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Dokumentenidentifikation DE10014139A1 26.10.2000
Titel Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat, mit derselben ausgestattete Laservorrichtung und Verfahren zum Umwandeln von Wellenlängen unter Verwendung derselben
Anmelder Mitsubishi Materials Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Sugawara, Tamotsu, Omiya, Saitama, JP;
Shiraishi, Hiroyuki, Omiya, Saitama, JP;
Komatsu, Ryuichi, Ube, Yamaguchi, JP;
Petrov, Valentin, 12489 Berlin, DE
Vertreter Gille Hrabal Struck Neidlein Prop Roos, 40593 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 22.03.2000
DE-Aktenzeichen 10014139
Offenlegungstag 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse G02F 1/355
IPC-Nebenklasse G02F 1/37   H01S 3/109   
Zusammenfassung Eine Laservorrichtung umfaßt eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat, um eine Wellenlänge umzuwandeln, indem ein auftreffender Laserstrahl dadurch geführt wird. Das Verhältnis zwischen der Ausrichtung der Kristallachse des Einkristall-Lithiumtetraborats und der Auftreffrichtung des Laserstrahls wird so bestimmt, daß keine Strahlabwanderung in dem durch die Umwandlungsvorrichtung laufenden Laserstrahl stattfindet. Es wird ebenfalls ein Verfahren zur Umwandlung einer Wellenlänge durch Führen eines auftreffenden Laserstrahls durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat dargelegt.

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat (Li2B4O7) und eine mit der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen ausgestattete Laservorrichtung und auch ein Verfahren zur Umwandlung einer Wellenlänge unter Verwendung derselben.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Kurzwellen-Festkörper-Laser, welche in den Ultraviolett und sichtbaren Bereichen arbeiten, und welche mit Infrarot-Festkörper-Lasern, wie Yag-Lasern, und Wellenlängenumwandlungsvorrichtungen zur Verringerung der Wellenlänge von auffallendem Licht um die Hälfte ausgestattet sind, weisen Vorteile gegenüber konventionellen Argonlasern und Excimerlasern auf, da sie sehr sicher, leicht zu warten, kostengünstig und klein und kompakt sind. Dementsprechend wurden intensive Forschungsarbeiten an Kurzwellen-Festkörper-Lasern durchgeführt.

Insbesondere wird einem Verfahren zur Erzeugung von Ultraviolett-Licht mit kontinuierlicher Welle (CW) durch Erzeugung einer zweiten Oberwelle (SHG) eines Argonlasers Aufmerksamkeit geschenkt. Bei diesem Verfahren kann kontinuierliches Licht, welches mit einem Excimerlaser nicht zu erhalten ist, erzeugt werden, und ein Laserstrahl in einem Wellenlängenband von 240 nm, der unentbehrlich für Fasergitter ist, kann erzeugt werden. Somit wird solch eine Erzeugung eine wichtige Lichtquelle für die Verarbeitung von in Zukunft sein.

Derzeit wird nur BBO (BaB2O4) als ein Wellenlängenumwandlungskristall zur Erzeugung der zweite Oberwelle des Argonlasers verwendet. Der Kristall weist einen großen, nicht linearen Koeffizienten auf, was vorteilhaft ist.

Da jedoch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen bestehend aus dem BBO-Kristall eine Vorrichtung der Art der kritischen Phasenanpassung (CPM = critical phase matching) ist, ist die Winkelbandbreite klein, ist der Abwanderungswinkel groß und es müssen dünne Kristalle benutzt werden. Somit ist es nicht möglich, die Umwandlungsleistung zu erhöhen. Die Winkelbandbreite bezieht sich auf einen Winkel (Einheit: mrad.cm), der erhalten wird, wenn eine Ausgangsleistung eines Laserstrahles, bei welchem die Wellenlänge umgewandelt wird, wenn ein Phasenanpassungswinkel (ein Winkel zwischen dem Laserstrahl und der C-Achse, wenn die Vorrichtung zur Wellenlängenumwandlung eine zweite Oberwelle erzeugt) um einen mikroskopischen Winkel gedreht wird, der Hälfte der Ausgangsleistung der zweiten Oberwelle in dem exakten Phasenanpassungswinkel entspricht. Außerdem erzeugt der BBO-Kristall selbst Wärme, indem er die zweite Oberwelle absorbiert und so werden die Phasenanpassungsbedingungen verändert, was zu Schwankungen in der Ausgangsleistung der zweiten Oberwelle führt. Der Kristall weist auch eine kurze Lebensdauer auf. Obwohl die Erzeugung des Ultraviolettlichts mit kontinuierlicher Welle durch die zweite Oberwelle des Argonlasers sehr wirksam ist, wurde deren industrielle Verwendung daher noch nicht aufgenommen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat bereitzustellen, welche geeignet ist für eine Wellenlängenumwandlung durch nicht-kritische Phasenanpassung (NCPM), und welche eine große Winkelbandbreite und exzellente Beständigkeit gegenüber Laserlicht aufweist.

Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Laservorrichtung bereitzustellen, welche stabil einen kontinuierlichen Wellenlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 244 nm oder 248,25 nm unter Verwendung einer Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat erzeugt, in welcher die Wellenlängenumwandlung durch nicht kritische Phasenanpassung durchgeführt wird.

In einem Aspekt der Erfindung, wie in Abb. 1 gezeigt, besteht eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 aus Einkristall-Lithiumtetraborat, das so geschnitten ist, daß die Ausstrahlrichtung des Lichtes in die Richtung eingestellt wird, die dem Verhältnis θm = 90° ± 2° genügt, wobei θm ein Winkel zwischen der Ausstrahlrichtung des Lichtes und der C-Achse ist.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und bezüglich des derart geschnittenen Einkristall-Lithiumtetraborats tritt durch Ausrichtung eines auftreffenden Laserstrahles in die Lichtausstrahlrichtung bei einer vorbestimmten Temperatur keine Strahlabwanderung auf, und die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10, die geeignet ist zur Wellenlängenumwandlung durch nicht kritische Phasenanpassung wird erhalten.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wie in Abb. 2 gezeigt, wird in einer Laservorrichtung in welcher die Wellenlänge umgewandelt wird, indem ein auftreffender Laserstrahl durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat geführt wird, das Verhältnis zwischen der Ausrichtung der Kristallachse und der Auftreffrichtung des Laserstrahls bestimmt wird, um zu verhindern, daß eine Strahlabwanderung in dem durch die Umwandlungsvorrichtung 10 laufenden Laserstrahl stattfindet.

Vorzugsweise, wie in Abb. 2 gezeigt, ist das Einkristall-Lithiumtetraborat in der Vorrichtung zur Umwandlung der Wellenlängen 10 der Laservorrichtung so geschnitten, daß die Ausstrahlrichtung in die Richtung eingestellt wird, die dem Verhältnis θm = 90° ± 2° genügt, wobei θm ein Winkel zwischen der Ausstrahlrichtung und der C-Achse ist.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung tritt durch Ausrichtung eines auftreffenden Laserstrahls in die Lichtausstrahlrichtung bei einer vorbestimmten Temperatur keine Strahlabwanderung in der Vorrichtung zur Umwandlung der Wellenlänge 10 auf, und die Laservorrichtung welche eine nicht kritische Phasenanpassung einsetzt, wird erhalten.

Vorzugsweise beinhaltet die Laservorrichtung einen Temperaturregler 13, um die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10, bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat, innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches zu halten.

Dementsprechend wird die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 von dem Temperaturregler 13 auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Umwandlung einer Wellenlänge, wobei ein auftreffender Laserstrahl durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat geführt wird, die Schritte: Bestimmung des Verhältnisses zwischen der Ausrichtung der Kristallachse und der Auftreffrichtung des Laserstrahls, so daß keine Strahlabwanderung in dem durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 laufenden Laserstrahl stattfindet, Halten der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 in einem Temperaturbereich von 13,5 ± 10°C, vorzugsweise 13,5 ± 2°C und Führen eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 488 nm durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10, so daß die Wellenlänge in 244 nm umgewandelt wird.

