DE10108436A1 - Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers und Festkörperlasersystem - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers mit resonatorinterner Frequenzvervielfachung, bei dem mindestens zwei Komponenten der von dem Festkörperlaser abgegebenen Strahlung gemessen und zum Regeln der Ausgangsleistung des Lasers auf einen konstanten Wert auf mindestens eine Stellgröße wirken, wird eine besonders gute Stabilisierung dadurch erreicht, daß zum Regeln der Ausgangsleistung des Festkörperlasers mindestens eine zweite Stellgröße beeinflußt wird. Insbesondere wird das Festkörperlasersystem dazu mit zwei Laserdioden gepumpt, die derart ausgerichtet sind, daß die Polarisationsrichtungen der beiden Laserdioden unterschiedlich sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers mit resonatorinterner Frequenzvervielfachung, bei dem mindestens zwei Komponenten der von dem Festkörperlaser abgegebenen Strahlung gemessen und zum Regeln der Ausgangsleistung des Festkörperlasers auf einen konstanten Wert auf mindestens eine Stellgröße wirken. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Festkörperlasersystem mit mindestens einer Laserdiode, einem Resonator und einem resonatorinternen frequenzvervielfachenden Kristall.

Festkörperlaser werden verstärkt in der Technik und Wissenschaft angewendet, wobei insbesondere Laser gefragt sind, die Strahlung im sichtbaren Bereich abgeben. Dies wird insbesondere durch den Einsatz von Lasern erreicht, bei denen die Frequenz der Grundstrahlung durch eine resonatorinterne Frequenzverdoppelung oder Frequenzvervielfachung von diodengepumpten Multimode-Festkörperlasern erhöht wird, wobei die Frequenz der Grundstrahlung im infraroten Bereich liegt. Beispielhaft sei hier der Nd-YAG-Laser erwähnt, der mit Hilfe einer resonatorinternen Frequenzverdoppelung sichtbare grüne Strahlung mit 532 nm Wellenlänge bei einer Grundstrahlung von 1064 nm abgibt. Innerhalb des optischen Resonators wird dazu ein KTP-Kristall eingesetzt. Derartige frequenzverdoppelte oder -vervielfachte Festkörperlaser sind kompakt und haben eine große Effizienz. Ein Problem besteht jedoch nach wie vor darin, daß die Ausgangsleistung deutlich fluktuiert.

Eine sehr einfache Lösung des Problems besteht darin, den frequenzvervielfachenden Kristall außerhalb des Resonators zu plazieren. Da die Wandlungseffizienz überlinear von der Lichtintensität abhängt, ist dies aber mit einer beträchtlichen Reduktion der Wandlungseffizienz verbunden und somit mit einer starken Reduktion der Laserausgangsleistung.

Vorschläge zur Lösung dieses Problems sind beispielsweise aus US 5,197,073, DE 196 46 073 C1 und JP 08008480 A bekannt. Bei den hier beschriebenen Verfahren werden Stellgrößen, wie beispielsweise die Temperatur, verändert, so daß über vergleichsweise langsame Änderungen ein nahezu statischer Zustand erreicht wird, bei dem der Laser vergleichsweise stabil ist. Der Laser befindet sich dabei in einem Arbeitspunkt mit einer geringen Modenzahl.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus Roy et al., Phys. Rev. Lett. 68 (9), 1992, Seite 1259 ff. bekannt. Diese Arbeit wird auch in der US- Patentschrift 5,442,510 erwähnt. Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren des OPF (Occasional proportional feedback) erfolgt eine Regelung von einer Stellgröße.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders zuverlässiges Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers zu schaffen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Festkörperlasersystem zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung werden zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlaser mit resonatorinterner Frequenzvervielfachung mindestens zwei Komponenten der von dem Festkörperlasers abgegebenen Strahlung gemessen und zum Regeln der Ausgangsleistung des Festkörperlasers auf mindestens zwei Stellgrößen gegeben, so daß durch Eingriff auf verschiedene Parameter das Verhalten der Regelung verbessert wird. Dabei ist die Regelbandbreite vergleichbar mit den charakteristischen Frequenzen der Fluktuation der Intensität des Festkörperlasers, insbesondere ist die Regelbandbreite in der gleichen Größenordnung wie die charakteristischen Frequenzen der Fluktuationen. Die Stellgrößen sind also insbesondere im Mikrosekundenbereich oder sogar im Submikrosekundenbereich regelbar. Dadurch wird eine dynamische Regelung des Festkörperlasers erreicht, die unmittelbar auf die Fluktuation der Intensität des Festkörperlasers reagieren kann. Bevorzugt können auch drei oder mehr Stellgrößen beeinflußt werden, so daß insgesamt eine besonders sichere Stabilisierung der Ausgangsleistung erreicht wird.

