CN109716219A - 激励普克尔斯盒的晶体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于借助高电压脉冲激励普克尔斯盒(5)的晶体(5A)以便对穿过所述晶体(5A)的电磁射束、尤其激光射束(33)进行极化调节的方法。所述方法包括将有效电压脉冲(N)的序列施加到所述晶体(5A)上，所述晶体分别具有有效周期持续时间(TP,N)和有效脉冲宽度(TN)并且构造用于通过所述晶体中的电极化诱导出所述晶体(5A)的双折射以便对所述电磁射束、尤其所述激光射束(33)进行极化调节。此外，所述方法包括将补偿脉冲(K，K1，K2)的序列施加到所述晶体(5A)上，所述补偿脉冲分别具有电压变化过程，其中，所述补偿脉冲(K，K1，K2)的序列与所述有效电压脉冲(N)的序列在时间上如此叠加，使得所述补偿脉冲(K，K1，K2)的电压变化过程与所述普克尔斯盒(5)的晶体(5A)中的机械振荡的通过所述有效电压脉冲(N)的激励起反作用。

Description

激励普克尔斯盒的晶体
技术领域
本发明涉及一种用于借助(高)电压脉冲激励普克尔斯盒(Pockels-Zelle)的晶体以便尤其提供时间上受限的光学稳定的极化窗口的方法。本发明还涉及一种放大单元、尤其一种再生放大单元。
背景技术
通过快速切换施加在普克尔斯盒的晶体上的高电压实现普克尔斯盒的操控以便对电磁射束、尤其激光射束进行极化调节。所施加的高电压通过电光效应引起晶体中的电极化，电极化例如导致晶体的所期望的双折射。双折射例如可以用于调节导向通过普克尔斯盒的晶体的激光射束的极化状态。
在EP 1 801 635 A1中描述对于普克尔斯盒操控电路的一个例子。示例性的操控电路基于所谓的“双推拉”开关方法，所述“双推拉”开关方法允许在几纳秒的范围内的电压上升时间。此外已知，这种快速的电压电路可能伴随着晶体的机械振荡，所述机械振荡通过与电光效应同时出现的压电效应引起。
这种谐振的机械衰减例如通过相应地使用衰减膜并且通过以焊接或粘接的方式将晶体固定到专门的保持装置上引起。DE 10 2013 012 966 A1例如公开通过将晶体与电极的材料锁合的连接来衰减机械振荡。此外，EP 2 800 212 A1公开关于电光调制器的所谓“声学振铃”，以便将调制脉冲宽度大致调谐到“声学振铃”的机械振荡的周期持续时间的整数倍。
发明内容
所述公开内容的一个方面基于以下任务：提供普克尔斯盒的时间有效窗口(Nutz-Fenster)，该有效窗口尽可能不受机械振荡影响。
这些任务中的至少一个任务通过根据权利要求1所述的用于激励普克尔斯盒的晶体的方法以及通过根据权利要求14所述的尤其再生的放大单元解决。在从属权利要求中说明扩展方案。
在一个方面，用于以高电压脉冲激励普克尔斯盒的晶体以便对穿过晶体的电磁射束、尤其激光辐射进行极化调节的方法具有以下步骤：将有效电压脉冲的序列施加到所述晶体上，所述晶体分别具有有效周期持续时间和有效脉冲宽度并且构造用于通过所述晶体中的电极化诱导出所述晶体的双折射以便对所述电磁射束、尤其所述激光射束进行极化调节，以及将补偿脉冲的序列施加到所述晶体上，所述补偿脉冲分别具有电压变化过程，其中，补偿脉冲的序列与有效电压脉冲的序列在时间上如此叠加，使得所述补偿脉冲的电压变化过程与所述普克尔斯盒的晶体中的机械振荡的通过所述有效电压脉冲的激励起反作用。
在另一方面，本发明涉及一种放大单元、尤其再生放大单元，所述放大单元具有放大介质、光学开关单元和控制单元，所述光学开关单元具有普克尔斯盒和用于形成光学开关的极化分束器，所述控制单元用于根据以上描述的方法和本发明的在此公开的扩展方案操控普克尔斯盒。
在另一个方面，本发明涉及一种用于借助脉冲式高电压激励普克尔斯盒的方法，其中，脉冲式高电压的具有重复的有效脉冲——所述有效脉冲具有有效周期持续时间和有效脉冲宽度——并且适合用于如下地改变普克尔斯盒的光学特性：即在普克尔斯盒中诱导出双折射。在此，激励还包括分别跟随有效脉冲的制动脉冲并且如此构型，使得使普克尔斯盒中的通过有效脉冲激励的机械振荡(声学冲击波)衰减。
在一些扩展方案中，所述补偿脉冲的电压变化过程的切换边沿可以如此设计为所述补偿脉冲的电压变化过程的机械有效的部分，使得所述切换边沿的时间变化过程和所述切换边沿相对于所述有效电压脉冲的时间位置如此构型，使得所述切换边沿在所述晶体中诱导出声学事件，所述切换边沿借助所述晶体中的通过所述有效电压脉冲引起的声学事件相消干涉。在此，尤其可以通过切换边沿的上升时间或下降时间确定所述时间变化过程。
在一些扩展方案中，所述有效电压脉冲分别可以具有第一电压切换过程和第二电压切换过程，所述第一电压切换过程用于调节有效电压，所述第二电压切换过程用于结束所述有效电压的存在，并且，所述切换过程中的至少一个可以适用于激励所述普克尔斯盒的晶体的机械振荡并且尤其引起声学冲击波。在此，所述补偿脉冲的电压变化过程可以具有用于激励与能够通过所述有效电压脉冲激励的机械振荡起反作用的振荡的至少一个补偿切换过程。所述起反作用的振荡可以相对于能够通过所述有效电压脉冲激励的机械振荡移相，尤其具有在135°至225°的范围内的相移。此外，所述相移尤其可以导致与通过所述有效电压脉冲激励的机械振荡的相消干涉，其中，可选地选择相位位置，以便优化衰减并且在衰减的振荡的情况下降低并且尤其防止过度补偿。
