Zweite Harmonische
PPLN kann in einer Einzelpass-Konfiguration für die Frequenzverdopplung (SHG) verwendet werden, wobei der p-Wert im µm -Bereich auf die Mitte der Kristalllänge fokussiert wird. Für eine optimale µm Effizienz sollte die Boyd-Kleinman-Fokussierungsbedingung angestrebt werden. Diese ist erfüllt, wenn die Spotgröße so beschaffen ist, dass das Verhältnis der Kristalllänge zum konfokalen Parameter 2,84 beträgt.
Der optimale µm -Konversionswirkungsgrad, der für eine SHG-Wechselwirkung erreicht werden kann, hängt auch von mehrerenctoab, wie zum Beispiel:
- CW- oder gepulste p µm p-Quelle
- Eingangsleistung: Bei hoher Leistung kann es zu einer Verstärkungssättigung kommen
- P µm p/SHG Wellenlänge: Bei geringer Verstärkung ist die Konversionseffizienz höher für Wechselwirkungen mit Photonen höherer Energie (kurze Wellenlänge).
1064 nm → 532 nm
Bei niedriger Verstärkung im Dauerstrichbetrieb (CW) liegt der typische Wirkungsgrad bei 2 %/Wcm. Beispielsweise ergibt sich bei 1,5 W Leistung bei 1064 nm und einem 40 mm langen MgO:PPLN-Kristall eine erwartete Ausgangsleistung von 180 mW bei 532 nm. Bei höheren Leistungen erreichte Covesion mit einer 10-W-Quelle einen Wirkungsgrad von 1,5 %/Wcm und erzeugte mit einem 20 mm langen Kristall 3 W bei 532 nm.
In CW-Systemen wurden in einer intrakavitären Anordnung Umwandlungswirkungsgrade von über 50 % erzielt [1]. Für Nanosekundenquellen (~10 kHz, ~50 µJ) lassen sich typischerweise Wirkungsgrade von 50 % erreichen.
1550 nm → 775 nm
Die Frequenzverdopplung von Erbi µm dotierten Faserlasern ist ebenfalls üblich, beispielsweise zur Erzeugung von 775 nm oder 780 nm. Bei einer CW-Quelle lässt sich typischerweise ein Wirkungsgrad von 0,6 %/Wcm² für geringe Verstärkung erreichen. Bei hohen Leistungen wurde ein Wirkungsgrad von 0,3 %/Wcm² für die Erzeugung von 11 W bei 780 nm in einem 40 mm langen Kristall mit einer Spitzenleistung von 30 W (p µm p) demonstriert[2].
Für eine Nanosekundenquelle wurde in einem gepulsten System mit einem Durchgang ein Wirkungsgrad von bis zu 80 % erreicht [3] . Für Femtosekundenquellen mit einer Kristalllänge von 1 mm berichteten Kunden von Wirkungsgraden zwischen 40 und 60 % bei Pulsdauern von ca. 100 fs, Frequenzen von 100 MHz und mittleren Leistungen von mehreren hundert mW. Dank der sehr großen Temperaturakzeptanzbandbreite kann unser Kristall MSHG1550-0.5-1 bei Raumtemperatur und ohne Temperaturregelung für die Frequenzverdopplung (SHG) bei 1550 oder 1560 nm eingesetzt werden.
Differenzfrequenzerzeugung
PPLN wird häufig in DFG-Systemen zur Erzeugung von Licht im mittleren Infrarotbereich eingesetzt, entweder mit einem abstimmbaren Ti:S-Laser und einem 1550-nm-Laser oder mit einer 1064-nm-Quelle und einem abstimmbaren Laser um 1550 nm. Optimale µm Effizienz erfordert die konfokale Fokussierung beider p- µm -Strahlen, d. h. das Verhältnis der Kristalllänge zum konfokalen Parameter beträgt 1. Für CW-Systeme lassen sich Wirkungsgrade von 0,3–0,4 mW/W²cm² erzielen.
