WO2012150154A1 - Verfahren zum erzeugen von laserpulsen durch cavity dumping - Google Patents

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Christian Stolzenburg
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Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a method for generating laser pulses by cavity dumping by means of a laser resonator.
  • laser pulses with short pulse durations are required.
  • Such short laser pulses can be generated in a laser resonator, for example by means of cavity dumping.
  • Pulserzeugung here is the
  • Decoupling degree A of the resonator is modulated by means of a Q-switching, typically between a first operating state B1 with 0% coupling-out degree A and a second operating state B2 with 100% coupling-out degree A, as shown by way of example in FIG. 3a.
  • Such a modulation of the Auskoppelgrads can be realized with a retarder plate and an electro-optical modulator in conjunction with a polarizer.
  • Such an electro-optical modulator has, for example, a
  • Pockels cell of a typical birefringent material to which a high voltage is applied to one with the amplitude of the applied
  • Pockelszelle complicated in construction and expensive. Furthermore, the high power consumption has a negative effect on the service life of the high-voltage switches of the Pockels cell or of the control device (HV power supply unit) associated therewith. Also, different pulse durations can be optimal for different processing strategies; for example, when removing thin ones
  • No. 7,760,772 B2 describes a laser with cavity dumping, in which a ⁇ / 4 plate in combination with a Pockels cell is used as a retardation plate. If no voltage is present at the Pockels cell, the resonator is in an operating state in which the degree of decoupling at the polarizer is 100%. For cavity dumping, the Pockels cell is switched from a voltage of 0 V to a quarter-wave voltage, i. to a voltage which causes a phase delay of the Pockels cell of ⁇ / 4. The entire phase delay in one revolution of the laser pulse in the resonator lies in this
  • DE 10 2006 041 484 A1 describes a Q-switched laser resonator, in which the coupling-out degree and thus the resonator quality should be adapted to the requirements of the resonator by adapting the delay plate.
  • the decoupling factor is hereby varied between 100% (sum of the phase delay of the Pockels cell and the retardation plate) and a decoupling degree, which is determined solely by the retardation phase of the retardation plate and in the embodiment described there, in which a ⁇ / 8 plate is used, at 50%.
  • a method for generating laser pulses by cavity dumping by means of a laser resonator comprising: an electro-optical modulator for generating a variable phase delay in the laser resonator, a delay unit, in particular a retardation plate, to generate a fixed
  • the modulator according to the invention generates in a first Operating state for establishing a laser pulse one of the fixed phase delay of the delay unit opposing phase delay to a
  • Delay unit at least partially or largely compensated.
  • Delay unit for generating a fixed phase delay is typically a retarder plate.
  • a phase-shifting mirrors in the laser resonator i. one or more mirrors provided with a phase-shifting coating.
  • a phase delay is understood to mean a signed phase shift, i. a quantity characterized by an amount as well as a sign.
  • Delay unit in a resonator circuit has an amount of less than Kl 2, in particular of 1/3 ⁇ or less. If the delay unit (plate or mirror) is passed through twice for a linear resonator, this should have an amount of phase delay of less than ⁇ / 4 (or ⁇ / 6 or less). For a ring resonator in which the delay unit is passed only once, the amount of phase delay should be less than K / 2 (or 1/3 ⁇ ). The amount of phase delay of the
  • Delay unit is in the case of a retardation plate by the thickness of Delay plate set, which typically consists of a birefringent material (crystal).
  • a small delay in the delay unit is advantageous in order to reduce the required voltage compared with conventional cavity dumping, since the phase delay of the delay unit and the phase delay of the modulator should be substantially equal in magnitude in order to achieve a low outcoupling level (close to 0%) , It is understood that the phase delay of the retarder plate may not be too small, otherwise to produce a sufficiently large
  • Auskoppelgrades in the second operating state if necessary, a large phase shift or a high voltage is required or no sufficient modulation of Auskoppelgrades is achieved in order to achieve a stable pulse operation.
  • the phase shift of the delay unit should not fall below a limit dependent on the gain per revolution.
  • the phase shift of the delay unit in a linear resonator should be not less than ⁇ / 24.
  • a phase delay of the Pockels cell with a different sign to the delay unit can e.g. be achieved by a negative
  • Delay unit in the form of a retardation plate and the orientation or the orientation of the main axis of the retardation plate to the polarization direction of the laser beam are made such that the phase delay has a opposite sign compared to conventional cavity dumping.
  • the phase delay or the sign of the phase delay can be determined by a suitable choice of the
  • phase-shifting coating are set.
  • the phase shift of the modulator is selected such that the coupling-out rate at the polarizer is not more than 80%, preferably not more than 60%, in particular not more than 50%. at less than 100% output, a laser pulse is not extracted during a single resonator cycle; Rather, several resonator circuits are required, so that the pulse duration increases compared to conventional cavity dumping.
  • the phase delay of the modulator is selected in the first operating state such that the coupling-out rate at the polarizer is less than 10%, preferably less than 5%, in particular less than 1%.
  • the coupling-out rate at the polarizer is less than 10%, preferably less than 5%, in particular less than 1%.
  • Pulse shaping can be exploited.
  • the phase delay of the modulator is in the first one
  • the first operating state is the
  • the electro-optical modulator comprises a Pockels cell and a control device of the electro-optical modulator controls the
  • Pockels cell with two different voltage levels to produce the variable phase shift.
  • the use of a Pockels cell is advantageous for generating short pulses, since the switching times in the control of the Pockels cell are extremely low.
  • the electro-optical modulator can also be operated with a Kerr cell.
  • Voltage values are assigned to one of the operating states.
  • the control device For switching the modulator between the two operating states, the control device is used.
  • the coupling-out degree is higher for the same switching voltage than for the use of a ⁇ / 4 plate as a retardation plate (in the linear resonator).
  • the control device may in this case comprise a voltage source, which is switchable between the two different voltage values.
