Coupled optical resonators

Gekoppelte optische resonatoren

Resonateurs optiques couples

Abstract

L'invention concerne un ensemble et un procédé pour augmenter la puissance de la lumière laser par résonance. L'avantage de cette invention réside dans le fait qu'aucune boucle de rétroaction active à composants mécaniques ou optoélectroniques n'est nécessaire, puisqu'il s'agit de résonateurs couplés à ajustement automatique. A cet effet, la longueur optique ainsi que l'intervalle spectral libre des deux résonateurs couplés sont adaptés aux qualités respectives des résonateurs, de sorte que ces derniers possèdent, en toute circonstance, des fréquences de résonance communes. Par conséquent, le résonateur de pompage, dans lequel se trouve un milieu laser amplificateur (1), doit présenter une longueur optique supérieure à celle du résonateur d'augmentation de puissance, dans lequel des effets non linéaires (7) sont normalement utilisés, la différence entre les longueurs étant égale à la finesse F du résonateur d'augmentation de puissance. Avantageusement, une fibre optique (6) peut être utilisée, mais un ensemble classique (partie (b) de la figure) peut suffire si le résonateur d'augmentation de puissance est très compact. De manière appropriée, les deux résonateurs sont conçus sous forme de résonateurs annulaires, présentant une partie de chemin optique commune, la rétroaction parasite étant ensuite minimisée. De plus, un élément à sélectivité directionnelle (2) est avantageux, puisque le rayonnement circule principalement dans une direction, ce qui est particulièrement intéressant lors de la conversion de fréquence. Une diode optique (partie (a) de la figure) ou bien un miroir ou une grille auxiliaire peuvent être utilisés comme élément à sélectivité directionnelle au niveau d'un des miroirs de déviation semi-transparents (partie (b) de la figure). Une adaptation d'impédance des résonateurs améliore le couplage mutuel et réduit les pertes. Ledit ensemble convient particulièrement aux lasers et amplificateurs à semiconducteurs à géométrie trapézoïdale et large bande (partie (a) et (b) de la figure). Cet ensemble s'utilise avantageusement dans divers processus non linéaires (doublage de fréquence, multiplication de fréquence, mélange de fréquences, amplification paramétrique optique, oscillation paramétrique optique, effets Raman pour la conversion de fréquence, diffusion de Brillouin pour la conversion de fréquence ou la conjugaison de phase, l'absorption non linéaire pour la limitation de puissance optique ou le couplage de modes, etc.), car plus la puissance lumineuse est élevée, plus les processus non linéaires se déroulent bien, et, dans bien des cas, le laser (à semiconducteurs) ne peut pas fournir les puissances nécessaires.
Es wird eine Anordnung und ein Verfahren vorgestellt, mit denen sich jeweils Laserlicht resonant in seiner Leistung überhöhen lässt. Vorteilhaft daran ist, dass keine aktiven Rückkopplungsschleifen mit mechanischen oder opto-elektronischen Komponenten notwendig sind, sondern es sich um selbstadjustierende gekoppelte Resonatoren handelt. Dies geschieht dadurch, dass die beiden gekoppelten Resonatoren in ihren optischen Längen, also auch in ihren freien Spektralbereichen, an die jeweiligen Resonatorgüten angepasst sind, um unter allen Umständen gemeinsame Resonanzfrequenzen zu besitzen. Deshalb muss der pumpende Resonator, in dem sich ein verstärkendes Lasermedium (1) befindet, um die Finesse F des überhöhenden Resonators, in dem typischer weise nichtlineare Effekte (7) ausgenutzt werden, optisch länger sein als die Länge des überhöhenden Resonators. Dazu kann vorteilhaft eine Lichtleitfaser (6) benutzt werden. Oder es kann auch eine herkömmliche Anordnung gemäss Abbildungsteil (b) ausreichen, wenn der überhöhende Resonator sehr kompakt ist. Es ist zweckmässig, gemäss der Abbildung beide Resonatoren als Ringresonatoren auszuführen, die ein Stück optischen Weg gemeinsam haben, da dann parasitäre Rückkopplung minimiert ist. Ausserdem ist ein richtungsselektives Element (2) vorteilhaft, da dann die Strahlung vorwiegend in einer Richtung umläuft. Dies ist insbesondere bei Frequenzkonversion günstig. Als richtungsselektives Element kann eine optische Diode (Bildteil (a)) oder ein Hilfsspiegel bzw. -gitter an einem der teildurchlässigen Umlenkspiegel (Bildteil (b)) eingesetzt werden. Eine Impedanzanpassung der Resonatoren verbessert die gegenseitige Ankopplung und reduziert Verluste. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für Halbleiterlaser und Halbleiterverstärker in Breitstreifen- oder Trapezgeometrie (Abb. Teil (a) bzw. (b)). Sie ist vorteilhaft bei diversen nichtlinearen Prozessen (Frequenzverdopplung, Frequenzvervielfachung, Frequenzmischung, optisch parametrischer Verstärkung, optisch parametrischer Oszillation, Raman-Effekte zur Frequenzkonversion, Brillouin-Streuung zur Frequenzkonversion oder Phasenkonjugation, nichtlineare Absorption zur optischen Leistungsbegrenzung oder Moden-Kopplung, etc.) einzusetzen, da nichtlineare Prozesse umso besser funktionieren, je höher die Lichtleistung ist, aber vielfach die benötigten Leistungen durch den (Halbleiter-)Laser nicht zur Verfügung gestellt werden können.
The invention relates to an assembly and a method, whereby the power of the laser light may be resonantly enhanced. Advantageously, active feedback loops with mechanical or optoelectronic components are unnecessary, since said coupled resonators are self-adjusting resonators. To this end, the optical lengths and the free spectral ranges of both coupled resonators are matched to the corresponding resonator qualities, so that said resonators have common resonance frequencies under all circumstances. Therefore, the pumping resonator, which contains an amplifying laser material (1), should be optically longer than the power enhancement resonator by the finesse factor F of the power enhancement resonator, in which normally nonlinear effects (7) are used. Advantageously, an optical fibre (6) can be used, but a conventional assembly (fig. part (b)) may be sufficient, if the power enhancement resonator is very compact. Appropriately, both resonators are embodied as ring resonators, having a partial optical path in common, parasitic feedback being then minimised. A direction-selective element (2) is also advantageous, since the radiation circulates mainly in one direction, which is particularly favourable for frequency conversion. An optical diode (fig. part (a)) or an auxiliary mirror or grid at one of the semireflecting deviation mirrors (fig. part (b)) may be used as a direction-selective element. The impedance matching of the resonators improves the mutual coupling and reduces losses. Said assembly is particularly suitable for semiconductor lasers and semiconductor amplifiers with a broadband or trapezoidal geometry (fig. part (a) or (b)). Said assembly is advantageously used in various nonlinear processes (frequency doubling, frequency multiplication, frequency mixture, optical parametric amplification, optical parametric oscillation, Raman effects for frequency conversion, Brillouin scattering for frequency conversion or phase conjugation, nonlinear absorption for optical power limitation or mode coupling, etc.), since the higher the light power is, the better nonlinear processes operate, and often the (semiconductor) laser can not produce the required power.

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Description

Topics

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