Dementsprechend kann ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle mit einer Wellenlänge von 244 nm stabil erzeugt werden.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Umwandlung einer Wellenlänge, wobei ein auftreffender Laserstrahl durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat geführt wird, die Schritte: Bestimmung des Verhältnisses zwischen der Ausrichtung der Kristallachse und der Auftreffrichtung des Laserstrahls, so daß keine Strahlabwanderung in dem durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 laufenden Laserstrahl stattfindet, Halten der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 auf einer Temperatur von 300°C bis 500°C und Führen eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 496,5 nm durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10, so daß die Wellenlänge in 248,25 nm umgewandelt wird.

Dementsprechend kann ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle mit einer Wellenlänge von 248,25 nm stabil erzeugt werden.

Vorzugsweise ist bei beiden oben beschriebenen Verfahren zur Umwandlung einer Wellenlänge, wie in Abb. 1 gezeigt, das Einkristall-Lithiumtetraborat so geschnitten, daß die Ausstrahlrichtung in die Richtung eingestellt wird, die dem Verhältnis θm = 90° ± 2° genügt, wobei θm ein Winkel zwischen der Ausstrahlrichtung und der C-Achse ist.

Dementsprechend kann ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle mit einer Wellenlänge von 244 nm oder 248,25 nm stabil durch nicht kritische Phasenanpassung erzeugt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Abb. 1 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Verhältnis zwischen der Ausrichtung der Kristallachse einer Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus Einkristall- Lithiumtetraborat, und der Ausstrahlrichtung des Lichts in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;

Abb. 2 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Argonlaser aus Beispiel 1 zeigt;

Abb. 3 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Innenresonator eines Argonlasers aus Beispiel 2 zeigt;

Abb. 4 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Argonlaser aus Beispiel 3 zeigt; und

Abb. 5 ist ein schematisches Diagramm, welches einen Innenresonator eines Argonlasers aus Beispiel 4 zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Einkristall-Lithiumtetraborat ist geeignet für ein Frequenzumwandlungskristall, um einen Laserstrahl im UV-Bereich aus Infrarotlicht zu erhalten, da, im Vergleich zu anderen Kristallen, die Zerfließrate herabgesetzt, ein exzellenter Feuchtigkeitswiderstand vorhanden und eine Schwelle für laser-induzierte Beschädigungen (Beständigkeit gegenüber Laserlicht) erheblich heraufgesetzt ist. Der für die Wellenlänge eines auftreffenden Laserstrahls transparente Bereich ist auch groß, und es ist möglich, große Kristalle von guter Qualität zu züchten, und somit wird eine ausgezeichnete Verarbeitungsfähigkeit erzielt. Bezüglich des Einkristall-Lithiumtetraborats ist die nicht-lineare optische Konstante, die der Wellenlängenumwandlungsleistung entspricht, jedoch klein, was nachteilig ist. Da die Wellenlängenumwandlungsleistung proportional zu dem Quadrat der Kristallänge ist, kann die Umwandlungsleistung durch Vergrößerung der Kristallänge von Einkristall-Lithiumtetraborat verbessert werden. Wenn jedoch die Kristallänge vergrößert wird, werden die Winkelbandbreite, die Spektralbandbreite etc. verkleinert. Da Licht mit umgewandelter Wellenlänge eine andere Wellenlänge aufweist als auftreffendes Licht, wird ein bestimmter Winkel (Strahlabwanderungswinkel) in bezug auf die Strahlrichtung des auftreffenden Lichts aufgrund der Streuung des Brechungsindex erzeugt. Die Strahlabwanderung verringert die Umwandlungsleistung. Wenn der Querschnitt eines auftreffenden Lichtstrahls kreisförmig ist, ist der Querschnitt eines umgewandelten Lichtstrahls abgeflacht und wird elliptisch.

Bezüglich des Einkristall-Lithiumtetraborats haben die vorliegenden Erfinder daher ein Verfahren zur Umwandlung einer Wellenlänge entwickelt, ohne die Wellenlängenumwandlungsleistung pro Längeneinheit des Einkristalls durch nicht-kritische Phasenanpassung zu verringern, wobei keine Strahlabwanderung auftritt. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bedeutet dies, daß ein Einkristall-Lithiumtetraborat, welches nicht in großem Maße UV-Licht absorbiert, anstelle der konventionellen BBO-Kristalle verwendet wird. Bezüglich beispielsweise eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge von 488 nm oder 496,5 nm eines Argonlasers wird die Winkelbandbreite durch nicht kritische Phasenanpassung erheblich erhöht, was keine Strahlabwanderung bewirkt, und ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle mit einer Wellenlänge von 244 nm oder 248,25 nm kann stabil erzeugt werden.