在一些实施方式中，晶体可以具有声学的至少一个谐振频率，所述至少一个谐振频率尤其通过尺寸——例如用于施加电压的电极之间的所述晶体的大小、晶体类型、晶体形状、晶体切口、施加的电场矢量和/或在原始未激励的空间轴线上的散射——确定。有效电压脉冲的序列可以由于所述有效周期持续时间而原则上适用于以所述声学的至少一个谐振频率激励所述晶体的谐振，并且，补偿脉冲的序列可以构造用于降低、尤其防止所述晶体中的谐振的激励。
在一些实施方式中，所述补偿脉冲的电压变化过程可以分别具有第一补偿电压切换过程和第二补偿电压切换过程。所述第一补偿电压切换过程尤其基本上可以同时地或以时间延迟在待补偿的电压切换过程后进行，所述时间延迟基本上相应于所述晶体的谐振频率的一个周期或所述周期的数倍。所述第二补偿电压切换过程可以以时间延迟在所述待补偿的电压切换过程后并且紧接所属的第一补偿电压切换过程地进行，所述时间延迟尤其基本上相应于所述晶体的谐振频率的一个周期或周期的整数倍。
所述有效电压脉冲中的一个与所述直接紧接所述有效电压脉冲的补偿脉冲之间的时间延迟可以尤其基本上是零，以便在所述有效脉冲结束时的和在所述补偿脉冲开始时的所述电压切换过程基本上尤其同时进行，从而补偿所属的振荡激励。为了补偿，可以使用具有相对于要补偿的有效切换过程逆反的电压梯度的电压切换过程。
补偿脉冲序列可以具有用于有效电压脉冲的多个补偿脉冲，后续的补偿脉冲中的至少一个的开始可以相对于第一补偿脉冲的开始延迟谐振周期的整数倍。
在一些实施方式中，所述补偿脉冲中的一个的电压变化过程可以具有补偿电压切换过程，所述补偿电压切换过程以所述晶体的谐振周期的最大12.5％——例如最大5％至10％——和尤其所述晶体的谐振周期的最小1％——例如2％至5％——的时间错位在所述第二电压切换过程后进行。所述补偿脉冲中的一个的电压变化过程可以具有补偿电压切换过程，所述补偿电压切换过程相对于所述谐振周期的整数倍以所述晶体的谐振周期的最大12.5％——例如最大5％至10％——和尤其所述晶体的谐振周期的最小1％——例如2％至5％——的时间错位进行。
在一些实施方式中，补偿脉冲可以形成极化窗口，所述极化窗口的开始相对于所述有效窗口的第二电压切换过程处于所述有效周期持续时间相对于谐振周期的整数倍的延迟的最大12.5％的时间错位上，并且，所述补偿窗口的结束相对于所述有效窗口的开始处于所述谐振周期的整数倍上。
在一些实施方式中，所述有效电压脉冲的和所述补偿脉冲的电压切换过程中的至少一个可以包括尤其在几百伏特直至几千伏特的范围内的跃变的电压变化。可选地，所述补偿电压切换过程中的一个的电压变化可以在所述有效电压脉冲的电压切换过程的电压变化的数量级下尤其是可比较的或者是其一小部分。
在一些扩展方案中，补偿脉冲的补偿电压切换过程的电压变化可以相比于第一有效电压切换过程的电压变化和/或第二有效电压切换过程的电压变化减小，并且，可选地可以以形成另外的补偿脉冲的至少一个补偿电压切换过程补充所述补偿。
在一些实施方式中，所述补偿电压切换过程的电压变化相比于所述第一电压切换过程的电压变化和/或所述第二电压切换过程的电压变化的减小可以是至少如此大，使得尤其例如在再生放大单元中谐振器内部地使用所述普克尔斯盒的情况下，所述补偿电压切换过程之间的减小的电压变化尤其引起在(例如激光系统的)光学路径中的(激光)辐射损失，所述(激光)辐射损失尤其能够实现所述激光系统的目标运行。
在一些扩展方案中，可以通过提供多个补偿脉冲和/或在时间上在有效电压脉冲的序列的变化过程中交替的补偿脉冲补偿多个谐振频率。可选地，补偿脉冲可以对于已知的谐振频率的集合随机控制地形成补偿脉冲的序列。此外可能的是，防止通过完全随机的补偿脉冲激励谐振，即，通过附加的“噪声”破坏周期性。
在一些实施方式中，通过所述普克尔斯盒将电磁射束、尤其激光射束选择性地在所述有效电压脉冲的时刻并且可选地与所述有效周期持续时间同步地耦合输入到光学射束路径中。
通常，在此提出的方案的实现基本上与晶体几何形状无关。因此，可以没有或几乎没有制造开销地实现在此提出的方案的实现，因为该方案可以实现为在控制软件中实现的用于合适的高电压开关的方法。
在此公开的在以(高)电压脉冲激励普克尔斯盒的晶体的情况下的方案也可以在波凯尔效应的其他的进行极化调节的应用的情况下实现。因此，在此描述的方案尤其涉及在良好连接的激光器、“腔倒空(Cavity-Dumping)”或再生地放大的情况下耦合输入要放大的电磁射束、尤其激光脉冲以及耦合输出放大的电磁射束、尤其激光脉冲。此外，另外的应用包括例如在操控脉冲选择器的情况下在腔以外的强度调制和极化调制。另外的应用涉及CW激光器、具有置于前面的脉冲选择器和Q开关的扩展。
附图说明
在此，公开一些方案，所述方案允许至少部分地改善现有技术中的方面。由实施方式的根据附图的以下描述尤其得出另外的特征和其合理性。附图中，
图1示出具有至少一个普克尔斯盒的激光放大系统的示意图；
图2例如示出用于以(高)电压脉冲激励普克尔斯盒的晶体的示例性的示意性的双推拉电路；
图3A和3B示出在形成可切换的波板(Wellenplatte)的情况下使用普克尔斯盒的示意性示出的结构；
图4A至4C示出用于阐述所激励的谐振对极化状态的影响的图；
图5A至5C示出用于阐述在此公开的方案对谐振激励的影响的图；
图6A至6C示出用于阐述在此公开的方案对通过电压脉冲提供的极化状态对于三个脉冲持续时间的影响的图；以及
图7A至7C根据所公开的用于激励普克尔斯盒的晶体以便进行极化调节的方案示出所组合的有效电压脉冲和补偿电压脉冲的示例性的序列。
具体实施方式