  • the first voltage value may be a negative voltage and the second voltage value may be a positive voltage, or vice versa. It is also possible to switch between a voltage of 0 V and a positive or negative voltage relative to ground.
  • the control device may in this case in particular comprise one or more software or hardware components in order to carry out the control of the Pockeiszelle. When using software components, these are programmed to switch the operating states of the Pockels cell between the two specified voltages. When using hardware components, these are designed or dimensioned so that between the desired operating conditions or
  • Voltage values can be switched. Typically, that is
  • the laser resonator may have a particular disk-shaped amplifier medium.
  • the amplifier medium may be, for example, a
  • solid-state amplifier media eg, rod-shaped amplifier media.
  • a gas contained in the laser resonator eg, C0 2 ) as
  • the method for generating laser pulses by cavity dumping by means of a laser resonator of the type described above comprises:
  • Phase delay of the modulator is selected so that the Auskoppelgrad is less than 10%, preferably less than 5%, in particular less than 1%, in the second operating state in which the phase delay of
  • the Modulator is chosen so that the Auskoppelgrad greater than in the first Operating state and is not more than 80%, preferably not more than 60%, in particular not more than 50%.
  • the laser pulse is coupled out of the resonator.
  • the laser pulse can in this case be coupled out after the switching operation in several Resonatorumuiten, the duration of the second operating state is usually selected so that before a new switching, which ends the second operating state, the laser pulse is typically completely decoupled.
  • phase delay of the modulator in the first operating state can be selected such that the phase delay of the
  • the coupling-out ratio in the first operating state is 0%.
  • the delay unit between the phase delay of the modulator and a ⁇ / 4-plate (in double-pass) already shows a positive effect.
  • a phase delay of the delay unit that is less than the phase delay of the modulator may also be of interest.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a laser resonator with a ⁇ / 8 retardation plate, a schematic representation of a laser resonator with a ⁇ / 12-retardation plate, and Figs. 3a, b representations of the time-dependent coupling-out degree during
  • a laser resonator 1 which has two highly reflective end mirrors 2a, 2b and two folding mirrors 3a, 3b.
  • a disc-shaped amplifier medium 4 in the present example, a Yb: YAG crystal attached, which in the operation of the laser resonator 1 by the
  • the laser radiation 9 generated in the laser resonator 1 is linear (s) polarized.
  • the laser resonator 1 further comprises an electro-optical modulator 5, which comprises a Pockelszelie 6 and a control device 7, and a
  • Delay unit in the form of a retardation plate 8, the thickness of which is chosen such that it causes a delay with an amount of ⁇ / 8 for the laser radiation 9 generated in the laser resonator 1.
  • a thin-film polarizer 10 for decoupling laser pulses PL is further arranged.
  • the laser resonator 1 shown in Fig. 1 is operated in two operating conditions B1, B2, for which the Auskoppelgrad is shown on the polarizer 10 in Fig. 3b.
  • a (positive) eighth-wave voltage is applied to the Pockelszelie 6 by means of the control device 7, i. a voltage which causes a phase delay P1 of the laser radiation 9 of + ⁇ / 8.
  • Delay epitome 8 generates an opposite phase delay P2 of - ⁇ / 8, so that the sum of the phase delays P1 + P2 of the retardation plate 8 and the Pockelszelie 6 in the first operating state B1 is zero. Therefore, the s-polarized laser radiation 9 generated in the laser resonator 1 is not changed in its polarization state and s-polarized incident on the polarizer 10. Since the Thin-film polarizer 10 s-polarized laser radiation almost completely reflected, the laser radiation 9 is almost completely deflected to the first end mirror 2a. The Laserstrahiung 9 thus remains in the first operating state B1 in the laser resonator 1, so that the Auskoppelgrad A of the laser resonator 1 is almost 0%.
  • the determination of the sign of the phase delay P1 is based on a convention in which a positive / negative applied to the Pockels cell 6
  • phase delay P1 causes a phase delay P1 with a positive / negative sign.
  • the sign of the phase delay P2 of the retardation plate 8, which is a birefringent crystal, is effected by adjustment of the major axis of the crystal, which is either below -45 ° or below + 45 ° to the direction of polarization produced in the laser cavity 1
  • Laser radiation 9 is aligned.
  • the alignment of the retardation plate 8 defines only the sign of the phase retardation P2
  • the amount of the maximum retardation P2 is determined by the thickness of the retardation plate 8, which in the present case is chosen such that the phase retardation P2 has an amount of ⁇ / 8
  • a phase delay P1 of zero is generated at the modulator 5, i. at the Pockels cell 6 there is no voltage difference.
  • Polarization direction (E-vector) of the linearly polarized laser radiation 9 has two equal proportions in the s-direction and in the p-direction.
  • a proportion of 50% of the laser radiation 9 is decoupled from the polarizer 10, that is to say the decoupling factor A is 0.5 (see FIG. 3b).
  • the Auskoppeigrad A sin 2 (180 ° ⁇ ⁇ 2 / ⁇ ).
  • the laser resonator 1 shown in Fig. 2 differs from the laser resonator 1 shown in Fig. 1 only by the different arrangement of the Pockels cell 6 and the retardation plate 8 'in the laser resonator 1, which on the Uncoupling of laser pulses PL has no effect, and in that the delay plate 8 'causes a phase delay P2 of + ⁇ / 12, the controller 7 is designed or programmed, in the first operating state B1, a phase delay P2 of - ⁇ / 12 and second operating state B2 to produce a phase delay P2 of + ⁇ / 12. This will be the first
  • Operational state B1 applied a negative ⁇ / 12-wave voltage to the Pockels cell 6, while in the second operating state B2, a positive ⁇ / 12-wave voltage is applied to the Pockels cell 7.
  • the decoupling factor A is 0%, as in the example described in FIG. 1, since the sum of the phase delays P1, P2 of the modulator 5 and the
  • Delay plate 8 just compensate for a phase delay of zero.
  • the sum of the phase delays at ⁇ / 6 is one-pass, i. the Auskoppelgrad A is in this case at 3/4 or 75%.
