DE10049775A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Variation von Pulsdauer und/oder Pulsenergie bei einem passiv gütegeschalteten Laser mit faseroptischer Resonatorverlängerung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtungen zur Variation von Pulsdauer und/oder Pulsenergie bei einem passiv gütegeschalteten Laser mit faseroptischer Resonatorverlängerung

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    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
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Abstract

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

Description

In EP 0 691 043 ist ein passiv gütegeschaltetes Lasersystem beschrieben, das als erfindungsgemäße Besonderheit eine Intra-Cavity-Fiber aufweist. Diese optische Fiber ist in den Laserresonator integriert, so dass ein Resonator großer Länge (10-50 m) und entsprechend großer Resonatorumlaufzeit entsteht.
Durch diesen Aufbau werden je nach Auslegung Pulsdauern von 200 ns bis über 1 µs erzielt, die sonst weder von passiv gütegeschalteten, noch von freilaufenden Lasern erzielbar sind.
Bei Experimenten zum Einsatz eines solchen Lasers in der Medizin, insbesondere in der Dermatologie, hat sich nun überraschend gezeigt, dass je nach Indikation deutlich unterschiedliche Pulsdauern und Pulsenergien sinnvoll und optimal wirksam sind.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Lösungen dafür anzugeben, den Vorteil der genannten und patentierten Erfindung mit ihren besonderen Pulsdauern mit einer Verstellbarkeit der Pulsdauern über einen großen Parameterbereich zu ermöglichen.
Damit entsteht ein breit einsetzbarer Laser, insbesondere zur medizinischen Anwendung.
Auch für technischen und wissenschaftlichen Einsatz ergeben sich vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten.
Lösungsprinzip
Die Pulsdauer und Pulsenergie lässt sich durch Verändern der Länge der Intra-Cavity-Fiber, der Daten des Güteschalters und des Reflexionsgrades des Auskoppelspiegels in weiten Bereichen verändern.
Veränderung der Länge der Intra-Cavity-Fiber
Hier werden in den Resonator erfindungsgemäß mehrere (mindestens zwei) verschieden lange Intra-Cavity-Fibern eingebaut. Durch optische Verstelleinheiten lässt sich zwischen den Fibern verschiedener Länge umschalten, so dass die Umlaufzeit des Resonators und damit die Pulsdauer geändert wird.
Dies kann erfindungsgemäß durch Klappspiegel, Verschiebeeinheiten oder sonstige opto­ mechanische Aktuatoren geschehen.
Änderung des Reflexionsgrades des Auskoppelspiegels
Überraschenderweise führt ein Wechsel des Reflexionsgrades bei sonst gleichen Daten des Resonators ebenfalls zu deutlichen Veränderungen von Pulsdauer und Pulsenergie.
Erfindungsgemäß kann der Auskoppelspiegel durch ein Magazin gewechselt werden, wodurch die gewünschte Verstellung entsteht (Abb. 1).
Änderung des Schaltpunktes des Güteschalters
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.
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 bis 5) variieren.
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 (NFZ) im Laserstrahl aus folgender Gleichung:
NFZ = A × L × nFZ
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. 3).
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 Durchschaltens 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 (27)

1. Verfahren zur Steuerung der Pulsdauer und/oder der Pulsenergie eines Laserpulses bei einem passiv gütegeschalteten Laser mit fiberoptischer Resonatorverlängerung bzw. im kontinuierlichen Betrieb der Repetitionsrate der Einzelpulse des Lasers, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch mechanische Verstellung der Resonatoranordnung erzielt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch mechanische Umschaltung zwischen mindestens zwei verschieden langen IC- Fibern erzielt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Umschalten zwischen Auskoppelspiegeln verschiedenen Reflexionsgrades erzielt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Wechsel des Auskoppelspiegels mittels eines Magazins bewirkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch mechanische Verstellung der Güteschalteranordnung erzielt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Verstellung der Kleinsignaltransmission des Güteschalters erzielt wird.
7. 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.
8. Verfahren einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Verstellung der Position des Güteschalters im Laserresonator erzielt wird.
9. Verfahren einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke (Dicke) des im Strahlengang befindlichen Teils des Güteschalters verstellt wird.
10. Verfahren einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Farbzentren des im Strahlengang befindlichen Teils des Güteschalters verstellt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Wechsel des im Strahlengang befindlichen Güteschalters bewirkt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung durch Wechsel des Güteschalters mittels eines Magazins bewirkt wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, 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 einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, 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.
17. Verfahren nach Anspruch 16, 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.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verstellmöglichkeiten kombiniert angewendet werden.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dort angegebene Verstellung der Positionen motorisch, bevorzugt elektromotorisch, bewirkt wird.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, 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.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, 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).
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Laserpulsdaten durch eine Fotodiode geschieht.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, 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).
24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, 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).
25. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass duch Verstellung der Pulsenergie und/oder -dauer die Konversionseffizienz der Frequenzvielfachung der Grundwellenlänge des Lasers zielgerecht gesteuert werden kann.
26. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als bei einem Laserbetrieb im Burstmode die Zahl der Einzel-Laserpulse in einem Pumppuls verstellt wird.
27. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, 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.
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