular laser diode, starting a beam transformation device which focuses the beam.
  • the focused beam can hit the periodically poled crystal and pass it.
  • the second laser radiation can emerge together with the remainder of the first laser radiation as a common beam.
  • the first laser radiation can be separated from the second laser radiation.
  • the second laser radiation with an output power at the output of the laser is available as useful radiation.
  • the crystal can be acted upon solely by an electric or solely by a magnetic field. It is also possible to combine the crystal with both fields.
  • Fig. 5 shows a sixth embodiment.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a laser module 1 with which the inventive method can be performed.
  • a laser diode as the laser source 4
  • the laser diode is designed as a trapezoid laser diode with a seed section 5 and a tapered section 6.
  • the direction of the slow axis is shown as x-direction. Perpendicular to the plane of the drawing, ie in the y-direction, the waveguides of the seed section and the trapezoidal amplifier section are flat. Therefore, the y-direction is the direction of the fast axis (fast axis).
  • the laser diode is operated in continuous stroke mode (cw).
  • the first laser radiation is symmetrized in a beam section 2.a in front of the crystal with a beam transformation device 7.
  • an optical isolator 8 intended to protect the laser diode from radiation traveling in the reverse direction.
  • a commercially available optical isolator can be used.
  • a commercially available optical edge filter can be used, which transmits the first laser radiation and reflects the second laser radiation.
  • no optical isolator is present.
  • the first laser radiation passes through the periodically poled crystal 9.
  • the first laser radiation 2 is converted into second laser radiation 3, which has half the wavelength of the first laser radiation.
  • the second harmonic is the second laser radiation.
  • the propagation direction of the central rays of the first and second laser radiation is shown as a z-direction.
  • the first laser radiation is not completely converted into second laser radiation, but rather a remainder of the first laser radiation remains in the beam path.
  • the second laser radiation 3 leaves together with the remaining first laser radiation 2.b the crystal 9.
  • an element for separating the first laser radiation 14 is provided, which as a dichroic element; Here is designed specifically as a dichroic beam splitter.
  • the remaining first laser radiation 2.c is separated from the beam path and directed to a beam trap (not shown).
  • the emerging useful jet then only contains second laser radiation 3.
  • first electrode 10 and a second electrode 11, between which an electrical voltage U m0d can be applied are each in one yz plane disposed on the surface of the crystal 9.
  • an electric field 15 is formed.
  • a magnetic field is not provided in this embodiment.
  • the electric field is formed in the first embodiment perpendicular to the beam direction z and in the direction x of the slow axis (slow axis).
  • the electrodes are each formed in an xz plane. Then, the electric field is formed in the direction y of the fast axis (fast axis).
  • fast axis fast axis
  • the electric field disturbs the quasi-phase adaptation between the first and the second laser radiation.
  • first laser radiation is generated by the laser diode and coupled into the crystal.
  • the crystal is subjected to an electric field.
  • the quasi-phase adaptation is present again and it can again arise second laser radiation.
  • the second laser radiation 3 can be modulated.
  • the repeated switching on and off of the voltage represents a modulation of the voltage.
  • the voltage U mod is thereby switched between a fixed voltage value and a value 0, which represents a digital modulation.
  • the switching off of the electrical voltage may be accompanied by a short-circuiting of the electrodes in order to quickly discharge the electrical capacitance present between the electrodes so that the second laser radiation can be switched on again quickly.
  • an analog modulation is possible.
  • a continuously variable voltage value is applied to the electrodes, by means of which the conversion rate of the first laser radiation into second laser radiation can be continuously influenced.
  • Fig. 2 shows a third embodiment, which differs from the second embodiment in that the first electrode 10 and the second electrode 1 1 are formed in the manner shown as ring electrodes at different z-coordinates of the crystal. When a voltage is applied, an electric field 15 is formed.
  • the field is formed in the third embodiment in the beam direction z or in the opposite direction -z, depending on the polarity with which the voltage is applied to the electrodes.
  • Fig. 3 shows a fourth embodiment
  • no electric field is provided, but it is an element for generating a magnetic field provided, which is designed as a coil 13.
  • a modulated Be ⁇ driving current I m of the coil od a magnetic field is formed in the -z direction such set or Chrysler- in the beam direction sixteenth
  • the magnetic field disturbs the quasi-phase matching between the first and the second laser radiation.
  • first laser radiation is generated by the laser diode and coupled into the crystal. However, now the crystal is exposed to a magnetic field. This transformation first La ⁇ serstrahlung is impaired in the second laser radiation or come to a complete standstill. If the electric current is switched off again, the quasi-phase adaptation is present again and it can again arise second laser radiation. In this way, the second laser radiation 3 can be modulated.
  • Fig. 4 shows a fifth embodiment.
  • an element for generating a magnetic field 12 comprising a coil 13 having a core.
  • the laser diode 4 is formed in this case as a single mode diode (single mode laser diode) with ridge waveguide.
  • Fig. 5 shows a sixth embodiment.
  • a second nonlinear crystal 17 is provided.
  • the wavelength of the second laser radiation 3 is one third of the wavelength of the first laser radiation 2.
  • the second harmonic of the first laser radiation is first generated.
  • the second harmonic is a third laser radiation with half the wavelength of the first laser radiation.
  • the desired second laser radiation 3 is generated by summation frequency mixing of the third with the first laser radiation.
  • the modulation of the output power of the second laser radiation is effected by an electric field on the (first) periodically poled crystal.
  • the electric field can be used to influence the quasi-phase adaptation between the first and the third laser radiation in the periodically poled crystal, and thus also the conversion rate of the first into the second laser radiation.