  • the phase delays P1, P2 of the modulator 5 and the retardation plate 8, 8 'do not necessarily compensate, i. the Auskoppelgrad A may be greater than 0% in the first operating state B1 and depending on the application, for. less than 1%, 5% or 10%, which has proved beneficial for certain applications.
  • Decoupling greater than zero in the first operating state B1 causes that already during the construction of the laser pulse power is coupled out of the laser resonator 1, which can be used for example for pulse shaping.
  • the coupling ratio of 50% and 75% respectively used in the second operating state B2 in the present examples results in that a single laser pulse is not coupled out during a single resonator cycle, but that several resonator cycles are required for this purpose, whereby the pulse duration elevated.
  • the Auskoppelgrad A in the second operating condition B2 at not more than 80% lies.
  • the retarder plate should produce an amount of phase delay of about ⁇ / 6. It has proved to be advantageous when delay plates are used in the laser resonator 1, which does not have an amount of the phase delay of 1/3 ⁇ in a resonator circulation
  • the decoupling degree A can additionally be adjusted by the division of the time duration of the switching edges during the transition between the first and second operating state B1, B2 in order to influence the pulse duration.
  • the phase retardation can be adjusted if the decoupling degree is to be reduced.
  • Pockels cell 6 leads, especially with regard to temperature fluctuations in the resonator.
  • retardation plates 8, 8 ' are used, the thickness of which, when oriented at + / - 45 ° with respect to the direction of polarization, produce the specified phase delay P2, which results in a small amount
  • Adjustment sensitivity of the retardation plate 8, 8 'and the Pockels cell 6 is achieved. Even if in the laser resonator 1, the phase delays P1, P2 of the modulator 5 and the retardation plate 8, 8 'not fully compensate, so that in the first operating state B1, the decoupling A is greater than 0% or the orientation of the retarder plate is set, that a Auscooppelgrad of 0%, this is more favorable than if it is attempted by an orientation of the major axis of a h / 4 plate 8, 8 ', by an orientation of + / - 45 ° to
  • Polarization components in the birefringent medium and thus produce a separation of the polarization components.
  • a Kerr cell can be used in the electro-optical modulator 5.
  • gaseous amplifier media eg C0 2 gas
  • a delay unit for generating a fixed phase delay P2 in the laser resonator 1 instead of a retardation plate 8, 8 ' e.g.
  • At least one phase-shifting mirror can be used.
  • phase-shifting coating are provided.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen (PL) durch Cavity Dumping mittels eines Laser-Resonators (1), der Laser-Resonator (1) umfassend: einen elektro - optischen Modulator (5) zur Erzeugung einer variablen Phasenverzögerung (P1) in dem Laser-Resonator (1), eine Verzögerungseinheit, insbesondere eine Verzögerungsplatte (8), zur Erzeugung einer festen Phasenverzögerung (P2) in dem Laser-Resonator (1) sowie einen Polarisator (10) zur Auskopplung von Laserpulsen (PL) aus dem Laser-Resonator (1). Bei dem Verfahren erzeugt in einem ersten Betriebszustand zum Aufbau eines Laserpulses (PL) der Modulator (5) eine der festen Phasenverzögerung (P1) der Verzögerungseinheit entgegen gerichtete Phasenverzögerung (P2), um einen Auskoppelgrad (A) am Polarisator (10) gegenüber einem zweiten Betriebszustand zur Auskopplung eines Laserpulses (PL) zu verringern. Die feste Phasenverzögerung (P2) der Verzögerungseinheit weist bei einem Resonator-Umlauf bevorzugt einen Betrag von weniger als lambda/2, insbesondere von lambda/3 oder weniger auf.

Description

Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen durch Cavity Dumping
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen durch Cavity Dumping mittels eines Laser-Resonators.
Für die Materialbearbeitung werden Laserpulse mit kurzen Pulsdauern benötigt. Solche kurzen Laserpulse können in einem Laser-Resonator beispielsweise mit Hilfe von Cavity Dumping erzeugt werden. Bei der Pulserzeugung wird hierbei der
Auskoppelgrad A des Resonators mittels einer Güteschaltung moduliert, und zwar typischer Weise zwischen einem ersten Betriebszustand B1 mit 0 % Auskoppelgrad A und einem zweiten Betriebszustand B2 mit 100 % Auskoppelgrad A, wie dies beispielhaft in Fig. 3a dargestellt ist.
Eine solche Modulation des Auskoppelgrads kann mit einer Verzögerungsplatte und einem elektro-optischen Modulator in Verbindung mit einem Polarisator realisiert werden. Ein solcher elektro-optischer Modulator weist beispielsweise eine
Pockelszelle aus einem typischer Weise doppelbrechenden Material auf, an die eine Hochspannung angelegt wird, um eine mit der Amplitude der angelegten
Hochspannung zunehmende Phasenverzögerung zu erzeugen. Eine solche
Ansteuerung hat zur Folge, dass zur Erzeugung einer großen Phasenverzögerung eine hohe Spannung angelegt werden muss, was den Modulator bzw. die
Pockelszelle kompliziert im Aufbau und teuer macht. Des Weiteren wirkt sich die hohe Leistungsaufnahme negativ auf die Lebensdauer der Hochspannungsschalter der Pockelszelle bzw. der dieser zugeordneten Steuereinrichtung (HV-Netzteil) aus. Auch können für unterschiedliche Bearbeitungsstrategien unterschiedlich lange Pulsdauern optimal sein; so sind beispielsweise beim Abtragen von dünnen
Schichten wenige 10 ns Pulsdauer, zum Bohren einige 100 ns bis wenige s vorteilhaft. n der US 7,760,772 B2 ist ein Laser mit Cavity Dumping beschrieben, bei dem als Verzögerungsplatte eine λ/4-Platte in Kombination mit einer Pockelszelle verwendet wird. Liegt an der Pockelszelle keine Spannung an, befindet sich der Resonator in einem Betriebszustand, bei dem der Auskopplungsgrad am Polarisator 100 % beträgt. Für das Cavity Dumping wird die Pockelszelle von einer Spannung von 0 V auf eine Viertelwellen-Spannung umgeschaltet, d.h. auf eine Spannung, die eine Phasenverzögerung der Pockelszelle von λ/4 bewirkt. Die gesamte Phasenverzögerung bei einem Umlauf des Laserpuises im Resonator liegt in diesem
Betriebszustand bei λ und der Auskoppelgrad des Resonators somit (im Idealfall) bei 0 %. Um die Pulsdauer der Laserpulse einzustellen wird in der US 7,760,772 B2 vorgeschlagen, die Dauer der Schaltflanke beim Umschalten der Pockelszelle zwischen dem Betriebszustand mit der Viertelwellen-Spannung in den
Betriebszustand mit kurzgeschlossener Pockelszelle geeignet zu verändern bzw. anzupassen.