Eine Stellgröße wird bevorzugt von der Pumpleistung einer Laserdiode, insbesondere von dem durch die Laserdiode fließenden Strom, gebildet. Als zweite Stellgröße wird bevorzugt die Pumpleistung einer zweiten Laserdiode, insbesondere der durch die Laserdiode fließende Strom, verwendet, wobei auch diese Laserdiode als Pumplaserdiode des Festkörperlasers dient. Die Laserdioden sind als Pumplaserdioden Bestandteil des Festkörperlasersystems. Alternativ oder zusätzlich kann als Stellgröße auch die Wandlungseffizienz von infrarot zu grün des frequenzvervielfachenden Kristalls, insbesondere ein an den frequenzvervielfachenden Kristall angelegtes elektrisches Feld dienen. Durch das Anlegen einer Hochspannung an den frequenzvervielfachenden Kristall ändert sich die Stärke der Doppelbrechung dieses Kristalls, und es ergibt sich eine Änderung der Phasenverschiebung. Auch andere Stellgrößen oder Parameter, wie beispielsweise die Temperatur der Pumplaserdioden können verwendet werden. Die Beeinflussung der Temperatur ist hilfreich zur Unterstützung des Verfahrens, jedoch nicht integraler Bestandteil, da auf diese Weise keine dynamische Regelung, sondern nur eine vergleichsweise langsame Änderung des Arbeitspunktes erreicht werden kann.

Als Meß- und Regelgröße wird bevorzugt bei der von dem Festkörperlasersystem abgegebenen Strahlung die jeweilige Intensität der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichtes gemessen. Alternativ oder zusätzlich ist es günstig, die Intensität des abgegebenen Strahls hoher Frequenz, im eingangs genannten Beispiel die Intensität des grünen Lichtes, zu messen. Auch hier sind andere alternative oder zusätzliche Meß- und Regelgrößen verwendbar, wie beispielsweise die Temperaturen einzelner Baukomponenten des Festkörperlasersystems. Die Beeinflussung der Temperatur ist hilfreich zur Unterstützung des Verfahrens, jedoch nicht integraler Bestandteil, da auf diese Weise keine dynamische Regelung, sondern nur eine vergleichsweise langsame Änderung des Arbeitspunktes erreicht werden kann.

Zwischen den Meß- und Regelgrößen und den Stellgrößen besteht ein funktionaler Zusammenhang. In einfachen Fällen ist dieser linear, so daß die Meß- und Regelgrößen mit Gewichtungsfaktoren gewichtet werden, und die Stellgrößen dann entsprechend geändert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Meß- und Regelgrößen die beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichtes gemessen, und jede dieser Meß- und Regelgrößen wird auf jeweils eine von zwei Laserdioden als Stellgröße angewendet. Auch Mischgrößen sind möglich, so daß also jede der Meß- und Regelgrößen auf beide Laserdioden als Stellgrößen angewendet wird. Mathematisch wird dies mit einer 2 × 2 Matrix ausgedrückt. Die Regelung erfolgt dabei bevorzugt so, daß die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichtes ungefähr gleich groß sind oder werden, da bei dieser Konfiguration die Wandlungseffizienz von infrarot zu grün maximal ist.

Das erfindungsgemäße Festkörperlasersystem, das insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens dient, zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens zwei Laserdioden vorgesehen sind, die derart ausgerichtet sind, daß die Polarisationsrichtungen der von den Laserdioden ausgesandten Strahlung unterschiedlich sind. Dadurch ist eine besonders gute Beeinflussung des im Multimode arbeitenden Resonators möglich. Auf diese Weise läßt sich das Festkörperlasersystem in seiner Ausgangsleistung besonders gut stabilisieren.