  • Laser source in particular laser diode

Abstract

Die Erfindung betrifft die Modulation von Laserstrahlung, die durch Frequenzvervielfachung aus Diodenlaserstrahlung erzeugt wird. Zur Frequenzvervielfachung wird ein periodisch gepolter Kristall (9) eingesetzt, der quasiphasenangepasst betrieben wird. Der periodisch gepolte Kristall wird mit einem elektrischen oder magnetischen Feld (15) beaufschlagt, welches die Quasiphasenanpassung stört. Durch die Modulation einer Kenngröße des Feldes, beispielsweise Feldstärke oder Amplitude, wird die Ausgangsstrahlung moduliert. Die Laserdiode (4) kann aus einem erzeugenden Bereich (5) und einem integrierten Verstärker mit trapezförmigen Wellenleiter (6) bestehen und kann im Dauerstrichbetrieb betrieben werden. Ein optisches Element (7) zur Strahlformung und ein optischer Isolator (8) können sich zwischen Laserdiode (4) und dem periodisch gepolten Kristall (9) befinden. Die frequenzkonvertierte und die Laserstrahlung können über einen dichroitischen Spiegel (14) getrennt werden.

Description

Verfahren zur Modulation eines Lasers und modulierbarer Laser
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Modulation von Laserstrahlung, die durch Frequenzvervielfachung aus einer Laserstrahlung, insbesondere einer Diodenlaserstrahlung, erzeugt wird.
Stand der Technik
Eine Frequenzverdoppelung der Strahlung eines Diodenlasers ist mit einem periodisch gepolten nichtlinearen Kristall möglich. Ein solches Vorgehen ist aus US 5321718 A bekannt. Aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften des Kristalls erfolgt eine Frequenzkonversion von eingestrahltem Laserlicht in höhere Harmonische (z. B. Frequenzverdoppelung). Die periodische Polung des Kristalls bewirkt eine Quasiphasenanpassung (quasi phase matching - QPM) der sekundären frequenzverdoppelten Strahlung zur primären Strahlung des Diodenlasers. Die Quasiphasenanpassung befördert die Konversion der primären Laserstrahlung in die sekundäre fre- quenzverdoppelte Strahlung. Diese Quasiphasenanpassung funktioniert allerdings nur über einen sehr schmalen Wellenlängenbereich. Dadurch ergeben sich Probleme bei der Modulation der Laserstrahlung. In der genannten Veröffentlichung ist vorgesehen, eine Modulation der Ausgangsleistung eines solchen frequenzvervielfachten Diodenlasers mittels einer Modulation der Ausgangsleistung der Trapezlaserdiode vorzunehmen. Das hat den Nachteil, dass es zu einer ungewollten Aufhebung der Quasiphasenanpassungsbedingung des Kristalls kommen kann, da die Wellenlänge der Laserdiode von der Betriebstemperatur (Temperatur des Quantengrabens) und diese wiederum von den jeweiligen Modulationsparametern abhängen kann. Ein stabiler Betrieb ist deshalb nur über einen engen Parameterbereich der mittleren Ausgangsleistung, Pulsbreite bzw. Pulsfolgezeit möglich. Auch in US 5644584 A und US 6021 141 A erfolgt die Modulation eines frequenzverdoppelten Diodenlasers - hier als DBR-Laser ausgebildet - mittels eines Modulationsstromes des Diodenlasers. Da die Temperatur des DBR-Gitters von den Modulationsparametern abhängen kann, kann sich auch bei derartigen Vorrichtungen die Wellenlänge der Laserdiode infolge der Modulation verschieben, so dass es zu einer ungewollten Aufhebung der Quasiphasenanpassungs- bedingung des Kristalls kommen kann. Ein weiterer Nachteil der Lehre der drei oben zitierten Veröffentlichungen besteht darin, dass bei Verwendung von Trapezlaserdioden durch die Modulation der Leistung der primären (ersten) Laserstrahlung der Laserdiode eine Änderung des Astigmatismus dieser Strahlung auftreten kann, wodurch die Strahlqualität beeinträchtigt werden kann. Außerdem kann durch die Mo- dulation der Leistung der Laserdiode deren Lebensdauer verkürzt sein.
Die Quasiphasenanpassung eines periodisch gepolten Kristalls ist, wie oben beschrieben, stark von der Wellenlänge des einfallenden Laserstrahls abhängig. Daher ist eine genaue Abstimmung zur Herstellung der Quasiphasenanpassung erforderlich. Dafür sind verschiedene Maßnahmen bekannt. Aus EP 1079266 B1 ist bekannt, eine Wellenlängenabstimmung eines perio- disch gepolten Kristalls mittels Deformation durch ein Piezoelement vorzunehmen. Aus JP 20071 14527 A ist bekannt, eine Quasiphasenanpassungsbedingung mittels einer Veränderung des Betriebsstromes einer Laserdiode anzupassen. Aus JP 2007108593 A ist bekannt, eine Quasiphasenanpassungsbedingung mittels einer Variation der Strahlrichtung anzupassen. Aus DE 10102683 A1 ist ein periodisch gepolter Kristall mit kammförmigen Elektroden bekannt, an welche ein elektrisches Feld angelegt werden kann, um den Konversionswirkungsgrad zu erhöhen. Nachteilig ist die komplizierte Geometrie der Elektroden. Die maximal anwendbare Spannung kann zudem durch die geringen Abstände gegenpoliger Elektroden begrenzt sein.
Aus WO 1998018045 A1 ist ein Braggmodulator bekannt, mit dem die Intensität eines Lichtstrahls moduliert werden kann. Prinzipiell könnte ein solcher Modulator einem Frequenzverdop- pelungskristall nachgeschaltet werde, um die Ausgangsleistung einer frequenzverdoppelten Laserstrahlung modulieren zu können. Allerdings wäre ein solcher Modulator ein zusätzliches Bauteil, welches Platz beansprucht und Kosten verursacht.