Die DE 10 2006 041 484 A1 beschreibt einen gütegeschalteten Laser-Resonator, bei dem der Auskoppelgrad und somit die Resonatorgüte durch die Anpassung der Verzögerungsplatte an die Erfordernisse des Resonators angepasst werden soll. Der Auskoppelgrad wird hierbei zwischen 100 % (Summe aus der Phasenverzögerung der Pockelszelle und der Verzögerungsplatte) und einem Auskoppelgrad variiert, der allein durch die Phasen Verzögerung der Verzögerungsplatte bestimmt wird und im dort beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem eine λ/8-Platte verwendet wird, bei 50 % liegt. In der DE 10 2006 041 484 A1 wird somit zwar ein gütegeschalteter Laser verwendet, aber kein Cavity Dumping im eigentlichen Sinne durchgeführt, bei dem zum Aufbau eines Laserpulses ein Betriebszustand verwendet wird, in dem der Auskoppelgrad sehr gering ist (nahe bei 0 %).
Aufgabe der Erfindung Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen durch Cavity Dumping mittels eines Laser-Resonators zu verbessern und insbesondere die Lebensdauer eines in dem Laser-Resonator verwendeten Modulators zu erhöhen. Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen durch Cavity Dumping mittels eines Laser-Resonators, der Laser- Resonator umfassend: einen elektro-optischen Modulator zur Erzeugung einer variablen Phasenverzögerung in dem Laser-Resonator, eine Verzögerungseinheit, insbesondere eine Verzögerungsplatte, zur Erzeugung einer festen
Phasenverzögerung in dem Laser-Resonator, sowie einen Polarisator zur
Auskopplung von Laserpulsen aus dem Laser-Resonator. Bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt der Modulator in einem ersten Betriebszustand zum Aufbau eines Laserpulses eine der festen Phasenverzögerung der Verzögerungseinheit entgegen gerichtete Phasenverzögerung, um einen
Auskoppelgrad am Polarisator gegenüber einem zweiten Betriebszustand zur Auskopplung eines Laserpulses zu verringern.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, in dem ersten Betriebszustand, in dem der Pulsaufbau im Resonator erfolgt, mit dem Modulator eine der festen
Phasenverzögerung der Verzögerungseinheit entgegen gerichtete
Phasenverzögerung einzustellen, welche die Phasenverzögerung der
Verzögerungseinheit zumindest teilweise bzw. größtenteils kompensiert. Als
Verzögerungseinheit zur Erzeugung einer festen Phasenverzögerung dient typischer Weise eine Verzögerungsplatte. Es ist aber auch möglich, als Verzögerungseinheit einen oder mehrere phasenschiebende Spiegel in dem Laser-Resonator vorzusehen, d.h. einen oder mehrere Spiegel, die mit einer phasenschiebenden Beschichtung versehen sind. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einer Phasenverzögerung eine Vorzeichen behaftete Phasenverschiebung verstanden, d.h. eine Größe, die durch einen Betrag sowie durch ein Vorzeichen charakterisiert wird.
Im Gegensatz zum herkömmlichen Cavity Dumping, bei dem (im linearen Resonator) eine Viertelwellen-Spannung an die Pockelszelle angelegt werden muss, um einen Auskoppelgrad nahe 0 % zu erhalten, kann beim erfindungsgemäßen Cavity
Dumping eine geringere Phasenverschiebung bzw. Phasenverzögerung und damit eine niedrigere Spannung verwendet werden, um das Cavity Dumping
durchzuführen.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die feste Phasenverzögerung der
Verzögerungseinheit bei einem Resonator-Umlauf einen Betrag von weniger als Kl 2, insbesondere von 1 /3 λ oder weniger aufweist. Wird die Verzögerungseinheit (Platte bzw. Spiegel) bei einem linearen Resonator zwei Mal durchlaufen, sollte diese einen Betrag der Phasenverzögerung von weniger als λ/4 (bzw. von λ/6 oder weniger) aufweisen. Bei einem Ring-Resonator, bei dem die Verzögerungseinheit nur ein einziges Mal durchlaufen wird, sollte der Betrag der Phasenverzögerung bei weniger als K/2 (bzw. 1/3 λ) liegen. Der Betrag der Phasenverzögerung der
Verzögerungseinheit wird im Fall einer Verzögerungsplatte durch die Dicke der Verzögerungsplatte festgelegt, die typischer Weise aus einem doppelbrechenden Material (Kristall) besteht.
Eine betragsmäßig kleine Phasenverzögerung der Verzögerungseinheit ist günstig, um die erforderliche Spannung gegenüber dem herkömmlichen Cavity Dumping zu reduzieren, da zum Erreichen eines niedrigen Auskoppelgrades (nahe 0 %) die Phasenverzögerung der Verzögerungseinheit und die Phasenverzögerung des Modulators vom Betrag her im Wesentlichen gleich groß sein sollten. Es versteht sich, dass die Phasenverzögerung der Verzögerungsplatte auch nicht zu klein gewählt werden darf, da ansonsten zur Erzeugung eines ausreichend großen
Auskoppelgrades im zweiten Betriebszustand ggf. eine große Phasenverschiebung bzw. eine hohe Spannung erforderlich ist oder keine ausreichende Modulation des Auskoppelgrades erreicht wird, um einen stabilen Pulsbetrieb zu erreichen. Typischer Weise sollte die Phasenverschiebung der Verzögerungseinheit einen von der Verstärkung pro Umlauf abhängigen Grenzwert nicht unterschreiten.
