Frequenzumwandelndes Lasergerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein frequenzumwandelndes Lasergerät, d.h. auf eine optische Einrichtung zur Erzeugung sowie optional zur Führung, Formung, Umwandlung und/oder Verstärkung eines Laserstrahls.

Für industrielle Anwendungen wie zum Gravieren oder Beschriften mittels Laser strahlung werden vielfach Festkörperlaser verwendet, also Lasergeräte, deren aktives optisches Medium durch einen kristallinen oder glasartigen (d.h. amor phen) Festkörper gebildet sind. Das von solchen Festkörpern erzeugte Licht liegt in der Regel im Infrarotbereich, insbesondere bei Wellenlängen oberhalb von 800 nm. Zur Erzeugung von kürzerwelligem Licht, wie es für viele Anwendungen benö tigt wird, stehen dagegen bisher keine geeigneten (insbesondere kommerziell er setzbaren) Festkörpermaterialien zur Verfügung.

Eine an sich übliche Methode, um mittels eines Festkörperlasers dennoch Laser licht im grünen, blauen, violetten oder ultravioletten Spektralbereich zu erzeugen, ist die sogenannte Frequenzumwandlung. Hierbei wird ein Teil des zunächst in einer Fundamentalfrequenz (auch: Grundfrequenz) erzeugten Lichts durch ein (optisch) nichtlineares Medium in Licht einer anderen Frequenz umgewandelt. Die Frequenz des umgewandelten Licht beträgt hierbei häufig ein Vielfaches der Fun damentalfrequenz, insbesondere das Zwei- oder Dreifache der Fundamental frequenz. Das frequenzumgewandelte Licht ist kohärent mit dem Licht der Fun damentalfrequenz, aus dem es entsteht und wird in der gleichen Richtung emit tiert. Das nichtlineare Medium ist häufig in der Resonatorkavität des Lasergeräts ange ordnet, so dass das frequenzumgewandelte Licht in dem Resonator entsteht. Im Fachsprachgebrauch ist diese Methode der Frequenzumwandlung daher auch als „Intra Cavity Nonlinear Frequency Conversion“ bezeichnet. Bei solchen Resonato ren durchläuft das Licht der Fundamentalfrequenz das nichtlineare Medium auf seinem Weg zwischen den Resonatorspiegeln in beiden Richtungen, wobei je weils eine Frequenzumwandlung stattfindet. Entsprechend wird auch das fre quenzumgewandelte Licht durch das nichtlineare Medium nicht nur in Vorwärts richtung (d.h. in Richtung auf den Auskoppelspiegel des Resonators) emittiert, sondern auch in Rückwärtsrichtung (d.h. in Richtung auf den gegenüberliegenden Endspiegel des Resonators). Während der in Vorwärtsrichtung emittierte Anteil des frequenzumgewandelten Lichts durch Auskopplung aus dem Resonator ein fach genutzt werden kann, stellt der in Rückwärtsrichtung emittierte Anteil des fre quenzumgewandelten Lichts in der Regel ein unerwünschtes Störsignal dar, da dieses Licht durch negative Interferenz mit dem in Vorwärtsrichtung emittierten frequenzumgewandelten Licht die Effizienz und Stabilität der Lasertätigkeit beein trächtigt. Ferner führt der in Rückwärtsrichtung emittierte Anteil des frequenzum gewandelten Lichts zu einer erhöhten Belastung (und damit zu einem erhöhten Verschleiß) der Komponenten des Resonators, insbesondere des aktiven Medi ums.

Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, werden frequenzumwandelnde Laserge räte bisweilen mit einem geknickten Resonator ausgestattet. Hierzu wird den bei den Resonatorspiegeln ein Umlenkspiegel zwischengeordnet, der das Licht der Fundamentalfrequenz um lenkt und den Resonator somit in zwei Arme unterglie dert. Das aktive Medium ist dabei in einem Arm des geknickten Resonators ange ordnet, während das nichtlineare Medium in dem zweiten Arm angeordnet ist. Der Umlenkspiegel ist für die Frequenz des umgewandelten Lichts durchlässig. Hier durch wird erreicht, dass das umgewandelte Licht nur in dem zweiten Arm des Resonators zirkuliert.

Der Umlenkspiegel kann hierbei auch zur Auskopplung des umgewandelten Lichts aus dem Resonator genutzt werden. Um die Effizienz des Resonators noch weiter zu erhöhen, kann dem Um lenkspiegel alternativ - in Verlängerung des zweiten Resonatorarms - ein dritter Resonatorspiegel nachgeordnet werden, der das durch den Um lenkspiegel transmittierte frequenzumgewandelte Licht in den zwei ten Resonatorarm zurückwirft. Der zweite Resonatorarm bildet somit mit dem drit ten Resonatorspiegel eine eigene Resonatorkavität für das frequenzumgewandel te Licht, die eine resonante Frequenzumwandlung erzwingt.