Optischer parametrischer Oszillator
Eine der häufigsten Anwendungen von PPLN ist der Einsatz in optischen parametrischen Oszillatoren (OPO). Eine schematische Darstellung eines OPO ist oben abgebildet. Die gängige Anordnung verwendet einen 1064-nm µm p-Laser und kann Signal- und Idlerstrahlen mit beliebigen Wellenlängen oberhalb der µm -Laserwellenlänge erzeugen. Die genauen Wellenlängen werden durch zweictobestimmt: Energieerhaltung und Phasenanpassung. Die Energieerhaltung besagt, dass die µm zwischen einem Signalphoton und einem Idlerphoton der Energie des p- µm entsprechen muss. Daher sind unendlich µm Kombinationen von erzeugten Photonen möglich. Effizient erzeugt wird jedoch diejenige Kombination, bei der die Periodizität der Polung im µm eine quasi-phasenangepasste Bedingung erzeugt. Die quasi-phasenangepasste Wellenlängenkombination, die daher als Betriebswellenlänge bezeichnet wird, lässt sich durch Ändern der PPLN-Temperatur oder durch Verwendung von PPLN mit einer anderen Polungsperiode verändern. Nd:YAG- µm -ped-OPOs auf PPLN-Basis erzeugen effizient abstimmbares Licht im Wellenlängenbereich von 1,3 bis 5 µm und können sogar Licht bei längeren Wellenlängen erzeugen, allerdings mit geringerer Effizienz. Der PPLN-OPO erreicht Ausgangsleistungen von mehreren Watt und kann mit gepulsten oder kontinuierlichen µm -Lasern im µm -Bereich pediert werden.
Die minimale µm Oszillationsschwelle kann unter konfokalen Fokussierungsbedingungen für das p µm p und das resonierende Signal oder den Idler erreicht werden, d. h. das Verhältnis der Kristalllänge zum konfokalen Parameter beträgt 1. Die typische p µm p-Schwelle für einen einfach resonanten CW-OPO liegt bei etwa 1-2W.
Frequenzerzeugung im S µm -Bereich
Für eine effiziente SFG ist es ideal, wenn die beiden p µm p-Strahlen konfokal in das PPLN fokussiert werden (d. h. das Verhältnis der Kristalllänge zum konfokalen Parameter beträgt 1) und beide Strahlen annähernd die gleiche Leistung haben.
SFG in PPLN wird häufig zur Laserkühlung von Atomen oder Ionen eingesetzt, wo eine sehr präzise Frequenzkontrolle erforderlich ist. Für die Erzeugung von 626-nm-Licht aus 1051 nm und 1551 nm wurden Wirkungsgrade von 3,5–2,5 %/Wcm² erzielt. Der Wirkungsgrad η ist hierbei wie folgt definiert [4, 5] :
Dabei ist P die Leistung bei jeder Wellenlänge und l die Kristalllänge. Für die Erzeugung von 7,2 W Licht mit einer Wellenlänge von 626 nm aus 1051 nm (8,5 W) und 1551 nm (8,3 W) wurde ein Wirkungsgrad von 44 % erreicht [4].
Ein ähnlicher Umwandlungswirkungsgrad von 3,2 %/Wcm wurde auch für die 589-nm-Erzeugung aus 1064 nm und 1319 nm berichtet[6].
Referenzen
1. M. Zhou et al., Laser Physics, vol. 20, nein. 7, S. 1568-1571 (2010)
2. SS Sané et al., Optics Express, vol. 20, nein. 8, S. 8915–9, (2012)
3. D. Taverner et al., Optics Letters, vol. 23, Nr. 3 S. 162-164 (1998)
4. H.-Y. Lo et al., Applied Physics B, doi:10.1007/s00340-013-5605-0, (2013)
5. AC Wilson et al., Applied Physics B, vol. 105, nein. 4, S. 741–748, (2011)
6. J. Yue et al., Optics Letters, Bd. 34, Nr. 7, S. 1093–5, (2009)