Beispielsweise sollte bei einem Lasermedium mit 5-10 % Verstärkung pro Umlauf die Phasenverschiebung der Verzögerungseinheit bei einem linearen Resonator nicht weniger als λ/24 betragen.
Eine Phasenverzögerung der Pockelszelle mit einem zur Verzögerungseinheit unterschiedlichen Vorzeichen kann z.B. erreicht werden, indem eine negative
Spannung an die Pockelszelle angelegt wird. Alternativ kann im Fall einer
Verzögerungseinheit in Form einer Verzögerungsplatte auch die Orientierung bzw. die Ausrichtung der Hauptachse der Verzögerungsplatte zur Polarisationsrichtung des Laserstrahls derart erfolgen, dass die Phasenverzögerung ein im Vergleich zum herkömmlichen Cavity Dumping entgegen gesetztes Vorzeichen aufweist. Bei der Verwendung eines phasenschiebenden Spiegels kann die Phasenverzögerung bzw. das Vorzeichen der Phasenverzögerung durch eine geeignete Wahl der
phasenschiebenden Beschichtung festgelegt werden.
Bei einer Variante ist in dem zweiten Betriebszustand die Phasenverschiebung des Modulators so gewählt, dass der Auskoppelgrad am Polarisator bei nicht mehr als 80 %, bevorzugt bei nicht mehr als 60 %, insbesondere bei nicht mehr als 50 % liegt. Bei einem Auskoppeigrad von weniger als 100 % wird ein Laserpuls nicht während eines einzigen Resonator-Umlaufs ausgekoppelt; es werden vielmehr mehrere Resonator- Umläufe benötigt, so dass die Pulsdauer sich gegenüber dem herkömmlichen Cavity Dumping erhöht.
In einer weiteren Variante ist im ersten Betriebszustand die Phasenverzögerung des Modulators so gewählt, dass der Auskoppelgrad am Polarisator bei weniger als 10 %, bevorzugt bei weniger als 5 %, insbesondere bei weniger als 1 % liegt. Bei einem von 0 % verschiedenen Auskoppelgrad im ersten Betriebszustand wird schon während des Pulsaufbaus Leistung aus dem Laser-Resonator ausgekoppelt, was zur
Pulsformung ausgenutzt werden kann.
Bei einer Variante ist die Phasenverzögerung des Modulators im ersten
Betriebszustand so gewählt, dass die Phasenverzögerung der Verzögerungseinheit gerade kompensiert wird. In diesem Fall liegt im ersten Betriebszustand der
Auskoppelgrad des Laser-Resonators (idealerweise) bei 0 %.
In einer weiteren Variante umfasst der elektro-optische Modulator eine Pockelszelle und eine Steuerungseinrichtung des elektro-optischen Modulators steuert die
Pockelszelle mit zwei unterschiedlichen Spannungswerten an, um die variable Phasenverschiebung zu erzeugen. Die Verwendung einer Pockelszelle ist zur Erzeugung kurzer Pulse vorteilhaft, da die Schaltzeiten bei der Ansteuerung der Pockelszelle äußerst gering sind. Alternativ kann der elektro-optische Modulator ggf. auch mit einer Kerr-Zelle betrieben werden. Jeder der zwei unterschiedlichen
Spannungswerte ist einem der Betriebszustände zugeordnet. Zum Umschalten des Modulators zwischen den beiden Betriebszuständen dient die Steuerungseinrichtung. Bei einer an die gewählte Phasenverzögerung angepassten Verzögerungseinheit ist der Auskoppelgrad bei gleicher Schaltspannung höher als bei der Verwendung einer λ/4-Platte als Verzögerungsplatte (im linearen Resonator). Somit können kürzere Laserpulse erzeugt bzw. die gleiche Pulsdauer kann mit einer geringeren
Schaltspannung erreicht werden. Bei Verwendung einer geringeren Schaltspannung ist die Belastung der Hochspannungskomponenten der Pockelszelle bzw. der Steuerungseinrichtung bzw. Steuerschaltung reduziert. Die Steuerungseinrichtung kann hierbei eine Spannungsquelle umfassen, welche zwischen den zwei unterschiedlichen Spannungswerten schaltbar ist. Beispielsweise kann es sich beim ersten Spannungswert um eine negative Spannung und beim zweiten Spannungswert um eine positive Spannung handeln, oder umgekehrt. Auch ein Umschalten zwischen einer Spannung von 0 V und einer gegenüber Masse positiven oder negativen Spannung ist möglich. Die Steuerungseinrichtung kann hierbei insbesondere eine oder mehrere Software- oder Hardware-Komponenten umfassen, um die Steuerung der Pockeiszelle vorzunehmen. Bei der Verwendung von Software-Komponenten sind diese programmiert, die Betriebszustände der Pockelszelle zwischen den beiden vorgegebenen Spannungen umzuschalten. Bei der Verwendung von Hardware-Komponenten sind diese so ausgebildet bzw. so dimensioniert, dass zwischen den gewünschten Betriebszuständen bzw.
Spannungswerten umgeschaltet werden kann. Typischer Weise ist die
Steuerungseinrichtung so ausgebildet, dass nur zwischen den für die jeweiligen Betriebszustände fest vorgegebenen Spannungen (und nicht zwischen anderen Spannungen) umgeschaltet werden kann, d.h. die Schaltung bzw. eine Schalteinheit der Steuerungseinrichtung schaltet nur zwischen diesen beiden vorgegebenen Spannungen hin und her. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Der Laser-Resonator kann ein insbesondere scheibenförmiges Verstärkermedium aufweisen. Bei dem Verstärkermedium kann es sich beispielsweise um einen
Yb:YAG-Kristall handeln, welcher auf einem Spiegel des Laser-Resonators
angebracht ist. Es versteht sich, dass auch andere Formen von Festkörper- Verstärkermedien verwendet werden können, z.B. stabförmige Verstärkermedien. Auch kann ein in dem Laser-Resonator enthaltenes Gas (z.B. C02) als
Verstärkermedium dienen.