Solche geknickte Resonatoren erfordern allerdings aufgrund der wesentlich höhe ren Komplexität des Aufbaus einen hohen Herstellungsaufwand, der die kommer zielle Nutzbarkeit entsprechender Lasergeräte einschränkt. Insbesondere sind häufig aktive Stabilisierungsmaßnahmen erforderlich, um die Länge der beiden Resonatorarme oder Resonatorkavitäten aufeinander abzustimmen.

Zudem nehmen geknickte Resonatoren einen vergleichsweise großen Bauraum ein, was ebenfalls die Nutzbarkeit entsprechender Lasergeräte einschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives, gleichzeitig aber einfach zu realisierendes frequenzumwandelndes Lasergerät anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Lasergerät mit den Merk malen des Anspruchs 1 . Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Aus gestaltungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.

Das erfindungsgemäße Lasergerät umfasst in an sich üblicher Weise einen opti schen Resonator, der zwei Resonatorspiegel, nämlich einen Auskoppelspiegel und einen Endspiegel, aufweist. Der Auskoppelspiegel stellt die Vorderseite des Resonators dar. Entsprechend wird die Ausbreitungsrichtung des auf den Aus koppelspiegel geworfenen Lichts als „Vorwärtsrichtung“ bezeichnet. Licht, das auf den Endspiegel trifft, propagiert dagegen in „Rückwärtsrichtung“. Der Resonator umfasst weiterhin ein optisch aktives Medium (Lasermedium), das im Betrieb des Lasergeräts Licht einer ersten Frequenz erzeugt. Die erste Frequenz ist nachfol- gend auch als „Fundamentalfrequenz“ bezeichnet. Das Licht der ersten Frequenz ist entsprechend als „Fundamentalwelle“ (engl.: fundamental wave) bezeichnet.

Zusätzlich zu dem Resonator umfasst das Lasergerät ein (optisch) nichtlineares Medium, das im Betrieb des Lasergeräts Licht der ersten Frequenz, in anderen Worten also einen Teil der Fundamentalwelle, in Licht einer anderen Frequenz umwandelt. Die andere Frequenz ist dabei vorzugsweise, aber nicht zwingend ein ganzzahliges Vielfaches der Fundamentalfrequenz, insbesondere das Doppelte, Dreifache oder Vierfache. Das frequenzumgewandelte Licht der anderen Fre quenz ist nachfolgend in Abgrenzung von der Fundamentalwelle allgemein als „umgewandelte Welle“ bezeichnet. Sofern die andere Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Fundamentalfrequenz ist, ist das frequenzumgewandelte Licht auch als „harmonische Welle“ oder kurz „Harmonische“ bezeichnet. Im Falle einer Fre quenzverdopplung ist das frequenzumgewandelte Licht dabei auch als „zweite Harmonische“ bezeichnet, im Falle einer Frequenzverdreifachung auch als „dritte Harmonische“, etc.

Der Auskoppelspiegel ist derart gestaltet, dass er für die umgewandelte Welle (ganz oder zumindest teilweise) durchlässig ist. Für die Fundamentalwelle sind dagegen beide Resonatorspiegel vorzugsweise undurchlässig.

Das optisch nichtlineare Medium ist innerhalb des Resonators angeordnet. Sowohl das optisch aktive Medium als auch das optisch nichtlineare Medium sind also in einem Strahlengang zwischen den Resonatorspiegeln angeordnet.

Erfindungsgemäß umfasst das Lasergerät nun zusätzlich zu den vorstehend be schriebenen Teilen eine (erste) polarisationsbeeinflussende Laseroptik, die das von dem Auskoppelspiegel in Richtung auf den Endspiegel reflektierte Licht der ersten Frequenz (also die Fundamentalwelle) derart polarisiert, dass eine Fre quenzumwandlung dieses polarisierten Lichts beim Durchtritt durch das nichtlinea re Medium unterdrückt ist. Diese erste polarisationsbeeinflussende Laseroptik (nachfolgend ohne Beschränkung der Allgemeinheit abkürzend als „(erster) Pola risator“ bezeichnet) ist insbesondere zwischen dem nichtlinearen Medium und dem Auskoppelspiegel im Strahlengang des Resonators angeordnet. Durch den ersten Polarisator wird mit anderen Worten bewirkt, dass die in Rückwärtsrichtung durch das nichtlineare Medium hindurchtretende Fundamentalwelle keine Fre quenzumwandlung oder zumindest eine schwächere Frequenzumwandlung als in Abwesenheit des ersten Polarisators hervorruft. Die durch die in Rückwärtsrich tung durch das nichtlineare Medium hindurchtretende Fundamentalwelle hervorge rufene Frequenzumwandlung wird insbesondere durch geeignete Polarisierung der Fundamentalwelle minimiert.

Als „Polarisation“ oder „polarisieren“ wird hier und im Folgenden allgemein eine Änderung der Polarisationseigenschaften verstanden. Das durch den ersten Pola risator polarisierte Licht hat also andere Polarisationseigenschaften als zuvor. Bei spielsweise wird durch den ersten Polarisator eine Polarisationsrichtung der Fun damentalwelle gedreht, eine lineare Polarisation in eine zirkulare Polarisation um gewandelt oder eine zirkulare Polarisation in eine lineare Polarisation umge wandelt.