在此描述的方面部分地基于以下知识：在普克尔斯盒中使用的光学晶体(例如BBO晶体或KTP晶体)具有或多或少强烈突出的压电特征。压电特征可能导致，所实施的电切换脉冲在普克尔斯盒中产生声学冲击波。此外，根据相应的晶体的尺寸、几何形状和声速，晶体通常可以具有一个或多个谐振频率，所述一个或多个谐振频率可以在以电压脉冲的序列进行激励的情况下单独地或共同地被激励。因此，在谐振频率(或所属的次谐波)附近运行可能导致不稳定的切换行为，例如再生放大器中的不稳定的耦合输入行为或耦合输出行为。此外，这种运行可能导致机械地损害晶体或该晶体的固定。
现在已经认识到，可以借助二次补偿脉冲影响晶体的振荡行为。尤其已经知道，补偿脉冲可以在时间上如此布置在有效脉冲的序列中，使得机械振荡根本不会(或者至少仅仅减少地)出现，因为所述机械振荡通过振荡叠加而相消干涉地“消失”。因此，所设置的补偿脉冲可以允许在晶体的谐振频率(或谐振频率的次谐波)附近进行高电压切换运行。在此，这样地激励普克尔斯盒的晶体可以避免所提及的不稳定的切换行为和/或晶体的机械破坏的缺点。
在此提出的高电压激励尤其在多个谐振频率的情况下也是可能的，如其在普克尔斯盒中通常在无补偿脉冲地进行激励的情况下存在的那样。因此，对于要进行的高电压切换过程，以下时间区间的选择(相比于未经补偿的运行)较少地受限制或根本不受限制：在所述时间区间中启用普克尔斯盒以便提供有效窗口(在此也称为极化窗口或放大窗口)。
换句话总结，在此提出，以附加的电压脉冲(补偿脉冲)激励普克尔斯盒，其中，电压脉冲在时间上如此协调到有效脉冲上，使得由有效脉冲的和电压脉冲的切换过程引起的声学冲击波尽可能大程度地相消干涉或至少以如此程度相消干涉，使得可以实现稳定的(例如激光器)运行。在一些情况下，可以以附加的措施——如借助例如连接在前面的脉冲选择器降低耦合输入到再生放大单元中的脉冲速率来支持这个目标。通常，可以在使用在此公开的方案的情况下有效地防止或以所需的程度减小谐振的起振(Aufschwingen)。
以下参照图1至图6进一步阐述在此提出的方案。
如在一开始提及的那样，可以使用普克尔斯盒来快速地切换电磁射束、尤其激光射束，其中，通过施加高电压(可能直至10KV以及等于10KV的有效电压)到合适的光学晶体上来诱导出双折射。可切换的双折射允许在时间上可调节地改变通过晶体的光的极化状态。以这种方式，与极化器组合地例如可以切换激光谐振器的品质。这例如应用在良好切换的激光器中、在腔倒空的情况下以及在再生放大器中。普克尔斯盒在两个电压状态之间的切换——即单个电压切换过程通常非常快速地(例如在几纳秒以内)进行，其中，在极化窗口的可调节的持续时间上保持电压状态(例如对于几微秒)。这允许：例如选择脉冲序列(Pulszug)的各个激光脉冲。此外，可以使电开关中的损耗功率保持得尽可能低。
图1示意性地示出具有作为种子激光射束源的种子激光器2和两个再生放大单元3A、3B的示例性的激光系统1，例如借助相位调节系统使所述两个再生放大单元的输出激光射束叠加。放大单元3A、3B中的至少一个例如包括普克尔斯盒5，所述普克尔斯盒具有布置在接触电极7之间的晶体5A用于借助光电效应提供放大(时间)窗口，该光电效应影响在相应的放大器单元3A、3B中存在的激光射束(例如环绕的超短的激光脉冲)的极化。此外，激光系统1包括控制单元9并且可选地包括置于放大单元3A前面的脉冲选择器11。
种子激光器2的最初的激光射束13借助分束器15A划分成两个(相干的)分射束，所述两个分射束在图1中表示为第一种子激光射束13A和第二种子激光射束13B。每个分射束供给给所属的放大单元3A、3B，以便基于第一种子激光射束部分13A产生放大的第一激光射束17A或者基于第二种子激光射束13B产生放大的第二激光射束17B。例如借助另外的分束器15B使放大的激光射束17A、17B共线地叠加，以便形成总激光射束19。
在图1中还示出偏转镜21和用于改变激光射束的(在图1中以箭头/点示意性地表示的)极化状态的λ半波板23。为了有效地放大，借助普克尔斯盒5在放大窗口中调节所需的极化状态。在此，在放大窗口期间通过普克尔斯盒射出的激光射束的极化影响应在时间上尽可能不变并且恒定，其中，以时间上陡的边沿实现放大窗口的开始和结束。
图2示出示例性的双推拉电路25，其可以提供具有几纳秒的上升时间的高电压电平。双推拉电路25是已知的快速的高电压电路的例子(也参见图1的操作指导《ManualSplitter Box Model BME_SP05》，2006.5.16修订，其具有所属的描述)。在此，施加在高电压输入端27上的高电压通过开关A、B选择性地传导到电位点P1、P2，从而在普克尔斯盒5的与所述电位点P1、P2连接的接触电极7上存在所期望的高电压，并且，在普克尔斯盒5的晶体5A中构建相应的电场。在图2中，HV通常代表施加在高电压输入端27上的高电压。控制单元9通过四个分配给开关A、B的控制输入端29触发切换过程(On A；Off A；On B，Off B)。
示例地示出的双推拉电路25设计用于尽可能灵活地操控普克尔斯盒并且示出根据伯格曼的双推拉原理的高电压开关，在所述双推拉原理的情况下可以借助可自由编程的触发器发生器操控各个控制输入端29(On A；Off A；On B，Off B)。在正常运行的情况下，同时切换“On A”和“Off B”或“Off A”和“On B”，从而电压在+2HV与-2HV之间切换。这些电压例如可以在以下结合图3A和3B阐述的结构中引起+/-λ/8的延迟。
用于以(高)电压脉冲激励普克尔斯盒的晶体、尤其脉冲选择器的替代的切换和操控模式例如包括重叠地切换的切换过程，例如On A-On B-Off B-Off A。后者的切换模式尤其适用于非常短的切换窗口。然而，这可能需要高电压HV，该高电压为了这种双折射应是两倍大(在假设相同的晶体特性的情况下)。