Bei einer Variante umfasst das Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen durch Cavity Dumping mittels eines Laser-Resonators der oben beschriebenen Art:
Schalten des Modulators von dem ersten Betriebszustand, bei dem die
Phasenverzögerung des Modulators so gewählt wird, dass der Auskoppelgrad bei weniger als 10 %, bevorzugt bei weniger als 5 %, insbesondere bei weniger als 1 % liegt, in den zweiten Betriebszustand, bei dem die Phasenverzögerung des
Modulators so gewählt wird, dass der Auskoppelgrad größer als im ersten Betriebszustand ist und bei nicht mehr als 80 %, bevorzugt bei nicht mehr als 60 %, insbesondere bei nicht mehr als 50 % liegt. Durch das Schalten in den zweiten Betriebszustand wird der Laserpuls aus dem Resonator ausgekoppelt. Der Laserpuls kann hierbei nach dem Schaltvorgang in mehreren Resonatorumläufen ausgekoppelt werden, wobei die Dauer des zweiten Betriebszustands in der Regel so gewählt ist, dass vor einem erneuten Umschalten, welches den zweiten Betriebszustand beendet, der Laserpuls typischer Weise vollständig ausgekoppelt ist.
Auch bei dieser Variante kann die Phasenverzögerung des Modulators im ersten Betriebszustand so gewählt werden, dass die Phasenverzögerung der
Verzögerungseinheit gerade kompensiert wird. In diesem Fall liegt (theoretisch) der Auskoppelgrad im ersten Betriebszustand bei 0 %. Wie oben dargestellt wurde, kann es aber auch z.B. zur Pulsformung sinnvoll sein, einen von 0 % verschiedenen Auskoppelgrad im ersten Betriebszustand erreichen.
Eine Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen Cavity Dumping wird somit nicht nur erreicht, wenn die Phasenverzögerung der Verzögerungseinheit und des
Modulators vom Betrag exakt gleich groß sind. Eine Phasenverzögerung der
Verzögerungseinheit, die zwischen der Phasenverzögerung des Modulators und einer λ/4-Platte (im Doppeldurchgang) liegt, zeigt bereits einen positiven Effekt. Für einige Anwendungen kann auch eine Phasenverzögerung der Verzögerungseinheit, die kleiner ist als die Phasenverzögerung des Modulators von Interesse sein.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich- nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Laser-Resonators mit einer λ/8- Verzögerungsplatte, eine schematische Darstellung eines Laser-Resonators mit einer λ/12- Verzögerungsplatte, sowie Fign. 3a, b Darstellungen des zeitabhängigen Auskoppelgrades beim
herkömmlichen Cavity Dumping (Fig. 3a) sowie beim
erfindungsgemäßen Cavity Dumping (Fig. 3b).
Fig. 1 zeigt einen Laser-Resonator 1 , welcher zwei hoch reflektierende Endspiegel 2a, 2b sowie zwei Faltungsspiegel 3a, 3b aufweist. Am ersten Faltungsspiegel 3a ist eine scheibenförmiges Verstärkermedium 4, im vorliegenden Beispiel ein Yb:YAG- Kristall, angebracht, welcher im Betrieb des Laser-Resonators 1 durch die
Pumpstrahlung eines (nicht gezeigten) Pumplasers optisch angeregt wird und Laserstrahlung 9 bei einer Laserwellenlänge von λ = 1030 nm erzeugt. Die in dem Laser-Resonator 1 erzeugte Laserstrahlung 9 ist linear (s-)polarisiert.
Der Laser-Resonator 1 umfasst weiterhin einen elektro-optischen Modulator 5, der eine Pockelszelie 6 sowie eine Steuereinrichtung 7 umfasst, sowie eine
Verzögerungseinheit in Form einer Verzögerungsplatte 8, deren Dicke so gewählt ist, dass diese eine Verzögerung mit einem Betrag von λ/8 für die in dem Laser- Resonator 1 erzeugte Laserstrahlung 9 bewirkt. In dem Laser-Resonator 1 ist weiterhin ein Dünnschicht-Polarisator 10 zur Auskopplung von Laserpulsen PL angeordnet. Der in Fig. 1 gezeigte Laser-Resonator 1 wird in zwei Betriebszuständen B1 , B2 betrieben, für die der Auskoppelgrad am Polarisator 10 in Fig. 3b dargestellt ist. Im ersten Betriebszustand B1 wird an die Pockelszelie 6 mittels der Steuereinrichtung 7 eine (positive) Achtelwellen-Spannung angelegt, d.h. eine Spannung, die eine Phasenverzögerung P1 der Laserstrahlung 9 von + λ/8 bewirkt. Die
Verzögerungspiatie 8 erzeugt eine entgegen gerichtete Phasenverzögerung P2 von - λ/8, so dass die Summe der Phasenverzögerungen P1 + P2 der Verzögerungsplatte 8 und der Pockelszelie 6 im ersten Betriebszustand B1 bei Null liegt. Daher wird die in dem Laser-Resonator 1 erzeugte, s-polarisierte Laserstrahlung 9 nicht in ihrem Polarisationszustand verändert und trifft s-polarisiert auf den Polarisator 10. Da der Dünnschicht-Polarisator 10 s-polarisierte Laserstrahlung nahezu vollständig reflektiert, wird die Laserstrahlung 9 nahezu vollständig zum ersten Endspiegel 2a umgelenkt. Die Laserstrahiung 9 verbleibt somit im ersten Betriebszustand B1 im Laser-Resonator 1 , so dass der Auskoppelgrad A des Laser-Resonators 1 bei nahezu 0 % liegt.