Um eine nicht kritische Phasenanpassung, wie in Abb. 1 gezeigt, zu erzielen, wird Einkristall- Lithiumtetraborat 10 so geschnitten, daß die Lichtausstrahlrichtung in die Richtung eingestellt wird, die dem Verhältnis θm = 90° ± 2° genügt, wobei θm ein Winkel zwischen der Lichtausstrahlrichtung und der C-Achse ist. Wenn der Winkel θm außerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, wird die Winkelbandbreite des Einkristall-Lithiumtetraborats nicht erfüllt, und so wird der Winkel θm auf 90° ± 2° eingestellt, und am bevorzugtesten auf 90°. Wenn der Winkel θm auf 90° eingestellt ist, wenn Einkristall-Lithiumtetraborat unter Verwendung eines Impfkristalls gezüchtet wird, wobei das Einkristall-Lithiumtetraborat mit dem Czochralski-Verfahren oder dem Bridgman-Verfahren in die <110>-Ausrichtung geschnitten wird, kann die Schnittfläche des gezüchteten Einkristalls leicht bestimmt werden. Da der Lithiumtetraborat-Einkristall ein negativer einachsiger Kristall ist, muß nur der Winkel θm zwischen einem Laserstrahl zur Erzeugung von zweiten Oberwellen und der C-Achse (optische Achse) für den nicht kritischen Phasenanpassungszustand berücksichtigt werden, und ein Drehwinkel φ auf der c-Ebene kann außer Betracht gelassen werden.

Um einen nicht kritischen Phasenanpassungszustand bezüglich einer Wellenlänge von 488 nm eines Argonlasers zu erzielen, muß die Temperatur des Einkristall-Lithiumtetraborats auf 13,5 ± 10°C, vorzugsweise 13,5 ± 2°C eingestellt werden. Wenn die Temperatur außerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, ist es nicht möglich, die Wellenlänge von 488 nm durch nicht- kritische Phasenanpassung umzuwandeln. Bevorzugter wird die Temperatur auf 13,5 ± 1°C eingestellt. Daher muß die Wellenlängenumwandlung durchgeführt werden, während eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat, von einem Temperaturregler, welcher ein Peltier-Element oder dergleichen verwendet, auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.

Um einen nicht kritischen Phasenanpassungszustand bezüglich einer Wellenlänge von 496,5 nm eines Argonlasers zu erzielen, muß die Temperatur des Einkristall-Lithiumtetraborats auf 300°C bis 500°C eingestellt werden. Der Grund für die Begrenzung der Temperatur des Einkristall- Lithiumtetraborats auf 300°C bis 500°C besteht darin, daß die Wellenlänge bei der nicht- kritischen Phasenanpassung länger als 496,5 nm ist, falls die Temperatur weniger als 300°C beträgt, und daß die Wellenlänge bei der nicht-kritischen Phasenanpassung kürzer als 496,5 nm ist wenn die Temperatur 500°C überschreitet. Vorzugsweise wird die Temperatur auf 350°C bis 450°C eingestellt und noch bevorzugter auf 400°C. Daher muß die Wellenlängenumwandlung durchgeführt werden, während eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus Einkristall-Lithiumtertraborat von einem Temperaturregler, welcher einen elektrischen Ofen oder dergleichen verwendet, auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen beschrieben.

BEISPIEL 1

Zur Untersuchung der nicht kritischen Phasenanpassung von Einkristall-Lithiumtetraborat, wurde ein Lithiumtetraborat-Einkristall mit einer Länge von 1 cm, einer Breite von 1 cm und einer Höhe von 1 cm hergestellt. Die (110)-Ebene des Einkristalls wurde geschliffen und als eine Auftreffebene für einen Laserstrahl eingestellt.