用于根据在此公开的方案进行激励的电路的运行借助控制单元9实现，该控制单元构造用于实现在此公开的切换方案并且启用或停用不同的开关(例如参见图2中的高电压开关A、B)，以便在晶体5A上提供有效(电压)脉冲的和压缩(电压)脉冲的期望的序列。在根据图2的双推拉电路25的实施方式中可以采用在千伏特范围内的多个电压电平。
然而，如一开始提及的那样，光学特性不仅受电光效应影响，而且也受与晶体中的变化的压力振荡相关的压电效应(不利地)影响。因此，通过压电效应，机械振荡可以诱导出电压，电压在其方面导致电光效应。在此公开的使用补偿脉冲的方案涉及改善由普克尔斯盒提供的极化窗口的光学质量(例如在在放大过程期间的由普克尔斯盒5提供的放大窗口的图1的情况下)。为此，补偿脉冲在时间上如此布置在确定极化窗口的有效脉冲的序列中，使得所述有效脉冲与普克尔斯盒的晶体中的通过有效脉冲激励的机械振荡起反作用。
在图3A和3B中示出示例性的装置，在所述装置中，一个或两个普克尔斯盒5一同与波板31布置在激光射束33的射束路径中，示例性地在借助镜35的双程通道(Doppeldurchgang)中。在图3A和3B中，这些装置借助分束器37和光电二极管39来补充，以便检查极化窗口的特性、尤其该极化窗口的时间质量。
根据图3A的结构示出，如何可以借助普克尔斯盒实现光学开关。在此，该晶体的激励如此设计，使得在双程通过波板31(例如λ/8波板)和晶体5A(例如可切换为+λ/8波板或-λ/8波板)之后在极化窗口期间(例如被激励的普克尔斯盒)不进行极化变化，而在极化窗口之外(例如未激励的普克尔斯盒)存在λ/2波板并且在分束器37上反射返回的激光射束33。根据图3A的结构已经作为用于以下结合图6A至6C描述的研究的测试结构来使用。
根据图3B的结构相比于图3A的结构扩展普克尔斯盒(例如同样可切换为+λ/8波板或-λ/8波板)并且已经作为用于以下结合图4A至4C和图5A至5C描述的研究的测试结构来使用。在此，结构如此设计，使得在双程通过波板31和两个晶体5A之后在极化窗口期间存在+3λ/4波板并且在极化窗口之外存在-λ/4波板，从而在理想的切换行为的情况下(尤其在没有压电效应的影响和由此引起的机械振荡的情况下)应不可见光电二极管39的信号中的切换过程。
在普克尔斯盒中使用的光学晶体(例如BBO晶体、KDP晶体、KTP晶体)具有或多或少突出的压电特性。这导致，施加电压到晶体上根据极性导致晶体膨胀或收缩。如果电压的变化非常快速地发生(例如在几纳秒以内)，则形成声学冲击波，所述声学冲击波在晶体中传播。通常正方形地实施的晶体本身是声学谐振器。根据晶体的尺寸、几何形状和声速，所述声学谐振器可以具有多个谐振频率。
如果现在在这些频率中的一个处或在这些频率中的一个的附近(或者在所述频率的次谐波处)切换普克尔斯盒，则发生各个冲击波的相长干涉，这可能导致一个或多个谐振的起振。因为晶体的内部电场(基于压电效应由声学振荡引起)与通过所施加的电压引起的外电场叠加，所以以谐振频率调制晶体的双折射。
在所定义的极化状态之间的干净的切换由此变得更加困难。此外，晶体可以通过强烈的谐振受到机械损坏/破坏。
然而，如以下所示的那样，可以防止谐振的起振，其方式是，防止晶体中的冲击波的相长干涉。对于在此公开的实现，假设如下：在接通和关断普克尔斯盒的情况下产生具有移位180°的起始相位的冲击波并且可以忽略晶体中的衰减。
如果电压的接通与电压的关断之间的时间现在恰好(或几乎恰好)相应于周期持续时间(周期持续时间的整数倍)，则这两个冲击波相消干涉并且防止谐振起振。如果扩展该方案，则一个或多个接通与关断事件的任何组合原则上是目标明确的，只要总体上引起声学相消干涉。
在以下描述的研究中，在根据图3B的结构中使用根据伯格曼的双推拉原理(参见图2)的高电压开关用于操控普克尔斯盒。在正常运行的情况下，借助可自由编程的触发发生器已经同时切换控制输入端29“On A”和“Off B”或“Off A”和“On B”，从而在+2HV与-2HV之间切换电压，其中，已经在两个普克尔斯盒中引起+/-λ/8的延迟。
图4A至4C示例性地示出所研究的普克尔斯盒的所激励的三个谐振，所述普克尔斯盒在图3B的结构中已经借助光电二极管39测量。在时间t(t')上绘出地分别识别出具有fR1＝147kHz、fR2＝345kHz和fR3＝600kHz的频率的第一、第二和第三谐振的光电二极管信号R1、R2、R3(单位[a.u.]的幅度a；图4B中的时间单位是图4A和4C中的两倍大)。
此外，在图4A至4C中示出控制输入端29的启用。可以看出接通脉冲41(On A/OffB)和关断脉冲43(Off A/On B)，所述接通脉冲和关断脉冲触发用于形成分别处于一对接通脉冲与关断脉冲之间的高电压脉冲(有效脉冲)的序列的电压切换过程。因此，接通脉冲41和关断脉冲43分别分配有一个有效电压切换过程。(通常，在此，每个切换脉冲分配有一个电压切换过程。)在图3A中，为了提高谐振，已经使用例如3.2kV的高电压脉冲。在此，已经如此旋转λ/8板，使得在在普克尔斯盒上没有电压的情况下在分束器上反射50％。反射与电压之间的相关性是正弦函数，其中，在拐点上的灵敏性最大。被证实的是，当关断脉冲延迟半个谐振周期时，谐振的激励最强。此外，在光电二极管信号R1、R2、R3中可以看到信号峰值，所述信号峰值通过如下产生：在开关过程的情况下，所期望的、理想地不可见的相位跃变仅仅有限快速地发生。
在fR1＝147kHz处的谐振方面，图5A至图5C示例性地示出借助示例性地集成的两个补偿脉冲序列的抑制(尤其参见图5B和5C)。
