DE10049770A1

DE10049770A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Variation von Pulsdauer und/oder Pulsenergie bei einem passiv gütegeschalteten Laser

Info

Publication number: DE10049770A1
Application number: DE2000149770
Authority: DE
Original assignee: CLYXON LASER GmbH
Current assignee: CLYXON LASER GmbH
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2000-10-03
Publication date: 2002-05-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Pulsdauer und/oder Pulsenergie eines Laserpulses bei einem passiv gütegeschalteten Laser bzw. im kontinuierlichen Betrieb der Repitionsrate der Einzelpulse des Lasers. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Steuerung durch mechanische Verstellung der Güteschalteranordnung erzielt wird.

Description

Kurze Laserpulse im Bereich von 3-100 ns lassen sich durch Güteschaltung von Lasern, insbesondere Festkörperlasern, realisieren. Dabei unterscheidet man aktive und passive Güteschalter.

Während aktive Güteschalter auf polarisationsoptischen Effekten beruhen, wie dem Kerr-Effekt oder der Faraday-Drehung, verwenden passiv gütegeschaltete Laser sogenannte sättigbare oder ausbleichbare (bleachable) Absorber.

Die Verwendung von passiven Güteschaltern ist ein vorteilhaftes Verfahren, da man außer einer Elektronik zum Steuern des Pumplampenstroms keine weiteren elektrischen oder elektronischen Elemente zur Pulssteuerung braucht. Vielmehr wird in den Laserresonator, d. h. zwischen hochreflektierendem Rückspiegel (HR-Spiegel) und dem partiell reflektierenden Auskoppelspiegel ein sättigbarer Absorber eingefügt, der den Beginn der Laserverstärkung so lange verzögert, bis die Verstärkung des Lasermediums imstande ist, die zusätzliche Abschwächung der Umlaufverstärkung des Lasers zu kompensieren, die durch die Absorptionswirkung des passiven Güteschalters entsteht. Sobald die Laserschwelle erreicht ist und die Verstärkung angelaufen ist, beginnt die sich verstärkende Laserstrahlung die Farbzentren des passiven Güteschalters abzusättigen, wodurch die Absorptionswirkung sinkt, bis alle Farbzentren abgesättigt sind. Das Verschwinden der Absorption des Güteschalters führt dazu, dass sich der Laserprozess lawinenartig beschleunigt, so dass die gesamte Inversion des Lasermediums beschleunigt abgebaut und die darin gespeicherte Energie in den Laserpuls umgesetzt wird.

Besonders vorteilhaft sind Güteschalter in Festkörperausführung, wie zum Beispiel Cr₄₊:YAG, da sie sich einfach handhaben lassen und keine oder nur geringe Alterungs- oder Abnutzungserscheinungen zeigen.

Demgegenüber wird bei einem aktiven Güteschalter die Verstärkung des Lasers durch einen Polarisationsrotator zunächst verhindert. Erst nach vorgegebner Pumpdauer erfolgt die aktive Freigabe der Laserverstärkung durch einen polarisationsoptischen Schalter, z. B. eine Pockels- Zelle mit vorgeschaltetem Pockels-Zellen-Treiber, die den Güteschalterpuls auslöst. Die Auslösung des Güteschalterpulses bedingt die schnelle Umladung der Pockels-Zelle bei Spannungen im Bereich von mehreren kV. Dies und die Zeitsteuerung für die Auslösung der Pockels-Zellen- Ansteuerung macht eine aufwendige Elektronik notwendig. Dem steht als Vorteil gegenüber, dass sich der Zeitpunkt der Freigabe des Güteschalterpulses aktiv steuern und somit optimal einstellen lässt.

Die Variation der Pulsdauer und/oder Pulsenergie eines Lasers ist für viele Anwendungen vorteilhaft, da die Wirkung auf Materie gezielt gesteuert werden kann. Dies gilt insbesondere auch für die Anwendung des Lasers in der Medizin. Hier lässt sich der Laser durch die genannte Parameterverstellung indikationsgerecht optimal einstellen und in der Wirkung optimieren.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung dafür anzugeben, den Vorteil der relativen Einfachheit eines passiv gütegeschalteten Laseraufbaus zu bewahren und gleichzeitig eine Möglichkeit zu bieten, den Schaltzeitpunkt und das Schaltverhalten des Güteschalters veränderbar zu gestalten. Damit können die wesentlichen Vorteile der beiden genannten Arten der Güteschaltung vereinigt werden, nämlich die

- Einfachheit des passiven Güteschalters mit der
- Einstellbarkeit des aktiven Güteschalters.