Wie in Abb. 2 gezeigt, wurde eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10, bestehend aus dem Lithiumtetraborat-Einkristall, zwischen einem Argonlaser 11 und einem Prisma 12 in dem Lichtweg des Laserstrahls angeordnet. Die Vorrichtung zur Umwandlung der Wellenlänge 10 wurde so positioniert, daß sich ein Winkel von 90° zwischen der Richtung eines auftreffenden Strahls von dem Argonlaser 11 und der C-Achse ergab. Ein Temperaturregler 13, welcher ein Peltier-Element verwendet um die Vorrichtung zur Umwandlung der Wellenlänge 10 auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten, wurde in der Nähe zu der Vorrichtung 10 angeordnet. Von dem Argonlaser 11 wurde ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle mit einer Wellenlänge von ungefähr 488 nm bei 10 W in die (110)-Ebene der Vorrichtung 10 ausgesandt, während die Temperatur der Vorrichtung zur Umwandlung der Wellenlänge 10, bestehend aus dem Lithiumtetraborat Einkristall, schrittweise von 10°C auf 17°C angehoben wurde. Es wurde ein Ausgangslicht mit einer Wellenlänge von 244 nm, welches von dem Prisma 12 gestreut wurde, beobachtet.

Die Ausgangsleistung der Laservorrichtung wurde in dem Temperaturbereich der Vorrichtung 10 zwischen ungefähr 12°C und ungefähr 16°C stark erhöht. Die in dem Temperaturbereich erzeugte Ausgangsleistung lag bei 1 mW, was ungefähr 12 mal der Ausgangsleistung bei 11°C entsprach. In der Vorrichtung zur Umwandlung der Wellenlänge, bestehend aus dem Lithiumtetraborat-Einkristall, lag der Strahlabwanderungswinkel bei 0°. Wenn die nicht kritische Phasenanpassungsbedingung erfüllt war, lag die Temperaturbandbreite (FWHM) bei ungefähr 3,5°C.cm, und die Winkelbandbreite betrug 1,52°.cm1/2 (27 mrad.cm1/2). Unter solchen Bedingungen, und bezüglich des Lithiumtetraborat-Einkristalls, fand keine Strahlabwanderung statt und eine Wellenlängenumwandlung durch nicht kritische Phasenanpassung wurde ermöglicht.

VERGLEICHSBEISPIEL 1

Zum Vergleich wurde ein BBO(BaB2O4)-Kristall mit einer Länge von 5 mm, einer Breite von 5 mm und einer Höhe von 5 mm hergestellt. Eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus dem Kristall, wurde zwischen einem Argonlaser und einem Prisma in dem Lichtweg eines Laserstrahls angeordnet und ein Peltier-Temperaturregler zum Halten der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen auf einer vorbestimmten Temperatur wurde in der Nähe der Vorrichtung in einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 1 angeordnet. Die Temperatur der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus dem BBO- Kristall, wurde schrittweise in einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 1 angehoben. Von dem Argonlaser wurde ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle mit einer Wellenlänge von 488 nm bei 10 W zu der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus BBO, ausgesandt. Es wurde Ausgangslicht mit einer Wellenlänge von 244 nm, das von dem Prisma gebrochen wurde, beobachtet.

Bei der Verwendung der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen bestehend aus dem BBO-Kristall, bei welcher der Winkel des Kristalls gedreht wurde anstatt die Temperatur zu verändern, da der Kristall von der Art der kritischen Phasenanpassung ist, wurde Licht mit einer Wellenlänge von 244 nm bei maximal 8 mW beobachtet. In der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus dem BBO-Kristall, betrug der Strahlabwanderungswinkel 4,66° wobei die Winkelbandbreite 0,25 mrad.cm war. Da bei dem BBO-Kristall eine Strahlabwanderung stattfindet, hängt die Wellenlängenumwandlung nicht von der nicht- kritischen Phasenanpassung ab.

BEISPIEL 2

In einem in Abb. 3 gezeigten Argonlaser wurden eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10, bestehend aus einem Lithiumtetraborat Einkristall mit einer Länge von 5 cm, einer Breite von 1 cm und einer Höhe von 1 cm, und ein Temperaturregler angeordnet. D. h. die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 wurde in dem Lichtweg einer Plasmaröhre 16 so positioniert, daß ein Winkel von 90° zwischen der Richtung des auftreffenden Lichts und der C-Achse des Lithiumtetraborat Einkristalls gebildet wurde. In einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 1 wurde die (110)-Ebene des Lithiumtetraborat-Einkristalls als eine Auftreffebene für einen Laserstrahl eingestellt. Die Bezugszahl 17 stellt einen Totalreflexionsspiegel dar, die Bezugszahl 18 stellt einen Auskoppelspiegel dar, der ein Halbspiegel ist, und die Bezugszahl 19 stellt eine Öffnung dar.