Es ist bekannt, und beispielsweise in DE 690 08 415 T2 beschrieben, dass es - in Abhängigkeit von der Art und/oder Konfiguration des optisch nichtlinearen Medi ums (z.B. von der Orientierung der Kristallachsen zu der Ausbreitungsrichtung der einfallenden Welle) - zwei Arten der Frequenzumwandlung gibt, die als „Typ I“ und „Typ II“ bezeichnet werden. Eine Frequenzumwandlung des Typs I wird durch Interaktion von einfallenden Wellen der gleichen Polarisation mit dem nicht linearen Medium verursacht. Eine Frequenzumwandlung des Typs II erfordert da gegen die Interaktion von einfallenden Wellen orthogonaler Polarisation mit dem nichtlinearen optischen Medium. Optisch nichtlineare Medien, die aufgrund ihrer Art und/oder Konfiguration eine Frequenzumwandlung des „Typ I“ oder „Typ II“ verursachen, werden nachfolgend auch kurz als „Typ I-“ bzw. „Typ Il-Medien“ (im Falle von nichtlinearen optischen Kristallen als „Typ I-“ bzw. „Typ Il-Kristalle“) be zeichnet. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere eine Frequenzumwandlung des Typs I in optisch nichtlinearen Medien regelmäßig eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Polarisation des einfallenden Lichts hat. Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung wird dabei mit maximaler Effektivität um- gewandelt, während Licht einer hierzu senkrechten Polarisationsrichtung mit mi nimaler Effektivität oder sogar gar nicht umgewandelt. Dieser Effekt wird erfin dungsgemäß ausgenutzt, um die Effizienz des Resonators zu erhöhen. Durch die Unterdrückung der Frequenzumwandlung in Rückwärtsrichtung wird der in Rück wärtsrichtung emittierte Anteil der umgewandelten Welle vollständig oder zumin dest teilweise reduziert, wodurch die eingangs erläuterten Nachteile vermieden werden. Somit wird auf einfach realisierbare Weise eine hohe Resonatoreffizienz erzielt.

In bevorzugter Ausführung umfasst das Lasergerät zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen ersten Polarisator eine zweite polarisationsbeeinflussende Laser optik, die nachfolgend (wiederum ohne Beschränkung der Allgemeinheit) abkür zend als „zweiter Polarisator“ bezeichnet ist. Dieser zweite Polarisator hat eine im Vergleich zu dem ersten Polarisator entgegengesetzte Wirkung, indem er das in Richtung auf den Auskoppelspiegel propagierende Licht der ersten Frequenz (also die in Vorwärtsrichtung propagierende Fundamentalwelle) derart polarisiert, dass eine Frequenzumwandlung dieses polarisierten Lichts beim Durchtritt durch das nichtlineare Medium gefördert, insbesondere maximiert ist.

Durch den zweiten Polarisator, der insbesondere zwischen dem Lasermedium und dem nichtlinearen Medium im Strahlengang des Resonators angeordnet ist, wird somit bewirkt, dass die in Vorwärtsrichtung durch das nichtlineare Medium hin durchtretende Fundamentalwelle eine stärkere Frequenzumwandlung hervorruft als in Abwesenheit des ersten Polarisators.

Der erste Polarisator und - sofern vorhanden - auch der zweite Polarisator sind bevorzugt durch eine Wellenplatte (auch: Verzögerungsplatte), insbesondere ein l/4-Plättchen, oder durch einen Polarisations-Rotator, z.B. einen Faraday-Rotator, einen Quarzkristall-Rotator oder einen Flüssigkristall-Rotator, gebildet. Bei Aus führungen des Lasergeräts, bei denen sowohl der erste Polarisator als auch der zweite Polarisator vorhanden sind, können die beiden Polarisatoren im Rahmen der Erfindung gleichartig oder verschiedenartig ausgebildet sein. So sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als erster Polarisator ein l/4-Plätt- chen und als zweiter Polarisator ein Polarisations-Rotator eingesetzt. Der Polari sations-Rotator ist hierbei insbesondere derart ausgestaltet, dass er die Polarisa tionsrichtung der einfallenden Fundamentalwelle um 45° dreht. In einer alterna tiven Ausführung des Lasergeräts sind sowohl der erste Polarisator als auch der zweite Polarisator jeweils durch einen Polarisations-Rotator gebildet. Auch diese Polarisations-Rotatoren sind dabei insbesondere derart ausgestaltet, dass sie die Polarisationsrichtung der einfallenden Fundamentalwelle jeweils um 45° drehen.

Die durch den mindestens einen Polarisator erzielte Konzentrierung der Frequenz umwandlung auf die in Vorwärtsrichtung laufende Fundamentalwelle ermöglicht eine einfache Gestaltung des Resonators, ohne dabei eine schlechte Resonatoref fizienz in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere ist eine geknickte Ausführung des Resonators weder nötig noch bevorzugt. Vielmehr weist der Resonator in be vorzugter Ausführung einen linearen Strahlengang auf; d.h. die Resonatorspiegel, das Lasermedium, das optisch nichtlineare Medium und der oder jeder Polarisator sind entlang einer geraden optischen Achse aufgereiht. Durch diesen einfachen Aufbau wird mit vergleichsweise geringem Aufwand eine hohe Stabilität des im Betrieb des Lasergeräts erzeugten Laserstrahls erzielt. Aktive Stabilisatoren sind nicht notwendig und daher in bevorzugter Ausführung der Erfindung auch nicht vorgesehen.