Aufgabe der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Modulation der Ausgangsleistung eines frequenzvervielfachten Lasers, insbesondere eines Diodenlasers, anzugeben, welches eine schnelle Modulation zulässt und über einen weiten Parameterbereich der mittleren Ausgangsleistung und/oder Pulsbreite und/oder Pulsfolgezeit stabil betrieben werden kann. Insbesondere sollte die Laserdiode im Dauerstrichbetrieb oder im quasikontinuierlichen Betrieb betrieben werden können. Außerdem soll ein modulierbarer Laser als Vorrichtung angegeben werden. Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Modulation einer Ausgangsleistung einer zweiten Laserstrahlung mit einer zweiten Wellenlänge umfassend:
a. Erzeugen einer ersten Laserstrahlung mit einer ersten Wellenlänge mittels einer Laserquelle,
b. wenigstens teilweise Umwandlung der ersten Laserstrahlung in die zweite Laserstrahlung mittels eines periodisch gepolten Kristalls, wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und die Umwandlung eine veränderliche Umwandlungsrate aufweist,
c. wenigstens zeitweise quasiphasenangepasstes Betreiben (quasiphasematching condition) des periodisch gepolten Kristalls,
d. Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld, wobei wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes moduliert wird, wobei die Modulation der Kenngröße eine Modulation der Umwandlungsrate infolge einer Beeinflussung des quasiphasenangepassten Betriebs bewirkt,
e. Abtrennen der ersten Laserstrahlung.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe führt zu einem modulierbaren Laser, umfassend: eine Laserquelle zum Erzeugen einer ersten Laserstra lung mit einer ersten Wellenlänge; einen periodisch gepolten Kristall zur wenigstens teilweisen Umwandlung der ersten Laserstrahlung in eine zweite Laserstrahlung mit einer zweiten Wellenlänge, wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und wobei die periodische Polung des Kristalls so gewählt ist, dass eine Quasiphasenanpassung (quasiphasematching) der zweiten Laserstrahlung zur ersten Laserstrahlung vorliegt. Der modulierbare Laser umfasst weiterhin ein Element zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung. Der modulierbare Laser ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit welcher der periodisch gepolte Kristall mit einem veränderlichen elektrischen und/oder magnetischen Feld beaufschlagt werden kann, so dass eine Unterdrückung der Umwandlung infolge einer Aufhebung der Quasiphasenanpassung bewirkt werden kann und dass wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes mit einem vorgegebenen Signal modulierbar ist. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die schnelle Modulation eines frequenzvervielfach- ten Lasers, insbesondere eines Diodenlasers. Außerdem ist ein stabiler Betrieb über einen weiten Parameterbereich möglich. Die Laserquelle kann im Dauerstrichbetrieb betrieben werden, was einerseits einen stabilen Betrieb des Lasermoduls ermöglicht und andererseits eine hohe Lebensdauer der Laserquelle gewährleistet. Insbesondere bei Verwendung von einer oder mehreren Trapezlaserdioden als Laserquelle ist der Dauerstrichbetrieb vorteilhaft, weil damit eine Verschlechterung der Strahlqualität durch wechselnden Astigmatismus vermieden werden kann. Da die zwei Funktionen, Frequenzverdoppelung und Modulation, erfindungsgemäß in einem einzigen Bauteil, nämlich dem periodisch gepolten Kristall, realisiert werden können, ist die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe zudem preisgünstig und gestattet einen kompakten Aufbau. Beschreibung
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Modulation einer Ausgangsleistung eines Lasers. Dabei wird zunächst mit wenigstens einer Laserquelle eine erste Laserstrahlung (primäre Laserstrahlung) erzeugt. Die erste Laserstrahlung weist eine erste Wellenlänge auf. Vorteilhaft kann die Laserquelle als Laserdiode, die elektrisch gepumpt werden kann, ausgeführt sein oder wenigstens eine Laserdiode umfassen. Die Laserquelle kann auch mehrere Laserdioden umfassen. Die Strahlungen der mehreren Laserdioden können beispielsweise mittels eines der bekannten Verfahren zur Strahlzusammenführung zusammengeführt werden zur ersten Laserstrahlung. Alternativ kann die Laserquelle auch als optisch gepumpte Laserquelle, beispielswei- se als optisch gepumpter Halbleiterlaser ausgeführt sein oder wenigstens eine solche umfassen. Die Laserdiode kann einen Wellenleiter aufweisen, der als Stegwellenleiter ausgebildet ist. Die Laserdiode kann eine Einmodendiode (Single mode laser diode) sein. Die Laserdiode kann auch als Trapezlaser (tapered laser diode) ausgebildet sein. Die erste Laserstrahlung kann bevorzugt einmodig sein oder nur wenige Moden aufweisen. Die Beugungsmaßzahl M2 kann be- vorzugt kleiner als 3 sein, besonders bevorzugt kleiner als 1 ,5.
Zur Veranschaulichung kann ein rechtwinkliges kartesisches Koordinatensystem xyz verwendet werden. Die Strahlrichtung der ersten Laserstrahlung kann in z-Richtung aus der Laserdiode austreten. Die Wellenleiterebene der Laserdiode kann die xz-Ebene sein. Die erste Laserstrah- lung kann in bekannter Weise aus der Laserdiode mit einer Langsamachsendivergenz (slow axis divergence) und einer Schnellachsendivergenz (fast axis divergence) austreten. Die Lang¬ samachsendivergenz kann in der xz-Ebene auftreten. D. h. entlang der Ausbreitungsrichtung z kann sich der Querschnitt der Strahlung, in x-Richtung gemessen, mit der Langsamachsendi- vergenz aufweiten. Die Schnellachsendivergenz kann entsprechend in der yz-Ebene auftreten.
Die erste Laserstrahlung wird wenigstens teilweise mit einem periodisch gepolten Kristall in eine zweite Laserstrahlung (sekundäre Laserstrahlung) umgewandelt. Die Umwandlung geht mit einer Umwandlungsrate vonstatten, die veränderlich sein kann. Als Umwandlungsrate kann das Verhältnis der Leistung der zweiten Laserstrahlung zur Leistung der ersten Laserstrahlung ver- standen werden. Dabei können die Leistung der ersten Laserstrahlung vor dem Eintritt in den periodisch gepolten Kristall gemessen werden und die Leistung der zweiten Laserstrahlung nach dem Austritt aus dem periodisch gepolten Kristall.
Wenn die zweite Laserstrahlung die zweite Harmonische der ersten Laserstrahlung ist, kann die Umwandlung mit einem einzigen periodisch gepolten nichtlinearen Kristall erfolgen. In diesem Fall kann es sich bei der Umwandlung der ersten Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung um eine Frequenzverdoppelung handeln.