图5A基本上相应于图4A，其中，对于有效脉冲的序列，以箭头41A和43A表示电压切换过程，并且，在光电二极管信号R1中以箭头45表示有效脉冲持续时间TN。有效脉冲持续时间TN相应于谐振频率fR1的半个周期TR1。可以看出具有谐振频率fR1＝147kHz的光电二极管信号R1的强度波动。
在图5B中，为了抑制谐振效应，已经添加由补偿(电压)脉冲构成的补偿脉冲序列，所述补偿(电压)脉冲中的分别一个设置在两个有效脉冲之间。相应地看到切换脉冲47、49的另外的对，所述对触发所分配的补偿电压切换过程。产生在其波动方面显著减小的光电二极管信号R1'。
在光电二极管信号R1'中，通过箭头47A和49A突出切换脉冲47、49的对中的一对。切换脉冲47、49引起所属的跟随在有效脉冲后面的补偿脉冲。补偿脉冲持续时间TK标记在有效脉冲持续时间TN旁。
通常，反向的电压切换过程用于补偿有效切换过程。也就是说，基于在提高或降低所施加的电压差的情况下引起的反相的激励，补偿脉冲(On A/Off B)的(接通)切换脉冲47基本上直接(例如以200ns的延迟)跟随在关断脉冲43后，并且，补偿脉冲的(关断)切换脉冲49以相应于有效脉冲持续时间TN(在此200ns)的延迟跟随在关断脉冲43(或在接通脉冲41后的一个谐振周期TR1＝2TN)后。相应地，准直接地补偿关断脉冲43的冲击波，并且，以谐振周期的整数倍的延迟补偿接通脉冲41的冲击波。切换脉冲47、49的所选择的时刻导致机械振荡的相消干涉，所述机械振荡分配给(有效脉冲的序列和补偿脉冲的序列的)重复的切换过程。可以看出，可以以这种方式有效地抑制在147kHz处的谐振。
在图5C中看出另外的激励方案，其可以借助高电压开关实现，所述高电压开关允许多个电压电平，例如如可以将普克尔斯盒的两个电极分开地接通的双推拉电路25那样。
具体地，如在图5C中所示的那样，为了抑制谐振效应，添加补偿脉冲序列，所述补偿脉冲序列由补偿(电压)脉冲组成，所述补偿(电压)脉冲中的分别两个设置在两个有效脉冲之间。相应地，可以识别切换脉冲51、53、55、57的另外的对。产生在其波动方面同样减小的光电二极管信号R1″。
在图5C中看到第一对(接通和关断)切换脉冲51、53，所述第一对在光电二极管信号R1″中通过箭头51A和53A表示并且引起跟随在有效脉冲后的第一补偿脉冲。在此，第一补偿脉冲的(接通)切换脉冲51同样基本上直接地(例如以200ns的延迟)跟随在关断脉冲43的后面，并且，第一补偿脉冲的(关断)切换脉冲53如图5B中的那样以相应于有效脉冲持续时间TN的延迟跟随在关断脉冲43的后面(或在接通脉冲41后的谐振周期TR1)。总之，参照图2，在有效脉冲的放大窗口以后首先仅仅切换电极A，即在+2HV与0HV之间有效地切换。相应地，箭头51A和53A是箭头41A和43A的一半长。通过降低的电压降低第一补偿脉冲的声学冲击波，例如其可以仅仅一半强地突出。相应地，如果仅仅如此降低的补偿脉冲跟随，则将会仅仅部分地关闭再生放大单元中的谐振器。
因为第一补偿脉冲的声学冲击波小于有效脉冲的声学冲击波，所以在根据图5C的实施中为了有效的破坏性干涉设置另一对(接通和关断)切换脉冲55、57，所述另一对(接通和关断)切换脉冲在光电二极管信号R1″中通过箭头55A和57A表示。切换脉冲55、57引起第二补偿脉冲。在此，切换脉冲55、57的对相对于切换脉冲51、53的对基本上延迟一个谐振周期TR1。然而，(接通)切换脉冲55可以相对于关断脉冲43恰好延迟一个谐振周期TR1。一般地，重要的是，脉冲对55/57相对于脉冲对51/53延迟n*TR1(其中，n作为整数)。相应地得出所有其他时间。结果，进行振荡激励的所有脉冲在总体上可以彼此抵消。为了对双推拉电路25均匀地加载，例如可以将电极B用于第二补偿脉冲。
总之，使全振幅的一对切换脉冲(用于有效脉冲)和半振幅的两对切换脉冲(用于两个补偿脉冲)叠加。例如，补偿电压切换过程中的一个的电压变化例如在有效脉冲(N)的电压切换过程的电压变化的一小部分的数量级方面——取决于补偿脉冲的数目。
根据图5C的激励的实施方式具有另外的优点：在应用在再生放大器中的情况下不产生第二放大窗口。
这与两个极化窗口不同，所述两个极化窗口在根据图5B的激励的实施方式中通过接通和关断切换脉冲41、43以及接通和关断切换脉冲47、49存在。在后者的情况下，可以放大在补偿脉冲的期间处于谐振器中的激光脉冲。为了防止这点，在根据图5B的实施方式——该实施方式可以借助更简单的电路实现——中，在图1中示出的脉冲选择器11仅仅将有效脉冲的极化窗口中的脉冲有针对性地耦合输入到放大单元3A中。
通常看出，用于应用在再生放大单元中的补偿应如此构型，使得尽管谐振器仅仅部分关闭，例如在盘式放大器的情况下损耗仍然足够大，以便防止在放大窗口之外的放大。
观察图5A至5C看出，光电二极管信号R1'和R1″相比于光电二极管信号R1显著更均匀并且因此更接近理想的“平坦的″曲线。也就是说，通过补偿脉冲序列的激励来降低压电地产生的冲击波的负面效应。相应地，在极化窗口期间提供普克尔斯盒对激光射束的均匀作用。
图6A至6C示例性地对于三个放大时间(1μs、4μs、6μs)示出在图3的具有普克尔斯盒的结构中的cw激光射束的耦合输出的强度，所述普克尔斯盒具有在6.8μs的谐振周期/147kHz的谐振频率的情况下的谐振特性。分别已经借助光电二极管39测量强度。对于所述三个放大时间中的每一个，已经不补偿(通过(光电二极管信号)曲线01、04、06示出)、借助一个补偿脉冲补偿(通过曲线11、14、16示出)以及借助两个补偿脉冲补偿(通过曲线21、24、26示出)普克尔斯盒的谐振激励。在此，在图的下方区域中示出用于借助补偿脉冲进行补偿(曲线11、14、16)的相应的(接通和关断)切换脉冲47、49，以便阐述激励方案。