Da der erste Polarisator auf die Beeinflussung der Fundamentalwelle abgestimmt ist, hat er auf das frequenzumgewandelte Licht (d.h. auf die umgewandelte Welle) einen a priori unbestimmten Einfluss. Somit wird auch der aus dem Resonator ausgekoppelte Laserstrahl mit a priori Undefinierten Polarisationseigenschaften erzeugt. Um dennoch definierte Polarisationseigenschaften des Laserstrahls si cherzustellen, umfasst das Lasergerät in bevorzugter Ausführung zusätzlich zu dem ersten Polarisator und - falls vorhanden - dem zweiten Polarisator eine (auch als „dritter Polarisator“ bezeichnete) dritte polarisationsbeeinflussende La seroptik, die dem Auskoppelspiegel nachgeschaltet und somit außerhalb des Re sonators angeordnet ist. Dieser dritte Polarisator ist dazu ausgebildet, den Einfluss des ersten Polarisators auf die umgewandelte Welle (und damit auf den aus dem Resonator ausgekoppelten Laserstrahl) zu kompensieren. Mit anderen Worten wird durch den dritten Polarisator die Wirkung des ersten Polarisators auf die um gewandelte Welle rückgängig gemacht. In einer besonders zweckmäßigen Aus führung dieser Erfindungsvariante sind der erste Polarisator und der dritte Polari sator durch baugleiche, aber relativ zueinander um 90° um die optische Achse gedrehte l/4-Plättchen gebildet. Der Begriff ,,l/4“ bezieht sich hierbei bei beiden Polarisatoren auf die Wellenlänge der Fundamentalwelle.

Allgemein kann das Lasergerät im Rahmen der Erfindung als kontinuierlich emit tierender Laser (CW-Laser) oder als gepulster Laser betrieben werden.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Lasergerät um einen gütegeschalteten Laser (engl.: q-switched laser). Bei dieser Ausführungsform umfasst das Lasergerät zu sätzlich einen in dem Strahlengang des Resonators, insbesondere zwischen dem Lasermedium und dem nichtlinearen Medium oder- wenn vorhanden - dem zwei- ten Polarisator, angeordneten Güteschalter (engl.: q-switch), durch den die Güte des Resonators verändert werden kann. Bei dem Güteschalter handelt es sich bevorzugt um einen aktiven Güteschalter, der beispielsweise auf einem elektroop tischen Funktionsprinzip (z.B. Pockels-Zelle, Kerr-Zelle oder elektrooptischer Mo dulator) oder einem akustooptischen Funktionsprinzip (z.B. Bragg-Zelle) beruht. Grundsätzlich kann das Lasergerät im Rahmen der Erfindung aber auch einen passiven Güteschalter enthalten, insbesondere in Form eines Halbleiter-Absorber spiegels (SESAM) oder eines nichtlinearen Kristalls (z.B. eines Cr:YAG-Kristalls). Alternativ handelt es sich bei dem Lasergerät um einen modengekoppelten Laser. Das Lasergerät ist vorzugsweise ein Festkörperlaser. Entsprechend enthält das aktive optische Medium bevorzugt einen Festkörper, insbesondere einen neodym dotierten Yttrium-Orthovanadat-Kristall (Nd:YV04-Kristall).

Das nichtlineare Medium enthält vorzugsweise ein Medium, das hinsichtlich seiner Art und/oder Konfiguration, z.B. der Ausrichtung zu der Ausbreitungsrichtung der einfallenden Welle, für eine Frequenzumwandlung des Typs I (d.h. eine Frequen zumwandlung in Typ I-Phasematch-Konfiguration) eingerichtet ist. Das Medium ist dabei bevorzugt ein Festkörper, nämlich ein optisch nichtlinearer (Typ I -)Kristall, insbesondere ein Kristall aus Lithiumtriborat (LBO).

In einer speziellen Variante der Erfindung weist das nichtlineare Medium, insbe- sondere zur Erzeugung von höheren Harmonischen der ersten Fundamentalwelle, mindestens zwei einander nachgeschaltete optisch nichtlineare Kristalle, insbe sondere LBO-Kristalle, auf. In diesem Fall handelt es sich vorzugsweise bei einem ersten der beiden Kristalle um einen Kristall in einer Typ I-Phasematch- Konfiguration. Dieser erste Kristall dient hierbei zur Erzeugung einer ersten um- gewandelten Welle mittlerer Frequenz (z.B. der im Vergleich zu der Fundamen talfrequenz doppelten Frequenz) aus der Fundamentalwelle. Der zweite Kristall, der insbesondere zur Erzeugung einer zweiten umgewandelten Welle höherer Frequenz (z.B. einer Welle mit dem Dreifachen der Fundamentalfrequenz) unter Wechselwirkung der Fundamentalwelle und der ersten umgewandelten Welle dient, kann grundsätzlich im Rahmen der Erfindung ebenfalls durch einen Kristall in einer Typ I-Phasematch-Konfiguration gebildet sein. Vorzugsweise wird für den zweiten Kristall aber ein Kristall in einer Typ I I-Phasematch-Konfiguration heran gezogen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in schematisch vereinfachter Darstellung das Grundprinzip eines er findungsgemäßen Lasergerät,