Zur Umwandlung der ersten Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung können aber auch zusätzlich zu dem (ersten) periodisch gepolten Kristall weitere nichtlineare Kristalle, beispielsweise ein zweiter nichtlinearer Kristall, vorhanden sein. Diese können ebenfalls periodisch gepolt sein und können erforderlichenfalls eine andere Periodizität aufweisen, als der (erste) periodisch gepolte Kristall. Ein zweiter nichtlinearer Kristall und gegebenenfalls weitere nichtlineare Kristalle können erforderlich sein, wenn die zweite Wellenlänge beispielsweise ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge betragen soll, d. h. wenn die Erzeugung höherer als der zweiten Harmonischen vorgesehen ist. Der Prozess der Erzeugung der dritten Harmonischen kann beispielswei- se so erfolgen, dass mit dem (ersten) periodisch gepolten Kristall zunächst in einem Zwischenschritt die zweite Harmonische erzeugt wird und mit einem zweiten nichtlinearen Kristall durch Summen-Frequenzmischung mit der Grundwelle, d. h. dem Rest der ersten Laserstrahlung, die dritte Harmonische erzeugt wird, die dann als zweite Laserstrahlung die Nutzstrahlung darstellen kann. In diesem Fall kann man die zweite Harmonische als dritte Laserstrahlung bezeich- nen. Die Quasiphasenanpassung des (ersten) periodisch gepolten Kristalls kann dann zwischen der ersten und der dritten Laserstrahlung, d. h. zwischen der ersten und der zweiten Harmoni- sehen, vorgesehen sein während der zweite nichtlineare Kristall eine Phasenanpassung oder Quasiphasenanpassung für die Summenfrequenzmischung bereitstellen kann.
Die zweite Wellenlänge ist ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge. Der Begriff „Bruchteil" kann in diesem Falle bedeuten, dass im Zähler eine 1 steht und im Nenner eine natürliche Zahl größer 1. Es handelt sich bei diesem Umwand- lungsprozess um eine Frequenzvervielfachung, vorzugsweise eine Frequenzverdoppelung, - Verdreifachung, oder -vervierfachung.
Die Umwandlung kann eine veränderliche Umwandlungsrate aufweisen. Die Umwandlungsrate kann in der unten angegebenen Weise gesteuert werden. Die Umwandlung der ersten Laserstrahlung in die zweite Laserstrahlung erfolgt mit einem periodisch gepolten Kristall. Die Funktionsweise des periodisch gepolten Kristalls basiert auf der spektralen und phasenrichtigen Anpassung zwischen der ersten Laserstrahlung und der zweiten Laserstrahlung. Dabei kann die erste Wellenlänge des ersten Laserstrahls durch die Laserdiode vorgegeben sein. Bevorzugt kann die erste Wellenlänge im nahen Infrarotbereich zwi- sehen 780 nm und 3000 nm, besonders bevorzugt zwischen 780 nm und 1100 nm betragen. Ebenfalls bevorzugt kann die erste Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichts zwischen 380 nm und 780 nm liegen. Kommerziell sind beispielsweise Laserdioden bei 405 nm, 630 - 680 nm, 780 nm, 808 nm, 880 nm, 905 nm, 915 nm - 980 nm, 1020 nm, 1064 nm erhältlich. Solche Dioden können zur Ausführung der Erfindung geeignet sein. Der periodisch gepolte Kristall kann nichtlineare optische Eigenschaften aufweisen. Diese können dazu führen, dass im Kristall Harmonische des eingestrahlten Laserlichts auftreten. Der periodisch gepolte Kristall wird wenigstens zeitweise quasiphasenangepasst betrieben. Das bedeutet, dass die Quasiphasenanpassungebedingung zwischen der ersten Laserstrahlung und der zweiten Laserstrahlung (quasiphasematching condition) wenigstens in einem bestimmten Zeitintervall erfüllt ist. In diesem Zeitintervall kann die Umwandlungsrate einen Maximalwert aufweisen.
Durch das Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld kann die Erfüllung der Quasiphasenanpassungsbedingung beeinflusst werden. Durch das Feld können die Brechungsindices des Kristalls für die erste Laserstrahlung ni und die zweite Laserstrahlung n2 geändert werden. Die Änderungen von ni und n2 können un- terschiedlich sein. Dadurch kann die Quasiphasenanpassungsbedingung ganz oder teilweise aufgehoben werden. Der quasiphasenangepasste Betrieb kann somit durch das Feld beein- flusst werden.
Erfindungsgemäß wird wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes moduliert. Dadurch wird eine Modulation der Umwandlungsrate infolge einer Beeinflussung des quasiphasenangepassten Betriebs bewirkt.
Der periodisch gepolte Kristall kann eine elektrische und/oder magnetische Koerzitivfeldstärke aufweisen. Die Koerzitivfeldstärke kann der Betrag der Feldstärke sein, ab dem eine Veränderung der ferroelektrischen Domänen des periodisch gepolten Kristalls nach dem Abschalten des Feldes zurückbleibt. Bevorzugt kann die Modulation so erfolgen, dass der maximale Betrag der elektrischen und/oder magnetischen Feldstärke unter der elektrischen und/oder magnetischen Koerzitivfeldstärke bleibt. Dadurch kann der quasiphasenangepasste Betrieb reversibel beein- flusst werden.
Der periodisch gepolte Kristall kann beispielsweise ein periodisch gepolter Lithiumniobatkristall LiNb03 (PPLN) oder ein periodisch gepolter stöchiometrischer Lithiumtantalatkristall LiTa03 (PPSLT) sein. Er kann als Volumenkörper oder auch als Kristallschicht auf einem Substrat ausgebildet sein. Er kann, muss aber nicht, als Wellenleiter ausgebildet sein. Als Kristallmaterial können auch andere ferroelektrische Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften verwendet werden. Um die Notwendigkeit einer kritischen oder nichtkritischen Phasenanpas- sung zu umgehen, kann der Kristall mit ferroelektrischen Domänen ausgestattet sein, die einen quasiphasenangepassten Betrieb ermöglichen. Hierbei werden in bekannter Weise Domänen in das Material geschrieben, bei denen die zweite χ(2) Ordnung der dielektrischen Suszeptibilität χ periodisch das Vorzeichen wechselt (periodische Polung). Eine echte Phasenanpassung findet nicht statt, jedoch lassen sich die einzelnen Domänen in ihrer Periodizität so gestalten, dass sich die erzeugten Teilwellen der zweiten, bzw. der dritten oder vierten oder höheren Harmonischen der Laserwellenlänge konstruktiv überlagern. Die Herstellung der ferroelektrischen Domänen kann in bekannter Weise mit einem elektrischen Feld, welches die Koerzitivfeldstärke des Kristallmaterials überschreitet, erfolgen.