在图6A中，曲线01表示具有1μs的脉冲持续时间TN和有效周期持续时间TPN的有效脉冲N的序列。可以通过以下方式识别有效脉冲N：补偿窗口具有相对于有效窗口一半的振幅。此外，看出光电二极管信号中的波动，所述波动叠加信号变化过程并且归因于具有6.8μs的谐振周期的谐振的激励。也就是说，有效周期持续时间TP,N如此合适，使得通过有效脉冲实现晶体5A中的声学振荡的谐振式激励。
类似地，在图6B和6C中，曲线04和06表示具有4μs或6μs的脉冲持续时间TN的有效脉冲N的序列。
回到图6A，在曲线1中也看出有效脉冲N的序列，其中，直接紧着打开(较长的)第二极化窗口，所述第二极化窗口具有与有效窗口相同的光学特性，因为接通相等的电压。极化窗口归因于(接通和关断)切换脉冲47、49，所述(接通和关断)切换脉冲直接在关断脉冲43后打开具有与在有效极化窗口期间相等的极化状态的极化窗口(在此也称为补偿窗口K)，并且，在从接通脉冲41起的一个谐振周期TR1后再次关闭该极化窗口(补偿脉冲K的持续时间TK因此大约为5.8μs)
类似地在图6B和6C中，曲线14和16表示具有4μs或6μs的脉冲持续时间TN的有效脉冲N的序列，其中，对于每个有效脉冲具有一个补偿脉冲的分别一个补偿脉冲序列如此布置在所述曲线中，使得补偿脉冲K、尤其补偿脉冲的切换过程与普克尔斯盒的晶体中的通过有效脉冲N激励的机械振荡起反作用。由于延长的有效脉冲持续时间，补偿脉冲K的持续时间TK缩短到大约2.8μs或大约0.8μs上。
在曲线11、14、16中的有效脉冲的整个极化窗口期间的均匀的信号下降处看出，用于谐振补偿的叠加原理在经测试的放大时间中的每一个的情况下起作用。如果看出普克尔斯盒的谐振频率，则可以对于每个放大时间和重复率容易地自动计算附加的切换脉冲的延迟。
然而也看出，尤其当谐振周期与有效持续时间可比较或显著大于有效持续时间时，补偿窗口的可能干扰的影响可以光学地产生影响。通过具有降低的幅度的多个补偿脉冲可以降低该影响。
根据图6A中的曲线21阐述具有两个补偿脉冲K1、K2的过程。又看出有效脉冲N的序列和直接紧接的补偿窗口(补偿脉冲K1)。第一补偿窗口/补偿脉冲K1的持续时间可以与曲线11的补偿窗口的持续时间相比较。(这类似地适用于曲线14的以及曲线16的第一补偿窗口的持续时间。)又看出在第一补偿脉冲K1期间的减小的电压变化。
然后，(第二补偿脉冲K2的)第二补偿窗口以相应于谐振周期TR的延迟跟随，同样具有减小的电压变化。此外，在时间的方面参照先前的描述、尤其结合图5C。第二极化窗口返回到切换脉冲55、57。由于电压变化的减小，在补偿窗口中产生极化状态，该极化状态与在有效脉冲期间存在的极化状态不同。
类似地，在图6B和6C中，曲线24和26表示具有4μs或6μs的脉冲持续时间TN的有效脉冲N的序列，其中，对于每个有效脉冲N具有两个补偿脉冲K1、K2的分别一个补偿脉冲序列如此布置，使得补偿脉冲K1、K2、尤其所述补偿脉冲的切换过程与普克尔斯盒的晶体中的通过有效脉冲N激励的机械振荡起反作用。由于延长的有效脉冲持续时间，补偿脉冲K1、K2的持续周期又缩短到大约2.8μs或大约0.8μs。
对于具有两个补偿脉冲K1、K2的补偿脉冲序列，在曲线21、24、26的整个极化窗口期间的均匀信号减小处看出，叠加原理在经测试的放大时间中的每一个的情况下起作用。
在图7A和7B中，根据先前的实施例示例性地并且示意性地示出组合的有效电压脉冲和补偿电压脉冲的序列，其中，可以采样用于激励普克尔斯盒的晶体的序列，以便例如进行极化调节。因此，看出有效电压脉冲N的各一个序列，所述有效电压脉冲在时间(t)/电压(U)图中绘出。关于机械有效性，通过有效电压脉冲的和补偿脉冲的电压变化过程的切换边沿确定操控。如在此公开的那样地如此设计所述切换边沿，使得所述切换边沿的时间变化过程和所述切换边沿相对于有效电压脉冲的时间位置如此构型，使得所述切换边沿在晶体中诱导出声学事件，所述切换边沿借助晶体中的通过有效电压脉冲引起的声学事件相消干涉。在此，尤其通过切换边沿的上升时间或下降时间可以确定时间变化过程。
此外，在图7A中示出分别直接跟随在有效电压脉冲后面的补偿脉冲K，所述补偿脉冲与谐振起反作用。与此不同，在图7B中示出分别直接跟随在有效电压脉冲的后面的具有减小的电压的补偿脉冲K1，并且，跟着的是分别一个第二补偿脉冲K2，该第二补偿脉冲如此时间错位地施加，使得该第二补偿脉冲例如与相同的谐振起反作用。
应注意，如果已知普克尔斯盒的谐振频率，则可以对于每个放大时间和重复率容易地自动计算附加切换脉冲的延迟。
在另外的实施方式中，在运行中可以改变用于补偿脉冲的时间上的调节。在此，例如在一组彼此相继的放大器窗口中在每个单个的放大窗口的情况下在时间上如此放置附加的对的切换脉冲，使得对抗不同的谐振。此外，在晶体本身中的谐振的充分的衰减或避免的情况下，可以同时对抗多个谐振。然后例如可以有针对性地、基于谐振特性的测量选择要衰减的谐振。此外，通过合适的算法还可以在运行期间准随机地选择目标谐振，以便通过机械振荡的分别随机的衰减实现宽带的衰减。