Fig. 2 in Darstellung gemäß Fig. 1 eine erste konkrete Ausführungsform des Lasergeräts und

Fig. 3 in Darstellung gemäß Fig. 1 eine zweite konkrete Ausführungsform des Lasergeräts.

Einander entsprechende Teile und Strukturen sind in allen Figuren stets mit glei chen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt grob schematisch ein Lasergerät 2 mit einem optischen Resonator 4. Der Resonator 4 wird durch zwei Resonatorspiegel 6,8, nämlich einen Auskoppel spiegel 6 und einen Endspiegel 8, gebildet. Er umfasst weiterhin ein (Laser-)Me- dium 10, das im Betrieb des Lasergeräts 2 mittels einer in Fig. 1 nur angedeuteten Pumpeinrichtung 12 durch Zuführung von Licht oder elektrischer Energie energe tisch angeregt („gepumpt“) wird.

Im Betrieb emittiert das durch die Pumpeinrichtung 12 angeregte Lasermedium 10 Licht einer Fundamentalfrequenz fi, das zwischen den Resonatorspiegeln 6,8 in einer (von dem Endspiegel 8 auf den Auskopplungsspiegel 6 ausgerichteten) Vorwärtsrichtung 14 und einer (von dem Auskopplungsspiegel 6 auf den Endspie gel 8 ausgerichteten) Rückwärtsrichtung 16 zirkuliert. Für dieses nachfolgend als Fundamentalwelle F bezeichnete Licht sind der Auskopplungsspiegel 6 und der Endspiegel 8 (im Rahmen der herstellungstechnisch realisierten Güte der Resona torspiegel 6,8) undurchlässig.

Weiterhin ist in dem Resonator 4 ein optisch nichtlineares Medium 18 angeordnet, das im Betrieb des Lasergeräts 2 einen Teil der Fundamentalwelle F in Licht einer zweiten Frequenz f2 umwandelt. In dem dargestellten Beispiel entspricht die zwei te Frequenz f2 einem ganzzahligen Vielfachen der Fundamentalfrequenz fi (f2 = n · fi; mit n = 2, 3, 4, ...). Das frequenzumgewandelte Licht der zweiten Frequenz f2 ist daher nachfolgend als harmonische Welle H bezeichnet. Der Auskoppelspiegel 6 ist derart gestaltet, dass er für die harmonische Welle H (vollständig oder zumindest im Rahmen der erzielbaren Güte des Auskopplungs spiegels 6 möglichst weitgehend) durchlässig ist.

Das nichtlineare Medium 18 ist innerhalb des Resonators 4, also zwischen den Resonatorspiegeln 6,8, angeordnet.

Dem nichtlinearen Medium 18 und dem Auskoppelspiegel 6 ist einerseits ein ers ter Polarisator 20 zwischengeschaltet. Dieser erste Polarisator 20 beeinflusst im Betrieb des Lasergeräts 2 die Polarisation der von dem Auskoppelspiegel 6 reflek tierten und somit in Rückwärtsrichtung 16 propagierenden Fundamentalwelle F derart, dass die solchermaßen polarisierte Fundamentalwelle F in Rückwärtsrich tung 16 durch das nichtlineare Medium 18 hindurchtritt, ohne eine Frequenzum- Wandlung auszulösen. Durch die Polarisierung der Fundamentalwelle F mittels des ersten Polarisators 20 wird somit eine Emission von frequenzumgewandeltem Licht in Rückwärtsrichtung 16 unterdrückt.

Dem Lasermedium 10 und dem nichtlinearen Medium 18 ist andererseits ein zwei- ter Polarisator 22 zwischengeschaltet. Dieser zweite Polarisator 22 beeinflusst im Betrieb des Lasergeräts 2 die Polarisation der von dem Lasermedium 10 in Vor wärtsrichtung 14 emittierten Fundamentalwelle F derart, dass die solchermaßen polarisierte Fundamentalwelle F bei Durchtritt durch das nichtlineare Medium 18 eine maximale Frequenzumwandlung auslöst. Durch die Polarisierung der Fun- damentalwelle F mittels des zweiten Polarisators 22 wird somit eine Emission von frequenzumgewandeltem Licht in Vorwärtsrichtung 14 maximiert.

Durch das Zusammenspiel der beiden Polarisatoren 20 und 22 wird erreicht, dass die harmonische Welle H von dem nichtlinearen Medium 18 mit maximaler Intensi- tät ausschließlich in Vorwärtsrichtung 14 emittiert wird.