Aus dem periodisch gepolten Kristall können die erste Laserstrahlung und die zweite Laser- Strahlung gemeinsam austreten. Im Falle der ersten Laserstrahlung kann das der Anteil sein, der nicht in die zweite Laserstrahlung umgewandelt oder im Kristall absorbiert worden ist. Die erwünschte Nutzstrahlung kann die zweite Laserstrahlung sein. Daher kann erfindungsgemäß ein Abtrennen der ersten Laserstrahlung vorgesehen sein. Zu diesem Zweck kann ein dichroidi- sches Element, beispielsweise ein wellenlängenselektiver Spiegel vorgesehen sein. Dieser kann beispielsweise die zweite Laserstrahlung durchlassen und die erste Laserstrahlung unter einem Winkel, beispielsweise 90°, ablenken. Der Spiegel kann alternativ beispielsweise die erste Laserstrahlung durchlassen und die zweite Laserstrahlung unter einem Winkel, beispielsweise 90°, ablenken. Die erste Laserstrahlung kann nach der Ablenkung beispielsweise mittels einer Strahlfalle absorbiert werden. Alternativ zum dichroidischen Element kann die erste Laserstrahlung auch mittels eines absorbierenden Elements, welches eine hohe Transmission für die zweite Laserstrahlung aufweist, abgetrennt werden.
Die Laserquelle kann im Dauerstrichbetrieb (continous wave - cw) oder im quasikontinuierlichen Betrieb (quasi continuous wave - qcw) betrieben werden. Quasikontinuierlicher Betrieb kann bedeuten, dass die Laserquelle, insbesondere Laserdiode, nur in bestimmten Zeitintervallen eingeschaltet wird, welche so kurz sind, dass thermische Effekte deutlich reduziert sind, ande- rerseits aber lang genug, dass der Laserprozess nahe dem Dauerstrichbetrieb stattfindet. Ein quasikontinuierlicher Betrieb kann bei Pulslängen (Länge des eingeschalten Zeitintervalls) von 1 ms bis 1000 ms, bevorzugt 10 ms bis 1000 ms vorliegen. Der quasikontinuierliche Betrieb kann mit bevorzugt mit einem festen Tastverhältnis und/oder einer festen Länge des eingeschalteten Zeitintervalls erfolgen. Das Tastverhältnis ist das Verhältnis der Länge des einge- schalteten Zeitintervalls zur Summe der Längen des eingeschalteten und ausgeschalteten Zeitintervalls.
Die modulierte Kenngröße kann die Feldstärke des elektrischen Feldes E und/oder magnetischen Feldes H, bzw. der magnetischen Induktion B, sein.
Die Umwandlungsrate kann einen Maximalwert haben, wenn die Feldstärke des elektrischen und/oder magnetischen Feldes einen Wert Null hat, d. h. wenn der Kristall nicht mit einem Feld beaufschlagt ist. Das bedeutet, dass das Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld zu einer Verringerung der Umwandlungsrate führen kann. Die Umwandlungsrate kann dabei so stark verringert werden, dass keine zweite Laserstrahlung entsteht wird, solange das Feld anliegt. Die Umwandlungsrate kann also in die- sem Fall Null sein. Das bedeutet, dass die Umwandlung erster Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung zum Erliegen kommen kann. Das elektrische Feld und/oder das magnetische Feld kann einen hochfrequenten Wechselfeldanteil aufweisen. Die modulierte Kenngröße kann die Amplitude des Wechselfeldanteils sein. Durch eine Amplitudenmodulation des hochfrequenten Wechselfeldes kann die Quasiphasen- anpassung verändert werden. Die Amplitudenmodulation kann so erfolgen, dass der hochfre- quente Wechselfeldanteil abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet wird. Weiterhin kann ein Gleichfeldanteil vorhanden sein. Der Gleichfeldanteil kann aber auch Null sein, so dass das elektrische Feld und/oder das magnetische Feld ausschließlich aus dem hochfrequenten Wechselfeldanteil bestehen kann. Die Umwandlungsrate kann einen Maximalwert haben, wenn die Amplitude des Wechselfeldanteils einen Wert Null hat.
Die Laserquelle kann vorteilhaft wenigstens eine Laserdiode, besonders vorteilhaft wenigstens einen Trapezlaser (Trapezlaserdiode - tapered laser diode) umfassen. Die Trapezlaserdiode kann einen Saatabschnitt (seed section) umfassen. Dieser Abschnitt kann als Stegwellenleiter ausgeführt sein. Die Trapezlaserdiode kann außerdem einen Trapezverstärkerabschnitt (tapered section) aufweisen, in welchem die Saatstrahlung (seed) verstärkt werden kann. Die aus der Laserdiode austretende erste Laserstrahlung kann astigmatisch und/ oder asymmetrisch sein. Eine Asymmetrie kann bezüglich der Strahlausdehnungen und/oder der Divergenzen in x- und y-Richtung vorhanden sein. Zur Beseitigung des Astigmatismus und/oder zur Symmetrisie- rung der ersten Laserstrahlung kann eine Strahltransformationseinrichtung vorgesehen sein. Diese kann aus einem oder mehreren Strahltransformationselementen bestehen. Die Strahltransformationselemente können beispielsweise als Zylinderlinsen, beispielsweise Schnellachsenkollimator (fast axis collimator - FAC) und Langsamachsenkollimator (slow axis collimator - SAC) ausgebildet sein. Weiterhin kann ein optisches Isolationselement vorgesehen sein, welches verhindern kann, dass erste oder zweite Laserstrahlung zurück zur Laserdiode gelangen kann. Das elektrische und/oder das magnetische Feld kann bezüglich der Richtung der Laserstrahlung eine Transversalkomponente aufweisen. Speziell kann das elektrische und/oder das magnetische Feld transversal ausgerichtet sein. Die Richtung des elektrischen und/oder des magnetische Feldes kann in Richtung der schnellen Achse (fast axis) der Laserdiode liegen. Das kann die x-Richtung des ober gewählten Koordinatensystems sein. Alternativ kann die Richtung elektrischen und/oder des magnetische Feldes in Richtung der langsamen Achse (slow axis) der Laserdiode liegen. Das kann die y-Richtung des ober gewählten Koordinatensystems sein. Das elektrische und/oder das magnetische Feld kann bezüglich der Richtung der Laserstrahlung eine Longitudinalkomponente aufweisen. Speziell kann das elektrische und/oder das magnetische Feld longitudinal ausgerichtet sein. Das kann die z-Richtung sein.