Basierend auf den Ergebnissen des Beispiels 1 wurde, während die Temperatur der Vorrichtung 10 von dem Temperaturregler 13 auf 13,8°C gehalten wurde, ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 488 nm von der Plasmaröhre 16 in den Innenresonator eines Argonlasers ausgesandt. Licht mit einer Wellenlänge von 244 nm wurde von dem Auskoppelspiegel 18 aufgrund der Wellenlängenwumandlung durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 ausgesandt. Das Licht mit 244 nm hatte eine Ausgangsleistung von 200 mW. Nachdem der Vorgang kontinuierlich über 10 Stunden durchgeführt worden war, war der Kristall nicht beschädigt und die Ausgangsleistung war stabil.

VERGLEICHSBEISPIEL 2

Unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 2 wurde ein BBO-(BaB2O4)-Kristall mit einer Länge von 5 mm, einer Breite von 5 mm und einer Höhe von 5 mm in einem Argonlaser angeordnet, und ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 488 nm wurde von einer Plasmaröhre in einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 2 erzeugt Licht mit einer Wellenlänge von 244 nm wurde von einem Auskoppelspiegel aufgrund der Wellenlängenumwandlung durch den BBO- Kristall ausgesandt. Das Licht mit 244 nm wies eine Ausgangsleistung von nur maximal 100 mW auf, und, nachdem der Vorgang kontinuierlich über eine Stunde durchgeführt worden war, war der Kristall beschädigt und somit wies der BBO-Kristall eine niedrige Haltbarkeit gegenüber Laserlicht auf.

BEISPIEL 3

Zur Untersuchung der nicht kritischen Phasenanpassung von Einkristall-Lithiumtetraborat bei hohen Temperaturen wurde ein Lithiumtetraborat-Einkristall, der so geschnitten war, daß die Ausstrahlrichtung des Lichts mit der C-Achse einen Winkel von 90° bildete, und der eine Länge von 1 cm, eine Breite von 1 cm und eine Höhe von 1 cm aufwies, hergestellt. Die (10)-Ebene des Einkristalls wurde geschliffen und als eine Auftreffebene für einen Laserstrahl eingerichtet.

Wie in Abb. 4 gezeigt, wurde eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10, bestehend aus dem Lithiumtetraborat-Einkristall zwischen einem Argonlaser und einem Prisma 12 in dem Lichtweg des Laserstrahls angeordnet. Die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 wurde so positioniert, daß ein Winkel von 90° zwischen der Richtung eines auftreffendes Strahls von dem Argonlaser 11 und der C-Achse gebildet wurde. Ein Temperaturregler 23, der einen elektrischen Ofen einsetzte, um die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten, wurde in der Nähe der Vorrichtung 10 angeordnet. Von dem Argonlaser 11 wurde ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle mit einer Wellenlänge von ungefähr 496,5 nm bei ungefähr 5 W zu der (110)-Ebene der Vorrichtung 10 ausgesandt, während die Temperatur der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 von dem Temperaturregler 23 schrittweise von Raumtemperatur auf 554°C angehoben wurde. Es wurde Ausgangslicht mit einer Wellenlänge von 248,25 nm, das von dem Prisma 12 gestreut wurde, beobachtet.

Die Ausgangsleistung der Laservorrichtung wurde in dem Temperarturbereich der Vorrichtung 10 zwischen ungefähr 300°C und ungefähr 500°C stark erhöht. Die in dem Temperaturbereich erzeugte Ausgangsleistung lag bei 0,5 mW, was ungefähr 10 mal der Ausgangsleistung bei Raumtemperatur entsprach. In der Vorrichtung zur Umwandlung der Wellenlänge, bestehend aus dem Lithiumtetraborat-Einkristall, lag der Strahlabwanderungswinkel bei 0°. Wenn die nicht- kritische Phasenanpassungsbedingung erfüllt war, lag die Temperaturbandbreite (FWHM) bei ungefähr 3,5°C.cm, und die Winkelbandbreite betrug 1,5°.cm1/2 (27 mrad.cm1/2). Unter solchen Bedingungen, und bezüglich des Lithiumtetraborat Einkristalls, fand keine Strahlabwanderung statt und eine Wellenlängenumwandlung durch nicht kritische Phasenanpassung wurde ermöglicht.