Beim Auftreffen auf dem Auskopplungsspiegel 6 wird die harmonische Welle H aus dem Resonator 4 ausgekoppelt, wodurch ein Laserstrahl L mit der zweiten Frequenz f2 erzeugt wird.

Der Endspiegel 8, das Lasermedium 10, der zweite Polarisator 22, das nichtlinea re Medium 18, der erste Polarisator 20 und der Auskoppelspiegel 6 sind entlang einer geraden optischen Achse 23 und somit entlang eines linearen Strahlengangs einander nachgeordnet.

In Fig. 2 ist eine erste Konkretisierung des in Fig. 1 nur allgemein dargestellten Lasergeräts 2 dargestellt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Lasergerät 2 handelt es sich um einen Festkörper-Laser, der als Lasermedium 10 einen neodym-dotierten Yttrium-Orthovanadat-Kristall (Nd:YV04-Kristall 24) aufweist. Der Nd:YV04-Kristall emittiert zur Bildung der Fundamentalwelle F Licht im Infrarotbereich mit einer Lichtwellenlänge von li 1064nm (li = 1064nm). Entsprechend beträgt die Fun damentalfrequenz fi hier 282,0 THz (fi = 282,0 THz). Die von dem Lasermedium 10 in Vorwärtsrichtung 14 emittierte Fundamentalwelle F ist linear polarisiert mit einer Polarisationsrichtung, der hier und im Folgenden der Winkel 0° zugeordnet wird.

Die Pumpeinrichtung 12 ist bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 durch einen Diodenla- ser 26 gebildet, der den Nd:YV04-Kristall 24 mit einem Pump-Laserstrahl P op tisch anregt.

Der dem Nd:YV04-Kristall 24 in Vorwärtsrichtung 14 nachgeschaltete zweite Pola risator 22 ist als Faraday-Rotator 28 ausgebildet, der die Polarisationsrichtung der Fundamentalwelle F um einen Winkel von 45° dreht.

Das optisch nichtlineare Medium 18 ist hier durch einen Kristall, nämlich einen Lithiumtriborat-Kristall (LBO-Kristall 30) in einer Typ I-Phasematch-Konfiguration gebildet, der eine Frequenzverdopplung der Fundamentalfrequenz fi hervorruft. Die zweite Frequenz f2 hat hier somit den Wert von 564,0 THz (f2 = 564,0 THz). Entsprechend handelt es sich bei der von dem LBO-Kristall 30 erzeugten harmo nischen Welle H um die zweite Harmonische H2 der Fundamentalwelle F, die eine Wellenlänge l2 von 532 nm aufweist und somit im Spektralbereich des grünen sichtbaren Lichts liegt. Der LBO-Kristall 30 ist zudem derart im Strahlengang des Resonators 4a ausgerichtet, dass er das Licht der Fundamentalfrequenz fi mit maximaler Effizienz in das Licht der zweiten Frequenz f2 umwandelt, wenn das Licht der Fundamentalfrequenz fi mit einer Polarisationsrichtung von 45° linear polarisiert ist. Der Faraday-Rotator 28 und der LBO-Kristall 30 sind somit derart aufeinander abgestimmt, dass die Effizienz der Frequenzverdopplung für den Durchtritt der Fundamentalwelle F durch den LBO-Kristall 30 in Vorwärtsrichtung 14 maximiert ist. Der dem LBO-Kristall 30 in Vorwärtsrichtung 14 nachgeschaltete zweite Polarisa tor 22 ist bei dem Beispiel aus Fig. 2 durch ein auf die Fundamentalwelle F (und somit auf Licht der Fundamentalfrequenz fi) abgestimmtes l/4-Plättchen 32 gebil det. Das l/4-Plättchen 32 ist derart im Strahlengang des Resonators 4 angeord net, dass es die in Vorwärtsrichtung 14 als linear polarisierte Welle mit einer Pola risationsrichtung von 45° auftreffende Fundamentalwelle F in eine zirkular polari sierte Lichtwelle (um)polarisiert.

An dem nachgeschalteten Auskoppelspiegel 6 wird die Fundamentalwelle F reflek tiert und somit in Rückwärtsrichtung 16 auf das l/4-Plättchen 32 zurückgeworfen. Die in Rückwärtsrichtung 16 als zirkular polarisierte Lichtwelle auftreffende Fun damentalwelle F wird nun durch das l/4-Plättchen 32 in eine linear polarisierte Lichtwelle mit einer Polarisationsrichtung von 135° (um)polarisiert.

Die solchermaßen polarisierte Fundamentalwelle F tritt nun in Rückwärtsrichtung 16 durch den LBO-Kristall 30 hindurch. Aufgrund der Anisotropie des LBO-Kristalls 30 und der Polarisierung der Fundamentalwelle F ist die Effizienz der Frequenz verdopplung für die in Rückwärtsrichtung 16 propagierende Fundamentalwelle F minimiert.