Das elektrische Feld kann, falls vorgesehen, mittels einer elektrischen Spannung, bevorzugt einer Hochspannung, welche zwischen wenigstens zwei Elektroden angelegt wird, erzeugt werden. Die Elektroden können direkt am Kristall angebracht sein. Sie können jeweils mehrere benachbarte Perioden der Polung (Bezirke) des periodisch gepolten Kristalls überdecken. Somit können jeweils mehrere unterschiedlich gepolte Bezirke des Kristalls mit der gleichen elektrischen Feldstärke beaufschlagt werden. Die Form der Elektroden braucht also nicht der geomet- rischen Ausbildung der Bezirke der Polung des Kristalls angepasst sein, sondern die Elektroden können großflächig ausgebildet sein. Die Spannung kann beispielsweise mittels einen schnellen Hochspannungsschalters ein- und ausgeschaltet werden.
Das magnetische Feld, falls vorgesehen, kann mittels einer stromdurchflossenen Spule erzeugt werden. Es können jeweils mehrere unterschiedlich gepolte Bezirke des Kristalls mit der glei- chen magnetischen Feldstärke beaufschlagt werden.
Der erfindungsgemäßer modulierbarer Laser umfasst eine Laserquelle, die vorteilhaft eine oder mehrere Laserdioden umfassen kann, zum Erzeugen einer ersten Laserstrahlung mit einer ersten Wellenlänge, einen periodisch gepolten Kristalls zur wenigstens teilweisen Umwandlung der ersten Laserstrahlung in eine zweite Laserstrahlung mit einer zweiten Wellenlänge, wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und wobei die periodische Polung des Kristalls so gewählt ist, dass eine Quasiphasenanpassung (quasi phase matching) der zweiten Laserstrahlung zur ersten Laserstrahlung vorliegt, und ein Element zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung.
Der Laser ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit welcher der periodisch gepolte Kristall mit einem veränderlichen elektrischen und/oder magnetischen Felde beaufschlagt werden kann. Diese Einrichtung kann beispielsweise als Paar von Elektroden ausgeführt sei, wobei dich der periodisch gepolte Kristall zwischen den Elektroden befinden kann. Die Einrichtung kann auch beispielsweise als stromdurchflossene Spule zum Erzeugen eines Magnetfelds ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Durch das elektrische und/oder magnetische Feld kann eine Unterdrückung der Umwandlung infolge einer Aufhebung der Quasiphasenanpassung bewirkt werden. Wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes ist mit einem vorgegebenen Signal modulierbar. Durch die Mo¬ dulation kann es zu der Aufhebung der Quasiphasenanpassung kommen, wobei die Aufhebung reversibel sein kann.
Der Laser kann so ausgebildet sein, dass er abwechselnd in einen ersten Zustand gebracht werden kann, in welchem die Quasiphasenanpassung vorliegt und in einen zweiten Zustand, in welchem keine Quasiphasenanpassung vorliegt. Dabei kann ohne Feld der erste Zustand vor¬ liegen, während durch das Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit dem elektrischen und/oder magnetischen Feld der zweite Zustand herbeigeführt werden kann. Durch das Abschalten des Feldes kann hernach wieder der erste Zustand herbeigeführt werden. Im ersten Zustand kann eine Umwandlung erster Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung erfolgen, während im zweiten Zustand die Umwandlung unterdrückt sein kann.
Die erste Laserstrahlung kann von der Laserquelle, insbesondere Laserdiode, ausgehend eine Strahltransformationsvorrichtung passieren, die den Strahl bündelt. Der gebündelte Strahl kann auf den periodisch gepolten Kristall treffen und diesen passieren. An der Rückseite des Kristalls kann die zweite Laserstrahlung zusammen mit dem verbleibenden Rest der ersten Laserstrahlung als gemeinsamer Strahl austreten. Mit Hilfe eines Elements zur Abtrennung kann die erste Laserstrahlung von der zweiten Laserstrahlung abgetrennt werden. Dann steht die zweite Laserstrahlung mit einer Ausgangsleistung am Ausgang des Lasers als Nutzstrahlung zur Verfügung. Erfindungsgemäß kann der Kristall allein mit einem elektrischen oder allein mit einem magnetischen Feld beaufschlagt werden. Es ist auch möglich, den Kristall mit beiden Feldern kombiniert zu beaufschlagen.
Die Figuren zeigen Folgendes:
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiele: Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lasermoduls 1 mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Mit einer Laserdiode als Laserquelle 4 wird eine erste Laserstrahlung 2 erzeugt, deren Zentralstrahl in der angezeigten Richtung läuft. Die La- serdiode ist als Trapezlaserdiode mit einem Saatabschnitt (seed section) 5 und einem Trapezverstärkerabschnitt (tapered section) 6 ausgeführt. Die Richtung der langsamen Achse (slow axis) ist als x-Richtung dargestellt. Senkrecht zur Zeichenebene, d. h. in y-Richtung sind die Wellenleiter des Saatabschnitts und des Trapezverstärkerabschnitts flach ausgebildet. Daher ist die y-Richtung die Richtung der schnellen Achse (fast axis). Die Laserdiode wird im Dauer- strichbetrieb (cw) betrieben. Die erste Laserstrahlung wird in einem Strahlabschnitt 2.a vor dem Kristall mit einer Strahltransformationsvorrichtung 7 symmetrisiert. Weiterhin vorgesehen ist ein optischer Isolator 8, der die Laserdiode vor in umgekehrter Richtung laufender Strahlung schützen soll. Um die Laserdiode vor zurücklaufender erster Laserstrahlung zu schützen, die beispielsweise durch eine Rückreflexion an einer Systemkomponente entstehen kann, kann ein handelsüblicher optischer Isolator verwendet werden. Um die Laserdiode vor zurücklaufender zweiter Laserstrahlung zu schützen, kann ein handelsüblicher optischer Kantenfilter verwendet werden, der die erste Laserstrahlung durchlässt und die zweite Laserstrahlung reflektiert. In einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels ist kein optischer Isolator vorhanden.
