optolines No. 9

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InnoVAS Weit durchstimmbare, kontinuierliche Infrarot-Laserstrahlung Optisch-parametrischer Oszillator von Frank Müller, Produktmanager, LINOS München Als Nachfolger des ersten kommerziell erhältlichen optisch-parametrischen Oszillators OS4000 präsentiert LINOS Photonics nun den OS4500. Dieser stellt dem Benutzer schmalbandige, kontinuierliche Laserstrahlung zur Verfügung, durchstimmbar vom nahen bis zum mittleren Infrarot. Die Vorteile des neuen Systems gegen- über seinem erfolgreichen Vorgänger liegen in der größeren spektralen Abdeckung, einfacheren Bedienbarkeit und stabileren Bauweise. der neue oS4500 von lInoS – mit Blick ins Innere. Angetrieben von den vielfältigsten Anwendungen verzeichnet die Entwicklung von Laserquellen seit Jahren ein ungebremstes Wachstum. Mit fortschreitender Modifizierung von Anforderungsprofilen wurden auch die Eigenschaften der Laser immer weiter verbessert. Wichtig hierbei sind die spektrale Abdeckung, Ausgangsleistung, Strahlqualität, Linienbreite, Frequenzstabilität und -abstimmbarkeit, die Abmessungen und der Preis. Speziell für die Spektroskopie an Molekülen werden weit durchstimmbare, leistungsstarke, schmalbandige und transportable Dauerstrich- Laserquellen (continuous wave, cw) benötigt, deren Emissionen im Wellenlängenbereich des nahen und mittleren Infrarots liegen. Seit wenigen Jahren erfreuen sich Dauerstrich-optisch-parametrische Oszillatoren (cw-OPOs) wachsender Beliebtheit. Das Prinzip des OPO Ausgehend von spontaner parametrischer Fluoreszenz werden beim cw-OPO aus > Kontakt Frank.Mueller@linos.de einer Pumpwelle der Frequenz w p durch nichtlineare Kopplung in einem Kristall zwei weitere Wellen („Signal“ und „Idler“) der Frequenzen w s und w i erzeugt mit der Energiebilanz: w p = w s + w i Durch optische Rückkopplung mindestens einer der beiden erzeugten Wellen wird bei einer Pumpleistung oberhalb der Schwelle (3-5 W typisch) das Signal-/Idler- Frequenzpaar ausgewählt, das die größte Verstärkung erfährt. Das nichtlineare Medium (Kristall) fungiert dabei als Mittler für den instantanen Transfer von Energie zwischen den drei beteiligten Wellen (siehe Abb 1). Die im Medium induzierte Polarisierung hat nicht nur lineare Anteile, sondern besitzt auch Terme höherer Ordnung, die den Dreiwellenmischprozess ermöglichen. Aufgrund der Maxwellgleichungen wirkt die Polarisierung auf das elektromagnetische Feld zurück. Die parametrische Frequenzkonversion ist dabei nur dann über die gesamte Kristalllänge effizient, wenn die Phasengeschwindigkeiten der beteiligten Wellen identisch sind. Aufgrund der Kristalldispersion des Brechungsindexes n(w) ist dies im Allgemeinen nicht der Fall, und es kommt zu destruktiven Interferenzen der E-Felder über die Kristalllänge aufgrund von Phasenfehlanpassung. Durch die Verwendung periodisch gepolter Kristalle kann eine Quasiphasenanpas- � 10 optolines No. 9 | 1. Quartal 2006
InnoVAS Abb.1: Prinzipskizze des oPos. Abb. 2: Wellenlängendurchstimmung durch Variation der Polungsperioden des Kristalls. sung erreicht werden: periodisch wird die optische Achse für die Polarisierung umgekehrt. Die Phasenanpassungsbedingung bestimmt letztendlich die Auswahl von Signal-/Idler-Frequenzpaaren. Folgende Größen haben Einfluss auf die Wellenlängen der generierten Signal- und Idlerstrahlung: ● Wellenlänge der Pumpstrahlung ● Polungsperiode des Kristalls (Quasiphasenanpassung) ● Temperatur des Kristalls ● Länge des OPO-Resonators Der neue OS4500 Der OS4500 ist ein einfachresonanter cw-OPO mit Pumpüberhöhung (siehe Abb. 1). Das bedeutet, dass neben der generierten Signalwelle auch die Pumpwelle im gemeinsamen optischen Resonator umläuft. Dadurch wird die Pumpschwelle von etwa 3 W bis 5 W extern auf wenige 100 mW herabgesetzt. Somit ist es möglich, Pumplaser moderater Emissionsleistung zu verwenden. In der Basisversion des OS4500 wird ein 1,2 W Nd:YAG Laser bei 1064 nm genutzt. Als nichtlineares Medium wird ein MgOdotierter, periodisch gepolter LiNbO 3 -Kristall verwendet. Durch Stabilisierung des Resonators auf die Emissionsfrequenz des hochstabilen Pumplasers zeigt zugleich auch die Signalstrahlung – und damit auch die Idlerstrahlung – eine sehr gute Frequenzstabilität. Die gemessenen Linienbreiten sind kleiner als 50 kHz bei einer Drift von maximal 50 MHz in einer Stunde. Durch Einbau eines Etalons in den Resonator können Modensprünge effektiv unterdrückt werden. Der nichtlineare Kristall besitzt 18 Polungsperioden, die über einen Verschiebetisch zur groben Wellenlängendurchstimmung angefahren werden können (siehe Abb. 2). Zudem kann die Kristalltemperatur zwischen 50 °C und 170 °C variiert werden, bei einer Temperaturstabilität im mK-Bereich. Durch Drehen des Etalons kommt es zu Modensprüngen in Einheiten des freien Spektralbereichs des Resonators (etwa 0,5 GHz). Durch Verstimmen der Wellenlänge des Pumplasers ist eine kontinuierliche Wellenlängendurchstimmung möglich. Insgesamt können Wellenlängenbereiche von 1380 nm bis 2000 nm (Signal) und 2280 nm bis 4670 nm (Idler) abgedeckt werden. Der OS4500 stellt in der Basisversion zwei Idlerstrahlen mit einer Leistung von je bis zu 50 mW und zwei Signalstrahlen mit einer Maximalleistung von je 20 mW zur Verfügung. Diese Emissionsleistungen können durch Verwendung eines 2 W Pumplasers um etwa 50 % gesteigert werden. Der OS4500 kommt ohne Kühlkreisläufe aus. Einsatzbereiche Der OS4500 stellt dem Anwender leistungsstarke, schmalbandige, kontinuierliche Laserstrahlung zur Verfügung, durchstimmbar vom nahen bis ins mittlere Infrarot. Aufgrund der spektralen Eigenschaften reichen mögliche Anwendungsbereiche von lasergestützten Untersuchungen an Festkörpern über die hochempfindliche, selektive Spurengasanalytik bis hin zur hochpräzisen Molekülspektroskopie. In Kombination mit Frequenzstandards (z.B. Frequenzkamm) sind auch Anwendungen im Bereich der Metrologie denkbar. � Fokus auf den OS4500 von LINOS ● Signal-Emissionsbereich 1380 – 2000 nm ● Idler-Emissionsbereich 2280 nm – 4670 nm ● max. Signalleistung 2 x 20 mW ● max. Idlerleistung 2 x 50 mW ● Linienbreite < 50 kHz ● Frequenzdrift < 50 MHz/h ● Abmessungen 364 mm x 587 mm x 125 mm No. 9 | 1. Quartal 2006 optolines 11
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