在图7C中示意性地示出这样的不同的脉冲策略。因此，在所示的第一有效脉冲N后示出三个补偿脉冲K'、K″、K″′，所述三个补偿脉冲在电压方面减小，并且，所述三个补偿脉冲与一个或多个谐振频率起反作用。在所示的第二有效脉冲N后仅仅切换较长的长度的补偿脉冲K″′并且在示出的第三有效脉冲N后切换——类似于图7中的补偿脉冲的——补偿脉冲K。可以看出，通过多种设计可能性，可以根据通过普克尔斯盒电路引起的极化状态实现谐振效应的一个、多个或宽带的抑制。
通常，切换过程、尤其有效脉冲的第一切换过程和第二切换过程和可选地补偿切换过程构造用于引起普克尔斯盒的晶体中的电极化的变化。此外，在此提及的电压切换过程是在普克尔斯盒上存在的电压的极性反转过程，例如从+HV到-HV。当普克尔斯盒的晶体中的电极性的变化通过压电效应导致晶体的尺寸变化并且因此导致晶体中的声学振荡和谐振时，在此公开的方案尤其是重要相关的。然后，补偿脉冲的设置恰好引起减少在晶体中形成声学振荡和谐振。
在此根据实现和物理的给定条件，“补偿”不仅可以理解为部分补偿，而且可以理解为完全补偿。
除了所提及的在激励反振荡的补偿脉冲的情况下在ns范围内的快速的切换过程，补偿脉冲也可以具有缓慢的切换过程，例如缓慢地下降到第二电压值，从所述第二电压值出发然后再次快速地进行切换。后者可以借助相比图2更昂贵的电路方案实现。
明确强调的是，出于原始公开的目的，同样出于限定所要求保护的发明的目的，所有在说明书中和/或权利要求书中公开的特征应视为相互分开和独立的，与在实施方式中和/或在权利要求中的特征组合无关。明确坚持的是，出于原始公开的目的，同样出于限定所要求保护的发明的目的，所有范围说明或单位组的说明公开任意可能的中间值或单位子组，尤其也公开范围说明的界限。

Claims (17)

1.一种用于借助高电压脉冲激励普克尔斯盒(5)的晶体(5A)以便对穿过所述晶体(5A)的电磁射束、尤其激光射束(33)进行极化调节的方法，所述方法具有：
将有效电压脉冲(N)的序列施加到所述晶体(5A)上，所述晶体分别具有有效周期持续时间(TP,N)和有效脉冲宽度(TN)并且构造用于通过所述晶体中的电极化诱导出所述晶体(5A)的双折射以便对所述电磁射束、尤其所述激光射束(33)进行极化调节，以及
将补偿脉冲(K，K1，K2)的序列施加到所述晶体(5A)上，所述补偿脉冲分别具有电压变化过程，其中，补偿脉冲(K，K1，K2)的序列与有效电压脉冲(N)的序列在时间上如此叠加，使得所述补偿脉冲(K，K1，K2)的电压变化过程与所述普克尔斯盒(5)的晶体(5A)中的机械振荡的通过所述有效电压脉冲(N)的激励起反作用。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述补偿脉冲(K，K1，K2)的电压变化过程的切换边沿如此设计为所述补偿脉冲(K，K1，K2)的电压变化过程的机械有效的部分，使得所述切换边沿的时间变化过程和所述切换边沿相对于所述有效电压脉冲(N)的时间位置如此构型，使得所述切换边沿在所述晶体中诱导出声学事件，所述切换边沿借助所述晶体(5A)中的通过所述有效电压脉冲(N)引起的声学事件相消干涉，其中，尤其通过切换边沿的上升时间或下降时间确定所述时间变化过程。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述有效电压脉冲(N)分别具有第一电压切换过程(41)和第二电压切换过程(43)，所述第一电压切换过程用于调节有效电压，所述第二电压切换过程用于结束所述有效电压的存在，并且，所述切换过程(41，43)中的至少一个适用于激励所述普克尔斯盒的晶体的机械振荡并且尤其引起声学冲击波，
其中，所述补偿脉冲(K)的电压变化过程具有用于激励与能够通过所述有效电压脉冲(N)激励的机械振荡起反作用的振荡的至少一个补偿切换过程(47，49，51，53，55，57)，其中，所述起反作用的振荡相对于能够通过所述有效电压脉冲(N)激励的机械振荡移相，尤其具有在135°至225°的范围内的相移，并且尤其导致与通过所述有效电压脉冲(N)激励的机械振荡的相消干涉，其中，可选地选择相位位置，以便优化衰减并且在衰减的振荡的情况下降低并且尤其防止过度补偿。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述普克尔斯盒(5)的晶体(5A)具有声学的至少一个谐振频率(fR1，fR2，fR3)，所述至少一个谐振频率尤其通过尺寸——例如用于施加电压的电极(7)之间的所述晶体(5A)的大小、晶体类型、晶体形状、晶体切口、施加的电场矢量和/或在原始未激励的空间轴线上的散射——确定，
其中，有效电压脉冲(N)的序列由于所述有效周期持续时间(TP,N)而原则上适用于以所述声学的至少一个谐振频率(fR1，fR2，fR3)激励所述晶体(5A)的谐振，并且，补偿脉冲(K)的序列构造用于降低、尤其防止所述晶体(5A)中的谐振的激励。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述补偿脉冲(K，K1，K2)的电压变化过程分别具有第一补偿电压切换过程(47，51，55)和第二补偿电压切换过程(49，53，57)，
其中，所述第一补偿电压切换过程(47，51，55)基本上同时地或以时间延迟在待补偿的电压切换过程(43)后进行，所述时间延迟基本上相应于所述普克尔斯盒(5)的晶体(5A)的谐振频率(fR1，fR2，fR3)的一个周期(TR1)或所述周期(TR1)的数倍，和/或，