Die Festlegung des Vorzeichens der Phasenverzögerung P1 beruht auf einer Konvention, bei der eine positive / negative an der Pockelszelle 6 angelegte
Spannung eine Phasen Verzögerung P1 mit einem positiven / negativen Vorzeichen bewirkt. Das Vorzeichen der Phasenverzögerung P2 der Verzögerungsplatte 8, bei der es sich um einen doppelbrechenden Kristall handelt, wird durch eine Einstellung der Hauptachse des Kristalls bewirkt, die entweder unter -45° oder unter + 45° zur Polarisationsrichtung der in dem Laser-Resonator 1 erzeugten Laserstrahlung 9 ausgerichtet ist. Die Ausrichtung der Verzögerungsplatte 8 legt jedoch nur das Vorzeichen der Phasenverzögerung P2 fest, wohingegen der Betrag der maximalen Phasenverzögerung P2 durch die Dicke der Verzögerungsplatte 8 bestimmt wird, welche im vorliegenden Fall so gewählt ist, dass die Phasenverzögerung P2 einen Betrag von λ/8 aufweist. Im zweiten Betriebszustand B2 wird an dem Modulator 5 eine Phasenverzögerung P1 von Null erzeugt, d.h. an der Pockelszelle 6 liegt keine Spannungsdifferenz an. Der doppelte Durchlauf der Laserstrahlung 9 durch die Verzögerungsplatte 8 führt in diesem Fall zu einer Phasenverzögerung P2 von 2 x λ/8 = λ/4, d.h. die
Polarisationsrichtung (E-Vektor) der linear polarisierten Laserstrahlung 9 weist zwei gleich große Anteile in s-Richtung und in p-Richtung auf. Dies führt dazu, dass an dem Polarisator 10 ein Anteil von 50 % der Laserstrahlung 9 ausgekoppelt wird, d.h. der Auskoppelgrad A liegt bei 0,5 (vgl. Fig. 3b). Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass kein linearer Zusammenhang zwischen dem Auskoppelgrad A und der Phasenverzögerung P2 besteht, vielmehr ist der Auskoppeigrad A = sin2(180° χ Ρ2 / λ).
Der in Fig. 2 dargestellte Laser-Resonator 1 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Laser-Resonator 1 lediglich durch die unterschiedliche Anordnung der Pockelszelle 6 und der Verzögerungsplatte 8' im Laser-Resonator 1 , die auf das Auskoppeln von Laserpulsen PL keine Auswirkung hat, sowie dadurch, dass die Verzögerungsplatte 8' eine Phasenverzögerung P2 von +Λ/12 bewirkt, wobei die Steuereinrichtung 7 ausgelegt bzw. programmiert ist, im ersten Betriebszustand B1 eine Phasenverzögerung P2 von - λ/12 und im zweiten Betriebszustand B2 eine Phasenverzögerung P2 von + λ/12 zu erzeugen. Hierfür wird im ersten
Betriebszustand B1 eine negative λ/12-Wellenspannung an die Pockelszelle 6 angelegt, während im zweiten Betriebszustand B2 eine positive λ/12- Wellenspannung an die Pockelszelle 7 angelegt wird. Im ersten Betriebszustand B1 liegt der Auskoppelgrad A wie bei dem in Fig. 1 beschriebenen Beispiel bei 0 %, da sich die Summe der Phasenverzögerungen P1 , P2 des Modulators 5 und der
Verzögerungsplatte 8' gerade zu einer Phasenverzögerung von Null kompensieren. Im zweiten Betriebszustand B2 liegt die Summe der Phasenverzögerungen bei λ/6 im Einfachdurchgang, d.h. der Auskoppelgrad A liegt in diesem Fall bei 3/ 4 bzw. 75 %.
Es versteht sich, dass anders als in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt die Phasenverzögerungen P1 , P2 des Modulators 5 und der Verzögerungsplatte 8, 8' sich nicht zwingend kompensieren, d.h. der Auskoppelgrad A kann im ersten Betriebszustand B1 größer 0 % sein und je nach Anwendung z.B. bei weniger als 1 %, 5 % oder 10 % liegen, was sich für bestimmte Anwendungen als günstig erwiesen hat. Ein
Auskoppelgrad größer Null im ersten Betriebszustand B1 führt dazu, dass bereits während des Aufbaus des Laserpulses Leistung aus dem Laser-Resonator 1 ausgekoppelt wird, was z.B. zur Pulsformung genutzt werden kann. Der in den vorliegenden Beispielen verwendete Auskoppelgrad von 50 % bzw. von 75 % im zweiten Betriebszustand B2 führt dazu, dass ein einzelner Laserpuls nicht während eines einzigen Resonator-Umlaufs ausgekoppelt wird, sondern dass hierzu mehrere Resonator-Umläufe erforderlich sind, wodurch sich die Pulsdauer erhöht. Um die Hochspannung zur Schaltung der Pockelszelle 6 möglichst gering zu halten und damit die Leistungsaufnahme an den Hochspannungsschaltern der Pockelszelle 6 zu reduzieren und deren Lebensdauer zu erhöhen hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Auskoppelgrad A im zweiten Betriebszustand B2 bei nicht mehr als 80 % liegt. Soll der Auskoppelgrad A im ersten Betriebszustand B1 in diesem Fall bei 0 % liegen, sollte die Verzögerungsplatte (bei einem Einfachdurchgang) einen Betrag der Phasenverzögerung von etwa λ/6 erzeugen. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn Verzögerungsplatten in dem Laser-Resonator 1 verwendet werden, die bei einem Resonator-Umlauf einen Betrag der Phasenverzögerung von 1/3 λ nicht
überschreiten.