Lösungsprinzip

Der Zeitpunkt, zu dem der passive Güteschalter durchschaltet hängt - bei vorgegebener Art des passiven Güteschalters - wesentlich davon ab, welche Kleinsignaltransmission der Güteschalter aufweist und welche Anzahl an Farbzentren im Laserstrahl liegen.

Je geringer die Kleinsignaltransmission des Güteschalters ist, desto später schaltet der Güteschalter durch, d. h. desto geringer ist die Energie im Laserresonator. Durch eine Variation der Kleinsignaltransmission lässt sich demnach die Höhe der gespeicherten Energie beeinflussen.

Je höher die Gesamtzahl der im Strahlengang befindlichen Farbzentren ist, desto langsamer schaltet der Güteschalter durch, d. h. desto länger wird der gütegeschaltete Laserpuls.

Durch geeignete Anordnungen lassen sich die beiden genannten Größen verstellen und damit der Laserpuls beeinflussen.

(In den folgenden Textteilen ist nicht ausdrücklich erwähnt, dass alle optischen Grenzflächen optische Qualität aufweisen und zur Vermeidung unerwünschter Reflexionen mit geeigneten Anti- Reflex-Schichten versehen sein müssen. Dies wird vielmehr als techniküblich vorausgesetzt.)

Verstellung der Kleinsignaltransmission

Die Kleinsignaltransmission - und damit der Schaltzeitpunkt des Güteschalters - lässt sich bei einem Festkörpergüteschalter, wie z. B. einem Cr₄₊:YAG oder einem Li:F₂, in erfindungsgemäßer Weise durch Wechsel des Güteschalters in einem Magazin (siehe Abb. 1) oder durch Gestaltung des Güteschalters in Form eines Keiles und laterale Verschiebung (siehe Abb 2) variieren.

Beide Vorgänge lassen sich ohne Probleme motorisch ausführen, wodurch eine automatische oder über ein Bedienfeld steuerbare Beeinflussung des Laserpulses möglich ist.

Bei dieser Verstellung ergibt sich als Problem, dass die unterschiedliche Materialstärke des Güteschalters in den verschiedenen Einstellpositionen des Magazins den Laseraufbau möglicherweise unzulässig verändert. Dies kann durch geeignete Kompensationsglieder verhindert werden.

So kann bei der Magazinverstellung in erfindungsgemäßer Weise zu jedem passiven Güteschalter des Magazins eine entsprechende Kompensationsscheibe hinzugefügt werden. Hierfür eignet sich z. B. das undotierte Trägermaterial des Güteschalters. Beim Cr₄₊:YAG kann beispielsweise eine Scheibe passender Dicke aus undotierten YAG-Material zu dem jeweiligen Güteschalter des Magazins hinzugefügt werden.

Bei der Lösung mit einem keilförmigen Güteschalter (Bild 2) wird der Laserstrahl durch die Prismenwirkung des Keils abgelenkt. Dies lässt sich erfindungsgemäß durch Hinzufügen eines Kompensationskeiles aus undotiertem Trägermaterial des Güteschalters verhindern (Abb. 3).

Außerdem ist die Menge von Farbzentren über den Strahlquerschnitt nicht konstant, was zu ungleichmäßigem Strahlprofil des Lasers führen kann und somit unerwünscht ist. Erfindungsgemäß wird ein keilförmiges Gegenstück (Kompensationskeil) gleichen Materials und gleichen Keilwinkels wie der Güteschalter-Keil in den Strahlengang eingefügt (Abb. 4).

Diese Anordnung kann bei besonders hohen Anforderungen an die Strahlqualität erfindungsgemäß mit der Dickenkompensation aus Abb. 3 kombiniert werden (Abb. 5).

Verstellung der Schaltenergie

Die Gesamtzahl der Farbzentren im Strahlengang ergibt sich als Produkt aus der Strahlquerschnittsfläche und der Dicke L des Güteschalters multipliziert mit der Volumenkonzentration der Farbzentren des Güteschaltermaterials.

Dagegen ergibt sich die Gesamtzahl der wirksamen Farbzentren (N_FZ) im Laserstrahl aus folgender Gleichung:

N_FZ = A × L × n_FZ

Darin ist A die Querschnittsfläche des Laserstrahls am Ort des Güteschalters und L die Dicke des Güteschalters.

Verwendet man im Strahlengang eine Aufweitung oder Einschnürung, so lässt sich durch Verschieben des Güteschalters längst des Strahls der am Güteschalter wirksame Strahldurchmesser wirksam verändern (Abb. 6).