Die erste Laserstrahlung durchläuft den periodisch gepolten Kristall 9. Dabei wird die erste La- serstrahlung 2 in zweite Laserstrahlung 3, die die halbe Wellenlänge der ersten Laserstrahlung aufweist, umgewandelt. Das bedeutet, dass die zweite Harmonische der Frequenz der ersten Laserstrahlung erzeugt wird. Die zweite Harmonische ist die zweite Laserstrahlung. Die Ausbreitungsrichtung der Zentralstrahlen der ersten und zweiten Laserstrahlung ist als z-Richtung dargestellt. Die erste Laserstrahlung wird nicht vollständig in zweite Laserstrahlung umgewan- delt, sondern es verbleibt ein Rest der ersten Laserstrahlung im Strahlengang. Die zweite Laserstrahlung 3 verlässt zusammen mit der verbleibenden ersten Laserstrahlung 2.b den Kristall 9. Weiterhin ist ein Element zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung 14 vorgesehen, das als dichroidisches Element; hier speziell als dichroidischer Strahlteiler ausgebildet ist. Die verbleibende erste Laserstrahlung 2.c wird aus dem Strahlengang abgetrennt und auf eine Strahlfalle (nicht dargestellt) geleitet. Der austretende Nutzstrahl enthält dann nur noch zweite Laserstrahlung 3.
Weiterhin vorgesehen sind eine erste Elektrode 10 und eine zweite Elektrode 11 , zwischen denen eine elektrische Spannung Um0d angelegt werden kann. Die Elektroden sind jeweils in einer yz-Ebene an der Oberfläche des Kristalls 9 angeordnet. Wird eine Spannung angelegt, bildet sich ein elektrisches Feld 15 aus. Ein magnetisches Feld ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen. Das elektrische Feld ist im ersten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Strahlrichtung z und in Richtung x der langsamen Achse (slow axis) ausgebildet. In einem zweiten Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) sind die Elektroden jeweils in einer xz-Ebene ausgebildet. Dann ist das elektrische Feld in Richtung y der schnellen Achse (fast axis) ausgebildet. Die folgenden Betrachtungen gelten für das erste und zweite Ausführungsbeispiel gleichermaßen. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Durch das elektrische Feld wird die Quasiphasenanpassung zwischen der ersten und der zweiten La- serstrahlung gestört. Es wird weiterhin erste Laserstrahlung von der Laserdiode erzeugt und in den Kristall eingekoppelt. Allerdings ist nun der Kristall mit einem elektrischen Feld beaufschlagt. Dadurch wird die Umwandlung erster Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung beeinträchtigt oder kommt ganz zum Erliegen. Wird die elektrische Spannung wieder abgeschaltet, ist die Quasiphasenanpassung wieder vorhanden und es kann erneut zweite Laserstrahlung entstehen. Auf diese Weise kann die zweite Laserstrahlung 3 moduliert werden. Das wiederholte Ein- und Ausschalten der Spannung stellt eine Modulation der Spannung dar. Die Spannung Umod wird dabei zwischen einem festen Spannungswert und einem Wert 0 umgeschaltet, was eine digitale Modulation darstellt. Das Abschalten der elektrischen Spannung kann von einem Kurzschließen der Elektroden begleitet sein, um die zwischen den Elektroden vorhandene elektrische Kapazität schnell zu entladen, damit die zweite Laserstrahlung schnell wieder eingeschaltet werden kann. Außerdem ist in einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels eine analoge Modulation möglich. Dabei wird ein kontinuierlich veränderbarer Spannungswert an die Elektroden angelegt, durch den die Umwandlungsrate erster Laserstrahlung in zweite Laserstrahlung kontinuierlich beeinflusst werden kann. Fig. 2 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, welches sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 1 1 in der dargestellten Weise als Ringelektroden an unterschiedlichen z-Koordinaten des Kristalls ausgebildet sind. Wird eine Spannung angelegt, bildet sich ein elektrisches Feld 15 aus. Das Feld ist im dritten Ausführungsbeispiel in Strahlrichtung z oder entgegengesetzt in Richtung -z ausgebil- det, je nachdem, mit welcher Polarität man die Spannung an die Elektroden anlegt. In einer Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels wäre es möglich, die Spannung über transparente Elektroden an der Lichteintritts- und der Lichtaustrittsseite des Kristalls anzulegen. Fig. 3 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbei¬ spielen ist kein elektrisches Feld vorgesehen, sondern es ist ein Element zum Erzeugen eines Magnetfelds vorgesehen, welches als Spule 13 ausgebildet ist. Mit Hilfe eines modulierten Be¬ triebsstromes lmod der Spule wird ein magnetisches Feld 16 in Strahlrichtung z oder entgegen- gesetzt in Richtung -z ausgebildet. Durch das magnetische Feld wird die Quasiphasenanpas- sung zwischen der ersten und der zweiten Laserstrahlung gestört. Es wird weiterhin erste Laserstrahlung von der Laserdiode erzeugt und in den Kristall eingekoppelt. Allerdings ist nun der Kristall mit einem magnetischen Feld beaufschlagt. Dadurch wird die Umwandlung erster La¬ serstrahlung in zweite Laserstrahlung beeinträchtigt oder kommt ganz zum Erliegen. Wird der elektrische Strom wieder abgeschaltet, ist die Quasiphasenanpassung wieder vorhanden und es kann erneut zweite Laserstrahlung entstehen. Auf diese Weise kann die zweite Laserstrahlung 3 moduliert werden.