Wie in Fig. 3b gezeigt ist, kann der Auskoppelgrad A zusätzlich auch durch die Einsteilung der Zeitdauer der Schaltflanken beim Übergang zwischen dem ersten und zweiten Betriebszustand B1 , B2 angepasst werden, um die Pulsdauer zu beeinflussen. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass auch beim herkömmlichen Cavity Dumping, bei dem eine λ/4-Verzögerungsplatte (bzw. bei Ringlasern eine λ/2- Platte) verwendet wird, eine Anpassung der Phasenverzögerung erfolgen kann, wenn der Auskoppelgrad reduziert werden soll. Zu diesem Zweck kann die
Hauptachse des doppelbrechenden Kristalls der Verzögerungsplatte aus einer Stellung, in welcher diese um + / - 45° zur Polarisationsrichtung der in dem Laser- Resonator 1 erzeugten Laserstrahlung 9 (s-polarisiert) gedreht werden. Dies hat aber zur Folge, dass beim Durchlauf durch die Verzögerungsplatte elliptisch polarisierte Laserstrahlung erzeugt wird, da die Hauptachse des Kristalls der Verzögerungsplatte 8, 8' nicht unter +/- 45° zur Polarisationsrichtung der Laserstrahlung 9 steht, was zu einer höheren Justageempfindlichkeit des Verzögerungsplatte 8, 8'und der
Pockelszelle 6 führt, insbesondere auch im Hinblick auf Temperaturschwankungen im Resonator.
Bei den obigen Beispielen werden hingegen Verzögerungsplatten 8, 8' verwendet, deren Dicke bei einer Ausrichtung unter + / - 45° zur Polarisationsrichtung die angegebene Phasenverzögerung P2 erzeugen, wodurch eine geringe
Justageempfindlichkeit der Verzögerungsplatte 8, 8' und der Pockelszelle 6 erreicht wird. Selbst wenn sich bei dem Laser-Resonator 1 die Phasenverzögerungen P1 , P2 des Modulators 5 und der Verzögerungsplatte 8, 8' nicht vollständig kompensieren, so dass im ersten Betriebszustand B1 der Auskoppelgrad A größer 0 % ist oder die Ausrichtung der Verzögerungsplatte so eingestellt ist, dass ein Auskoppelgrad von 0% entsteht, ist dies günstiger, als wenn versucht wird, durch eine Ausrichtung der Hauptachse einer h/4 -Platte 8, 8', die von einer Ausrichtung von + / - 45° zur
Polarisationsrichtung abweicht, einen Auskoppelgrad A von 0 % einzustellen. Es versteht sich, dass an Stelle des Dünnschicht-Polarisators 10 auch andere Arten von Polarisatoren in dem Laser-Resonator 1 verwendet werden können, z.B.
Polarisatoren aus doppelbrechenden Medien, die einen Strahlversatz der
Polarisationskomponenten (s- bzw. p-Polarisation) im doppelbrechenden Medium und damit eine Trennung der Polarisationskomponenten erzeugen. Auch kann an Stelle einer Pockelszelle 6 ggf. eine Kerr-Zelle in dem elektro-optischen Modulator 5 verwendet werden. An Stelle eines scheibenförmigen Festkörper-Verstärkermediums 4 können selbstverständlich auch andere Geometrien des Verstärkermediums und andere Verstärkungsmedien, z.B. gasförmige Verstärkermedien (z.B. C02-Gas) verwendet werden.
Auch kann als Verzögerungseinheit zur Erzeugung einer festen Phasenverzögerung P2 in dem Laser-Resonator 1 an Stelle einer Verzögerungsplatte 8, 8' z.B.
mindestens ein phasenschiebender Spiegel verwendet werden. Zu diesem Zweck können beispielsweise die Faltungsspiegel 3a, 3b mit einer geeigneten
phasenschiebenden Beschichtung versehen werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen (PL) durch Cavity Dumping mittels eines Laser-Resonators (1 ), der Laser-Resonator (1 ) umfassend:
einen elektro-optischen Modulator (5) zur Erzeugung einer variablen
Phasenverzögerung (P1 ) in dem Laser-Resonator (1 ),
ein Verzögerungseinheit, insbesondere eine Verzögerungsplatte (8, 8'), zur
Erzeugung einer festen Phasenverzögerung (P2) in dem Laser-Resonator (1 ), sowie
einen Polarisator (9) zur Auskopplung von Laserpulsen (PL) aus dem Laser- Resonator (1 ),
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem ersten Betriebszustand (B1 ) zum Aufbau eines Laserpulses (PL) der Modulator (5) eine der festen Phasenverzögerung (P1 ) der
Verzögerungseinheit entgegen gerichtete Phasenverzögerung (P2) erzeugt, um einen Auskoppelgrad (A) am Polarisator (10) gegenüber einem zweiten
Betriebszustand (B2) zur Auskopplung eines Laserpulses (PL) zu verringern.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die feste Phasenverzögerung (P2) der
Verzögerungseinheit bei einem Resonator-Umlauf einen Betrag von weniger als K/2, bevorzugt von A/3 oder weniger aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem zweiten Betriebszustand (B2) die Phasenverzögerung (P1 ) des Modulators (5) so gewählt wird, dass der Auskoppelgrad (A) am Polarisator ( 0) bei nicht mehr als 80 %, bevorzugt bei nicht mehr als 60 %, insbesondere bei nicht mehr als 50 % liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im ersten
Betriebszustand (B1 ) die Phasenverzögerung des Modulators (5) so gewählt wird, dass der Auskoppelgrad (A) am Polarisator (10) bei weniger als 10 %, bevorzugt bei weniger als 5 %, insbesondere bei weniger als 1 % liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Phasenverzögerung (P1 ) des Modulators (5) im ersten Betriebszustand (B1 ) so gewählt wird, dass die Phasenverzögerung (P2) der Verzögerungseinheit gerade kompensiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der elektro- optische Modulator (5) eine Pockelszelle (6) umfasst und eine
Steuerungseinrichtung (7) des elektro-optischen Modulators (5) die Pockelszelle (6) mit zwei unterschiedlichen Spannungswerten ansteuert, um die variable Phasenverzögerung (P1 ) zu erzeugen.
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