Damit kann sowohl der Schaltzeitpunkt des Güteschalters (und damit die Pulsenergie) als auch die Schaltgeschwindigkeit des Güteschalters (und damit die Pulsdauer) verändern. Führt man die genannte axial Bewegung motorisch aus, so lassen sich wiederum die Pulsdaten automatisch oder von einem Bedienfeld aus verstellen.

Burst-Mode

Betreibt man den Laseraufbau mit passivem Güteschalter so, dass die Pulsdauer der Pumplampe länger eingestellt wird, als bis zum Zeitpunkt des ersten Durchschalten des Güteschalters so entsteht ein zweiter, dritter oder weitere gütegeschaltete Laserpulse innerhalb des selben Pumplampenpulses. Eine solche Pulsfolge nennt man einen Burst.

Die oben erläuterten Möglichkeiten, den Zeitpunkt des Durchschaltens des Güteschalters zu verstellen, ergeben die Möglichkeit, im Burst-Betrieb die Zahl der Burst-Pulse innerhalb des Pumplampenpulses zu beeinflussen.

Für verschiedene Anwendungen vor allem medizinischer Art ergibt sich dadurch die Möglichkeit, unterschiedliche Wirkmechanismen in Gang zu setzen. Zwischen den verschiedenen Pulscharakteristiken kann durch die entsprechende automatische oder über Bedienfeld einstellbare Verstellung der Burst-Folge umgeschaltet werden.

Andere Pumplichtquellen

In der bisherigen Argumentation ist jeweils angenommen, dass als Pumpenergiequelle eine pulsartige betriebene Lampe verwendet wird. Alternativ können kontinuierlich betriebene Pumplampen oder ein oder mehrere Diodenlaser eingesetzt werden.

In diesem Fall entsteht beim Vorschalten eines passiven Güteschalters in den Laserresonator eine kontinuierliche Folge von gütegeschalteten Laserpulsen, sozusagen ein kontinuierlicher fortgesetzter Burst.

Die genannten Methoden der Verstellung des Güteschalters ermöglichen es, die Laserenergie pro Einzelpuls, den zeitlichen Abstand der einzelnen Pulse sowie die Pulsdauer jedes einzelnen Pulses gezielt zu beeinflussen.

Der zeitliche Abstand der Einzelpulse ergibt reziprok die Puls-Repetitionsfrequenz eines solcherart betriebenen passiv gütegeschalteten Lasers.

Das Produkt aus Laserenergie eines Pulses und der Puls-Repetitionsfrequenz ergibt die mittlere Leistung, die der Laser abstrahlt.

Diese beiden Größen lassen sich demnach mit den beschriebenen Methoden ebenfalls verstellen.

Diese Verstellung kann wiederum automatisch oder durch Einstellung am Bedienfeld geschehen.

Automatische Steuerung

Unter automatischer Steuerung versteht man gewöhnlich, dass durch einen regelungstechnischen Aufbau eine Größe auf einen gewünschten Wert eingestellt oder auf einem solchen gehalten wird. Dies setzt einen rückgekoppelten Betrieb voraus, bei dem der Ist-Zustand erfasst und durch eine automatische Steuerung dem gewünschten Soll-Zustand angepasst wird.

Für den vorliegenden Bedienkomplex kann dies auf verschiedene Weise realisiert werden:
Zum einen kann die Laserenergie eines gütegeschalteten Pulses und/oder seine Pulsdauer gemessen werden. Durch Vergleich der vorliegenden Soll-Werten, lässt sich eine automatische Regelung herstellen, indem eine der oben genannten Verstellmöglichkeiten für den Durchschaltzeitpunkt und die Schaltenergie des passiven Güteschalters verwendet wird.

Alternativ lässt sich in ähnlicher Weise eine Güteschaltung des Burst-Mode oder des kontinuierlichen Laser-Mode erzielen, indem die Folgefrequenz der Burst-Pulse gemessen und mit den genannten Verstellmöglichkeiten einem Soll-Wert angepasst wird.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Pulsdauer und/oder der Pulsenergie eines Laserpulses bei einem passiv gütegeschalteten Laser bzw. im kontinuierlichen Betrieb der Repetitionsrate der Einzelpulse des Lasers, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch mechanische Verstellung der Güteschalteranordnung erzielt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Verstellung der Kleinsignaltransmission des Güteschalters erzielt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Verstellung der im Laserstrahl befindlichen effektiven Menge an Farbzentren des im Laserstrahlengang befindlichen Güteschalters erzielt wird.

4. Verfahren einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Verstellung sowohl der im Strahl befindlichen effektiven Menge an Farbzentren als auch der Kleinsignaltransmission des im Laserstrahlengang befindlichen Güteschalters erzielt wird.