所述第二补偿电压切换过程(49，53，57)以时间延迟在所述待补偿的电压切换过程(41)后并且紧接所属的第一补偿电压切换过程(47，51，55)地进行，所述时间延迟基本上相应于所述普克尔斯盒(5)的晶体(5A)的谐振频率(fR1，fR2，fR3)的一个周期(TR1)或周期(TR1)的整数倍。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效电压脉冲(N)中的一个与所述直接紧接所述有效电压脉冲(N)的补偿脉冲(K，K1)之间的时间延迟基本上是零，以便在所述有效脉冲(N)结束时的和在所述补偿脉冲(K，K1)开始时的所述电压切换过程(43)基本上同时进行，从而补偿所属的振荡激励，和/或其中，为了补偿，使用具有相对于要补偿的有效切换过程逆反的电压梯度的电压切换过程。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，当补偿脉冲(K，K1，K2)的序列具有用于有效电压脉冲(N)的多个补偿脉冲(K1，K2)时，后续的补偿脉冲(K2)中的至少一个的开始相对于所述第一补偿脉冲的开始延迟所述谐振周期(TR1)的整数倍。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述补偿脉冲(K，K1)中的一个的电压变化过程具有补偿电压切换过程(47，51)，所述补偿电压切换过程以所述晶体(5A)的谐振周期(TR1)的最大12.5％——例如最大5％至10％——和尤其所述晶体(5A)的谐振周期(TR1)的最小1％——例如2％至5％——的时间错位在所述第二电压切换过程(43)后进行，和/或，
其中，所述补偿脉冲(K)中的一个的电压变化过程具有补偿电压切换过程，所述补偿电压切换过程相对于所述谐振周期(TR1)的整数倍以所述晶体(5A)的谐振周期(TR1)的最大12.5％——例如最大5％至10％——和尤其所述晶体(5A)的谐振周期(TR1)的最小1％——例如2％至5％——的时间错位进行。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述补偿脉冲(K，K1，K2)形成极化窗口，所述极化窗口的开始相对于所述有效窗口的第二电压切换过程处于所述有效周期持续时间相对于谐振周期的整数倍的延迟的最大12.5％的时间错位上，并且，所述补偿窗口的结束相对于所述有效窗口的开始处于所述谐振周期的整数倍上。
10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述有效电压脉冲(N)的和所述补偿脉冲(K，K1，K2)的电压切换过程中的至少一个包括尤其在几百伏特直至几千伏特的范围内的跃变的电压变化，其中，可选地，所述补偿电压切换过程中的一个的电压变化在所述有效电压脉冲(N)的电压切换过程的电压变化的数量级下尤其是可比较的或者是其一小部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，补偿脉冲(K1，K2)的补偿电压切换过程的电压变化相比于所述第一有效切换过程(41)的电压变化和/或所述第二有效电压切换过程(43)的电压变化减小，并且，可选地以形成另外的补偿脉冲(K2)的至少一个补偿电压切换过程补充所述补偿。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述补偿电压切换过程(51，53，55，57)的电压变化相比于所述第一电压切换过程(41)的电压变化和/或所述第二电压切换过程(43)的电压变化的减小是至少如此大，使得尤其例如在再生放大单元(3A，3B)中谐振器内部地使用所述普克尔斯盒(5)的情况下，所述补偿电压切换过程之间的减小的电压变化尤其引起在所述激光系统的光学路径中的(激光)辐射损失，所述(激光)辐射损失尤其能够实现所述激光系统的目标运行。
13.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，通过提供多个补偿脉冲(K，K1，K2)和/或在时间上在有效电压脉冲(N)的序列的变化过程中交替的补偿脉冲(K，K1，K2)补偿多个谐振频率，
其中，可选地，补偿脉冲对于已知的谐振频率(fR1，fR2，fR3)的集合随机控制地形成补偿脉冲的序列或者防止通过完全随机地设置的补偿脉冲激励谐振，其中，通过相应地产生的附加的噪声破坏周期性。
14.根据以上权利要求中任一项所述的方法，所述方法还具有以下步骤：通过所述普克尔斯盒(5)将电磁射束、尤其激光射束选择性地在所述有效电压脉冲(N)的时刻并且可选地与所述有效周期持续时间(TP,N)同步地耦合输入到光学射束路径中。
15.一种放大单元、尤其再生放大单元(3A，3B)，所述放大单元具有放大介质、
光学开关单元，所述光学开关单元具有普克尔斯盒(5)和用于形成光学开关的极化分束器(37)，
控制单元(9)，所述控制单元用于根据以上权利要求1至14中任一项所述的方法操控所述普克尔斯盒(5)。
16.根据权利要求15所述的放大单元，其中，所述光学开关单元还具有用于所述普克尔斯盒(5)的电压供给的双推拉单元(25)和/或用于在时间上自由地调节所述有效电压脉冲(N)和所述补偿脉冲(K，K1，K2)的触发单元。
17.根据权利要求15或16所述的放大单元，所述放大单元还具有脉冲选择器(11)，所述脉冲选择器用于将脉冲式电磁射束、尤其激光脉冲耦合输入到通过所述有效电压脉冲(N)给定的时间窗口中，尤其以便在所述补偿脉冲(K，K1，K2)期间包围所述放大单元中的光学脉冲。
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