Außerdem wurde dasselbe Experiment wie das oben beschriebene unter Verwendung eines Lithiumtetraborat-Einkristalls mit einer Länge von 5 cm, einer Breite von 1 cm und einer Höhe von 1 cm durchgeführt, und ein Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 248,25 nm bei einer maximalen Ausgangsleistung von 3 mW wurde in dem Temperaturbereich von ungefähr 300°C bis ungefähr 500°C festgestellt.

VERGLEICHSBEISPIEL 3

Zum Vergleich wurde ein BBO(BaB2O4)-Kristall mit einer Länge von 0,5 cm, einer Breite von 0,5 cm und einer Höhe von 0,5 cm hergestellt. Eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus dem Kristall, wurde zwischen einem Argonlaser und einem Prisma in dem Lichtweg eines Laserstrahls angeordnet, und ein Temperaturregler, der einen elektrischen Ofen umfaßt zum Halten der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen auf einer vorbestimmten Temperatur, wurde in der Nähe der Vorrichtung in einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 3 angeordnet. Die Temperatur der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus dem BBO-Kristall, wurde schrittweise in einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 3 angehoben. Von dem Argonlaser wurde ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle mit einer Wellenlänge von 496,5 nm bei 10 W zu der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus BBO, ausgesandt. Es wurde Ausgangslicht mit einer Wellenlänge von 248,25 nm, das von dem Prisma gebrochen wurde, beobachtet.

Bei der Verwendung der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen bestehend aus dem BBO-Kristall, bei welcher der Winkel des Kristalls gedreht wurde anstatt die Temperatur zu verändern, da der Kristall von der Art der kritischen Phasenanpassung ist, wurde Licht mit einer Wellenlänge von 248,25 nm bei maximal 2 mW festgestellt. In der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, bestehend aus dem BBO-Kristall, betrug der Strahlabwanderungswinkel 4,6°, wobei die Winkelbandbreite 0,25 mrad.cm war. Da bei dem BBO-Kristall eine Strahlabwanderung stattfindet, hängt die Wellenlängenumwandlung nicht von der nicht kritischen Phasenanpassung ab.

BEISPIEL 4

In einem in Abb. 5 gezeigten Argonlaser wurden eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10, bestehend aus einem Lithiumtetraborat-Einkristall mit einer Länge von 5 cm, einer Breite von 1 cm und einer Höhe von 1 cm, und ein Temperaturregler 23, der einen elektrischen Ofen umfaßte, angeordnet D. h. die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 wurde in dem Lichtweg einer Plasmaröhre 16 so positioniert, daß ein Winkel von 90° zwischen der Richtung des auftreffenden Lichts und der C-Achse des Lithiumtetraborat- Einkristalls gebildet wurde. In einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 3 wurde die (110)-Ebene des Lithiumtetraborat-Einkristalls als eine Auftreffebene für einen Laserstrahl eingestellt. Die Bezugszahl 17 stellt einen Totalreflexionsspiegel dar, die Bezugszahl 18 stellt einen Auskoppelspiegel dar, der ein Halbspiegel ist, und die Bezugszahl 19 stellt eine Öffnung dar.

Basierend auf den Ergebnissen des Beispiels 3 wurde, während die Temperatur der Vorrichtung 10 von dem Temperaturregler 23 in dem Bereich von 300°C bis 500°C gehalten wurde, ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 496,5 nm von der Plasmaröhre 16 in den Innenresonator eines Argonlasers ausgesandt. Licht mit einer Wellenlänge von 248,25 nm wurde von dem Auskoppelspiegel 18 aufgrund der Wellenlängenumwandlung durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen 10 erzeugt. Das Licht mit 248,25 nm hatte eine Ausgangsleistung von 100 mW. Nachdem der Vorgang kontinuierlich über 10 Stunden durchgeführt worden war, war der Kristall nicht beschädigt, und die Ausgangsleistung war stabil.