Fig. 4 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel In diesem Ausführungsbeispiel ist ebenfalls ein Element zum Erzeugen eines Magnetfelds 12 vorgesehen, welches eine Spule 13 mit einem Kern umfasst. Die Laserdiode 4 ist in diesem Fall als Einmodendiode (single mode laser diode) mit Stegwellenleiter ausgebildet.
Fig. 5 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel. In diesem Beispiel ist ein zweiter nichtlinearer Kristall 17 vorgesehen. Die Wellenlänge der zweiten Laserstrahlung 3 beträgt ein Drittel der Wellenlänge der ersten Laserstrahlung 2. Mit dem (ersten) periodisch gepolten Kristall perio- disch gepolter Kristall wird zunächst die zweite Harmonische der ersten Laserstrahlung erzeugt. Die zweite Harmonische ist eine dritte Laserstrahlung mit der halben Wellenlänge der ersten Laserstrahlung. Im zweiten nichtlinearen Kristall 17 wird durch Summenfrequenzmischung der dritten mit der ersten Laserstrahlung die gewünschte zweite Laserstrahlung 3 erzeugt. Die Modulation der Ausgangsleistung der zweiten Laserstrahlung wird durch ein elektrisches Feld am (ersten) periodisch gepolten Kristall bewirkt. Durch das elektrische Feld kann die Quasiphasenanpassung zwischen der ersten und der dritten Laserstrahlung im periodisch gepolten Kristall beeinflusst werden und somit auch die Umwandlungsrate der ersten in die zweite Laserstrahlung. Bezugszeichenliste:
1. Lasermodul
2. erste Laserstrahlung
a. erste Laserstrahlung vor dem Kristall b. erste Laserstrahlung nach dem Kristall c. erste Laserstrahlung, abgetrennt
3. zweite Laserstrahlung
4. Laserquelle, insbesondere Laserdiode
5. Saatabschnitt (seed section)
6. Trapezverstärkerabschnitt (tapered section)
7. Strahltransformationsvorrichtung
8. optischer Isolator
9. periodisch gepolter Kristall
10. erste Elektrode
1 1. zweite Elektrode
12. Element zum Erzeugen eines Magnetfelds 3. Spule
14. Element zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung
15. elektrisches Feld
16. magnetisches Feld
17. zweiter nichtlinearer Kristall

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Modulation einer Ausgangsleistung einer zweiten Laserstrahlung (3) mit einer zweiten Wellenlänge umfassend:
a. Erzeugen einer ersten Laserstrahlung (2) mit einer ersten Wellenlänge mittels einer Laserquelle (4),
b. wenigstens teilweise Umwandlung der ersten Laserstrahlung in die zweite Laserstrahlung mittels wenigstens eines periodisch gepolten Kristalls (9), wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und die Umwandlung eine veränderliche Umwandlungsrate aufweist,
c. wenigstens zeitweise quasiphasenangepasstes Betreiben (quasiphasematching condition) des periodisch gepolten Kristalls,
d. Beaufschlagen des periodisch gepolten Kristalls mit einem elektrischen und/oder magnetischen Feld (15, 16), wobei wenigstens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes moduliert wird, wobei die Modulation der Kenngröße eine Modulation der Umwandlungsrate infolge einer Beeinflussung des quasiphasenangepassten Betriebs bewirkt,
e. Abtrennen (14) der ersten Laserstrahlung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle im Dauerstrichbetrieb (continous wave - cw) oder im quasikontinuierlichen Betrieb (quasi conti- nuous wave - qcw) betrieben wird.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die modulierte Kenngröße die Feldstärke des elektrischen und/oder magnetischen Feldes ist.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld und/oder das magnetische Feld einen hochfrequenten Wechselfeldanteil aufweist und die modulierte Kenngröße die Amplitude des Wechselfeldanteils ist.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsrate einen Maximalwert hat, wenn die Feldstärke des elektrischen und/oder magnetischen Feldes einen Wert Null hat und/oder wenn die Amplitude des Wechselfeldanteils einen Wert Null hat.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle wenigstens eine Laserdiode, insbesondere eine Trapezlaserdiode (tapered diode) umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische und/oder magnetische Feld bezüglich der Richtung der Laserstrahlung eine Transversalkomponente aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische und/oder magnetische Feld bezüglich der Richtung der Laserstrahlung eine Longitudinalkomponente aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld mittels einer Hochspannung welche zwischen wenigstens zwei Elektroden am Kristall erzeugt wird und/oder das magnetische Feld mittels einer stromdurch- flossenen Spule (13) erzeugt wird.
10. Modulierbarer Laser (1 ), umfassend:
a. eine Laserquelle zum Erzeugen einer ersten Laserstrahlung (2) mit einer ersten Wellenlänge,
b. einen periodisch gepolten Kristall (9) zur wenigstens teilweisen Umwandlung der ersten Laserstrahlung in eine zweite Laserstrahlung (3) mit einer zweiten Wellenlänge, wobei die zweite Wellenlänge ein Bruchteil, vorzugsweise die Hälfte oder ein Drittel oder ein Viertel der ersten Wellenlänge ist und wobei die periodische Polung des Kristalls so gewählt ist, dass eine Quasiphasenanpassung (quasi- phasematching) der zweiten Laserstrahlung zur ersten Laserstrahlung vorliegt, c. ein Element (14) zum Abtrennen der ersten Laserstrahlung,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit welcher der periodisch gepolte Kristall mit einem veränderlichen elektrischen und/oder magnetischen Feld (15, 16) beaufschlagt werden kann, so dass eine Unterdrückung der Umwandlung infolge einer Aufhebung der Quasiphasenanpassung bewirkt werden kann und dass wenigs- tens eine Kenngröße des elektrischen und/oder magnetischen Feldes mit einem vorge¬ gebenen Signal modulierbar ist. 1. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle für einen Dau¬ erstrichbetrieb (continuous wave - cw) oder einen quasikontinuierlichen Betrieb (quasi continuous wave - qcw) vorgesehen ist.
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