5. Verfahren einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Verstellung der Position des Güteschalters im Laserresonator erzielt wird.

6. Verfahren einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke (Dicke) des im Strahlengang befindlichen Teils des Güteschalters verstellt wird.

7. Verfahren einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Farbzentren des im Strahlengang befindlichen Teils des Güteschalters verstellt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Wechsel des im Strahlengang befindlichen Güteschalters bewirkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Wechsel des Güteschalters mittels eines Magazins bewirkt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Magazin als Revolvermagazin (rotierendes Magazin) ausgeführt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Magazin als linear verschiebbares Magazin ausgeführt ist.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine eventuelle unterschiedliche Dicke L der zu wechselnden Güteschalter durch Hinzufügen von Kompensationsscheiben aus undotiertem Trägermaterial der Güteschalter auf gleiche Dicke ausgeglichen wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Güteschalter keilförmig ausgeformt ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch lineare Bewegung ein unterschiedlich starker Teil des Keils in den Strahlengang gebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein feststehender zweiter Keil gleichen Materials und Keilwinkels, jedoch in umgekehrter Position in der Nähe des ersten Keils so in den Strahlengang eingebracht wird, dass die über die beiden Keile summierte Flächendichte an Farbzentren über den gesamten Strahlquerschnitt überall gleich ist.

16. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass die örtlich unterschiedliche Dicke der keilförmigen Güteschalter durch Hinzufügen von Kompensationskeilen aus undotiertem Trägermaterial der Güteschalter auf gleiche Dicke ausgeglichen wird.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahldurchmesser durch Einfügen von Optiken, insbesondere eines Teleskops, längs der Strahlachse variiert, dass also ein Bereich mit divergentem oder konvergentem Strahlverlauf innerhalb des Laserresonators entsteht.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Güteschalter in dem divergenten oder konvergenten Teil des Laserresonators Strahlenganges axial verschoben wird, so dass die Menge an Farbzentren im Strahlengang verstellt wird.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verstellmöglichkeiten (a) nach einem der Ansprüche 8 bis 16 und (b) nach den Ansprüchen 17 und/oder 18 kombiniert werden, so dass gleichzeitig die Kleinsignaltransmission des Güteschalters als auch Menge an Farbzentren im Strahlengang verstellt werden kann.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die dort angegebene Verstellung der Positionen motorisch, bevorzugt elektromotorisch, bewirkt wird.

21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die dort angegebene Verstellung der Positionen mechanisch durch Handbetätigung, bevorzugt durch gerastete oder kontinuierliche Stelltriebe über Betätigungsknöpfe von außerhalb des Lasergehäuses, bewirkt wird.

22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer und/oder Pulsenergie durch geeignete Meßmethoden gemessen sowie über einen Regler automatisch an vorgegebene Sollwerten angeglichen oder diesen nachgeführt werden (automatische Regelung).

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Laserpulsdaten durch eine Fotodiode geschieht.

24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass außer dem verstellbaren Güteschalter ein zur Frequenzvielfachung der Grundwellenlänge des Lasers geeigneter Kristall (Harmonic Generation) in den Laserresonator eingebracht wird (Intra-Cavity Harmonic Generation).

25. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass außer dem verstellbaren Güteschalter ein zur Frequenzvielfachung der Grundwellenlänge des Lasers geeigneter Kristall (Harmonic Generation) in den Laserstrahlengang hinter dem Auskoppelspiegel eingebracht wird (Extra-Cavity Harmonic Generation).

26. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verstellung der Pulsenergie und/oder -dauer die Konversionseffizienz der Frequenzvielfachung der Grundwellenlänge des Lasers zielgerecht gesteuert werden kann.

27. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Laser um einen Festkörperlaser handelt.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermedium als aktive Ionen Ionen der Elemente Neodym, Holmium, Thulium, Erbium, Chrom oder Kombinationen davon verwendet.

29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermedium als Trägermaterial YAG, YAP, YLF oder verwendet.

30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermedium Alexandrit ist.

31. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium zur Erzeugung der Harmonischen der Lasergrundwellenlänge KTP, KDP, DKDP, ADP, BBO oder KTA eingesetzt wird.

32. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass als Güteschalter Cr₄₊:YAG oder LiF₂ eingesetzt wird.

33. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass als bei einem Laserbetrieb im Burstmode die Zahl der Einzel-Laserpulse in einem Pumppuls verstellt wird.

34. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Laserbetrieb mit kontinuierlichem Pump-Betrieb die mittlere Leistung, die Pulsdauer eines Einzelpulses und/oder die Repetitionsfrequenz der Einzelpulse verstellt wird.