Beim Durchtritt der in Rückwärtsrichtung 16 propagierenden Fundamentalwelle F durch den Faraday-Rotator 28 wird die Polarisationsrichtung der Fundamentalwel le F wiederum um 45° gedreht. Die Fundamentalwelle F verlässt den Faraday- Rotator 28 somit in Rückwärtsrichtung 16 als linear polarisierte Welle mit einer Polarisationsrichtung von 180°, die der ursprünglichen Polarisationsrichtung von 0° entspricht. Nach Reflexion an dem Endspiegel 8 wird die Fundamentalwelle F auf das Lasermedium 10 (also den Nd:YV04-Kristall 24) zurückgeworfen und der vorstehend beschriebene Kreislauf beginnt von neuem.

Aufgrund der Unterdrückung der Frequenzverdopplung in Rückwärtsrichtung 16 wird die zweite Harmonische H2 von dem LBO-Kristall 30 (zumindest näherungs weise) ausschließlich in Vorwärtsrichtung 14 emittiert. Die zweite Harmonische H2 liegt dabei zunächst als linear polarisierte Lichtwelle mit einer Polarisationsrich- tung von 135° vor. Da das l/4-Plättchen 32 auf die Fundamentalwelle F (und die zugehörige Wellenlänge li) abgestimmt ist, hat es auf die zweite Flarmonische H2 keine definierte polarisationsbeeinflussende Wirkung. Die zweite Flarmonische H2 liegt daher nach dem Durchtritt durch das l/4-Plättchen 32 mit unbestimmten Po- larisationseigenschaften vor.

In dieser Form wird die zweite Flarmonische FH2 zur Bildung des Laserstrahls L über den Auskoppelspiegel 6 aus dem Resonator 4 ausgekoppelt. Um dem Laser strahl L eine definierte Polarisationseigenschaft zu geben, ist dem Auskoppelspie- gel 6 außerhalb des Resonators 4 ein dritter Polarisator 34 in Form eines weiteren l/4-Plättchens 36 nachgeschaltet. Dieses weitere l/4-Plättchen 36 ist baugleich zu dem l/4-Plättchen 32 ausgebildet und somit ebenfalls auf die Wellenlänge li der Fundamentalwelle F abgestimmt. Es ist gegenüber dem l/4-Plättchen 32 aber um 90° um die optische Achse 23 verdreht. Das weitere l/4-Plättchen 36 kompen- siert hierdurch die Wirkung des l/4-Plättchen 32 auf die zweite Flarmonische FH2. Nach dem Durchtritt des Laserstrahls L durch das l/4-Plättchen 36 liegt der La serstrahl L somit in linear polarisierter Form mit einem Polarisationswinkel von 135° vor. In optionaler Weiterbildung des in Fig. 1 schematisch dargestellten Konzepts ist das Lasergerät 2 aus Fig. 2 als gütegeschalteter, gepulst betriebener Laser aus gebildet. Das Lasergerät 2 weist hierzu als weitere Komponente einen Güteschal ter 38 auf, der in der Darstellung gemäß Fig. 2 dem Lasermedium 10 (hier also dem Nd:YV04-Kristall 24) und dem zweiten Polarisator 22 (hier also dem Faraday- Rotator 28) zwischengeschaltet ist. Der Güteschalter 38 ist in der Ausführung ge mäß Fig. 2 beispielhaft als akustooptischer Modulator 40 (Bragg-Zelle) ausgeführt.

In an sich bekannter Weise wird durch den Güteschalter 38 die Güte des Resona tors 4 jeweils zwischen zwei Laserpulsen intervallweise reduziert, so dass die La sertätigkeit des Resonators 4 verhindert und somit eine besonders starke Anre gung des Lasermediums 10 (also des Nd:YV04-Kristall 24) erzwungen wird. Zur Auslösung eines Laserpulses wird die Güte des Resonators 4 durch den Güte schalter vorübergehend erhöht, so dass die Lasertätigkeit einsetzt.

Alternativ hierzu wird das Lasergerät 2 als modengekoppelter Laser betrieben. In dieser (hardwaretechnisch im Wesentlichen der Ausführung gemäß Fig. 2 ent sprechenden) Ausführungsform ist hierbei im Resonator 4 ein Gütemodulator, ins besondere wiederum ein akustooptischer Modulator 40, angeordnet. Dieser Gü temodulator moduliert die Güte des Resonators 4 mit einer Frequenz, die der Um- laufzeit eines Pulses im Resonator 4 entspricht.

Der Verlauf der Fundamentalwelle F und der harmonischen Welle H (hier also der zweiten Harmonischen H2) ist in Fig. 2 zum Zweck der Verdeutlichung unterhalb des Resonators 4 schematisch angedeutet. Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Lasergeräts 2 unterscheidet sich von den anhand von Fig. 2 beschriebenen Ausführungen dadurch, dass das op tisch nichtlineare Medium 18 hier zusätzlich zu dem frequenzverdoppelnden LBO- Kristall 30 einen zweiten Kristall aus Lithiumtriborat (LBO-Kristall 42) aufweist, der zwischen dem LBO-Kristall 30 und dem ersten Polarisator 20 (hier wiederum in Form des l/4-Plättchens 32) in den Strahlengang des Resonators 4 geschaltet ist. Dieser zweite LBO-Kristall 42 erzeugt im Betrieb des Lasergeräts unter Wirkung der Fundamentalwelle F und der zweiten Harmonischen H2 Licht einer dritten Frequenz f3, die dem Dreifachen der Fundamentalfrequenz fi entspricht (f3 = 845,9 THz). Dieses frequenzverdreifachte Licht wird von dem LBO-Kristall 42 als dritte Harmonische H3 emittiert. Es hat eine Wellenlänge l3 von 354 nm und liegt im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Bei dem Lasergerät 2 aus Fig. 3 werden sowohl die zweite Harmonische H2 als auch die dritte Harmoni sche H3 über den Auskoppelspiegel 6 aus dem Resonator 4 ausgekoppelt. Bei dem zweiten LBO-Kristall 42 handelt es sich vorzugsweise um einen Kristall in Typ Il-Phasematch-Konfiguration.