VERGLEICHSBEISPIEL 4

Unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 4 wurde ein BBO-(BaB2O4)-Kristall mit einer Länge von 0,5 cm, einer Breite von 1 cm und einer Höhe von 1 cm in einem Argonlaser angeordnet, und ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 496,5 nm wurde von einer Plasmaröhre in einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 4 erzeugt. Licht mit einer Wellenlänge von 248,25 nm wurde von einem Auskoppelspiegel aufgrund der Wellenlängenumwandlung durch den BBO-Kristall ausgesandt. Obwohl das Licht mit 248,25 nm eine Ausgangsleistung von maximal 100 mW aufwies, zeigte sich eine geringere Zeitstabilität, und, nachdem der Vorgang kontinuierlich über eine Stunde durchgeführt worden war, war der Kristall beschädigt, und somit wies der BBO-Kristall eine niedrige Haltbarkeit gegenüber Laserlicht auf.

Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen bestehend aus Einkristall-Lithiumtetraborat, welche geeignet ist für eine Wellenlängenumwandlung durch nicht-kritische Phasenanpassung, ein Laserstrahl mit kontinuierlicher Welle mit einer Wellenlänge von 244 nm oder 248,25 nm stabil erzeugt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen mit Einkristall-Lithiumtetraborat, wobei das Einkristall-Lithiumtetraborat so geschnitten ist, daß die Ausstrahlrichtung des Lichtes in die Richtung eingestellt wird, die dem Verhältnis θm = 90° ± 2° genügt, wobei θm ein Winkel zwischen der Ausstrahlrichtung des Lichtes und der C-Achse ist.
  2. 2. Laservorrichtung mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, um die Wellenlänge eines darauf auftreffenden Laserstrahls umzuwandeln, wobei die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen Einkristall-Lithiumtetraborat aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der Ausrichtung der Kristallachse des Einkristall-Lithiumtetraborats und der Richtung des auftreffenden Laserstrahls so bestimmt wird, daß keine Strahlabwanderung in den durch die Umwandlungsvorrichtung laufenden Laserstrahl stattfindet.
  3. 3. Laservorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Einkristall-Lithiumtetraborat so geschnitten ist, daß die Ausstrahlrichtung in die Richtung eingestellt wird, die dem Verhältnis θm = 90° ± 2° genügt, wobei θm ein Winkel zwischen der Ausstrahlrichtung und der C-Achse ist.
  4. 4. Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 und 3, welche ferner einen Temperaturregler aufweist, um die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches zu halten.
  5. 5. Verfahren zur Umwandlung einer Wellenlänge eines Laserstrahls, der auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen mit Einkristall-Lithiumtetraborat auftrifft, mit den Schritten:

    Bestimmung des Verhältnisses zwischen der Ausrichtung der Kristallachse des Einkristall- Lithiumtetraborats und der Auftreffrichtung des Laserstrahls, so daß keine Strahlabwanderung in dem durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen laufenden Laserstrahl stattfindet;

    Halten der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen in einem Temperaturbereich von 13,5 ± 10°C; und

    Führen eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 488 nm durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, um einen Laserstahl mit einer Wellenlänge von 244 nm auszusenden.
  6. 6. Verfahren zur Umwandlung einer Wellenlänge eines Laserstrahls, der auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen mit Einkristall-Lithiumtetraborat auftrifft mit den Schritten:

    Bestimmung des Verhältnisses zwischen der Ausrichtung der Kristallachse des Einkristall- Lithiumtetraborats und der Auftreffrichtung des Laserstrahls, so daß keine Strahlabwanderung in dem durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen laufenden Laserstrahl stattfindet;

    Haken der Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen in einem Temperaturbereich von 300°C bis 500°C; und

    Führen eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 496,5 nm durch die Vorrichtung zur Umwandlung von Wellenlängen, um einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 248,25 nm auszusenden.
  7. 7. Verfahren zur Umwandlung einer Wellenlänge gemäß einem der Ansprüche 5 und 6, wobei das Einkristall-Lithiumtetraborat so geschnitten ist, daß die Ausstrahlrichtung in die Richtung eingestellt wird, die dem Verhältnis θm = 90° ± 2° genügt, wobei θm ein Winkel zwischen der Ausstrahlrichtung und der C-Achse ist.






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