Auch der zweite LBO-Kristall 40 ist derart im Strahlengang des Resonators 4 aus gerichtet, dass die Frequenzumwandlung (hier also die Frequenzverdreifachung) für die in Vorwärtsrichtung 14 propagierende Fundamentalwelle F maximiert ist. Durch die in Rückwärtsrichtung 16 propagierende Fundamentalwelle F wird auf grund der fehlenden zweiten Flarmonischen H2 im LBO-Kristall 40 keine Fre quenzverdreifachung ausgelöst. Somit wird auch die dritte Flarmonische H3 (zu mindest näherungsweise) ausschließlich in Vorwärtsrichtung 14 emittiert. Eine Frequenzverdopplung in dem LBO-Kristall 30 aufgrund der in Rückwärtsrichtung 16 propagierenden Fundamentalwelle F ist wiederum durch die Polarisierung der Fundamentalwelle F mittels des l/4-Plättchens 32 unterdrückt.

Durch den dem Auskoppelspiegel 6 nachgeschalteten dritten Polarisator 34 (hier ebenfalls durch das l/4-Plättchen 36 gebildet) wird sowohl für die zweite Harmoni sche H2 als auch für die dritte Harmonische H3 die durch das l/4-Plättchen zer störte ursprüngliche Linearpolarisierung wiederhergestellt.

Im Unterschied zu der Ausführung gemäß Fig. 2 weist das Lasergerät 2 gemäß Fig. 3 optional einen dem l/4-Plättchen 36 nachgeschalteten frequenzselektiven Spiegel 44 auf. Der Spiegel 44 ist für die Licht der dritten Frequenz f3 durchlässig, so dass die aus dem Resonator 4 ausgekoppelte dritte Harmonische H3 zur Bil dung des Laserstrahls L durch den Spiegel 42 hindurchtritt.

Die aus dem Resonator 4 ausgekoppelte zweite Harmonische H2 wird dagegen durch den Spiegel 42 abgelenkt. Sie wird hierbei beispielsweise auf einen zur De tektion der Lasertätigkeit genutzten Lichtsensor 46 geworfen.

Der Verlauf der Fundamentalwelle F und der harmonischen Welle H (hier also der zweiten Harmonischen H2 und der dritten Harmonischen H3) ist in Fig. 2 zum Zweck der Verdeutlichung wiederum unterhalb des Resonators 4 schematisch angedeutet.

Der Gegenstand der Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsbeispielen besonders deutlich, ist hierauf aber keineswegs beschränkt. Viel mehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können der an- hand der Fig. 2 und 3 beschriebene dritte Polarisator 34 sowie der Güteschalter 38 auch bei anderen Ausführungen des erfindungsgemäßen Lasergeräts 2 einge setzt werden. Weiterhin können auch der erste Polarisator 20 und/oder der zweite Polarisator 22 in anderer Weise als in den Fig. 2 und 3 dargestellt ausgeführt sein Beispielsweise kann für den ersten Polarisator 20 anstelle des l/4-Plättchen 32 ein Faraday-Rotator zum Einsatz kommen, der die Polarisationsrichtung der Fun damentalwelle um 45° dreht. Ferner können für das Lasermedium 10 und das op tisch nichtlineare Medium 18 andere geeignete Materialien als beispielhaft be schrieben zum Einsatz kommen.

Bezugszeichenliste

2 Lasergerät

4 Resonator 6 Auskoppelspiegel

8 Endspiegel

10 (Laser-)Medium

12 Pumpeinrichtung

14 Vorwärtsrichtung 16 Rückwärtsrichtung

18 (optisch nichtlineares) Medium

20 (erster) Polarisator

22 (zweiter) Polarisator

23 optische Achse 24 Nd:YV04-Kristall

26 Diodenlaser

28 Faraday-Rotator

30 LBO-Kristall

32 l/4-Plättchen 34 (dritter) Polarisator

36 l/4-Plättchen

38 Güteschalter

40 akustooptischer Modulator 42 LBO-Kristall 44 (frequenzselektiver) Spiegel

46 Lichtsensor fi Fundamentalfrequenz f2 (zweite) Frequenz F Fundamentalwelle

H harmonische Welle

H2 (zweite) Harmonische

H3 (dritte) Harmonische L Laserstrahl

P Pump-Laserstrahl