Bevorzugt sind die Laserdioden derart ausgerichtet, daß die Polarisationsrichtungen der von den Laserdioden ausgesandten Strahlung orthogonal zueinander sind. Zur Einkopplung der Strahlung der beiden Laserdioden ist bevorzugt ein Strahlteilerelement oder eine polarisationserhaltende y-Faser vorgesehen. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist als weitere Stellgröße eine Einrichtung zur Erzeugung eines regelbaren elektrischen Feldes vorgesehen, die im Bereich des frequenzvervielfachenden Kristalls angeordnet ist, so daß das elektrische Feld im Bereich des frequenzver­ vielfachenden Kristalls erzeugt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. In der schematischen Darstellung wird ein erfindungsgemäßes Festkörperlasersystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

In der Fig. 1 ist ein Festkörperlasersystem 1 mit einer ersten Laserdiode 10 und einer zweiten Laserdiode 11 dargestellt, die als Pumplaserdioden des Festkörperlaser­ systems 1 dienen. Mit Hilfe eines Strahlteilers 12 werden die Strahlungen der beiden Laserdioden 10 und 11 koaxial ausgerichtet und mit Hilfe einer Kollimierlinse 13 und einer Fokussierlinse 14 in einen Nd-YAG-Kristall 15 geleitet. Hinter diesem ist ein KTP-Kristall 16 und ein Auskoppelspiegel 17 angeordnet. Diese Komponenten 10 bis 17 bilden das eigentliche Festkörperlasersystem 1. Die Laserdioden 10 und 11 senden polarisierte Strahlung einer Wellenlänge von beispielsweise von 808 nm aus, die in jedem Fall energetisch über der Grundfrequenz des Nd-YAG-Lasers 15 mit der entsprechenden Wellenlänge von 1064 nm liegt. Die Laserdioden 10 und 11 sind so ausgerichtet, daß ihre Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander stehen, und ihre Strahlen werden über den Strahlteiler 12 und die Kollimierlinse 13 und die Fokussierlinse 14 in den Nd-YAG-Kristall 15 fokussiert. Die Laserdioden sind mit einem Peltierelement 21 bzw. einer Heiz- und Kühleinrichtung und einem Temperaturfühler 20 ausgestattet, mit denen die Temperatur gemessen und beeinflußt werden kann. Der Nd-YAG-Kristall 15, der eine zylindrische Form hat und im in der Figur linken Endbereich verspiegelt ist, bildet zusammen mit dem Auskoppelspiegel 17, der konkav ausgebildet ist, den eigentlichen Resonator des Lasersystems. Anstelle des Nd-YAG-Kristalls 15 kann auch ein anderer Kristall, beispielsweise ein Nd-YLF-Kristall verwendet werden. Der Nd-YAG-Kristall 15 weist einen Temperaturfühler 22 auf. Innerhalb des Resonators, also zwischen dem verspiegelten Ende des Nd-YAG-Kristalls 15 und dem Auskoppelspiegel 17 ist der frequenzvervielfachende Kristall, hier ein frequenzverdoppelnder KTP-Kristall 16, angeordnet, der einen Teil der Strahlung des Lasersystems auf die doppelte Frequenz umsetzt. Dies entspricht einer Verkürzung der Wellenlänge um die Hälfte, im vorliegenden Fall also von 1064 nm auf 532 nm. An dem Kristall ist ein Temperaturfühler 23 und eine Einrichtung 24, in der Art eines Kondensators, zum Anlegen eines elektrischen Feldes angeordnet. Hinter dem Auskoppelspiegel 17 sind drei Meßeinrichtungen 25, 26, und 27 angeordnet, wovon die Meßeinrichtung 25 die Intensität des abgegebenen grünen Lichtes, also des Lichtes mit der kurzen Wellenlänge von 532 nm, und die Meßeinrichtungen 26 und 27 jeweils die Intensität des ausgekoppelten infraroten Lichtes in einer der beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen misst.

Durch die Anordnung des frequenzvervielfachenden Kristalls 16 innerhalb des Resonators läßt sich zwar eine hohe Ausgangsleistung des Festkörperlasersystems für die hochfrequente Strahlung erreichen, jedoch treten starke Fluktuationen in der Ausgangsleistung auf. Diese sind deterministischer Natur und können erfindungsgemäß kompensiert werden. Dazu werden einer Regeleinrichtung 30 verschiedene Regelgrößen zugeführt, die als ml bezeichnet werden können, wobei i = 1 bis n ganze Werte annimmt. Als Meßgrößen ml kommen insbesondere die vom Temperaturfühler 12 gemessene Temperatur des Nd-YAG-Kristalls, die vom Temperaturfühler 23 gemessene Temperatur des KTP-Kristalls, die vom Temperaturfühler 20 gemessene Temperatur der Laserdiode 10 und zudem die von einem weiteren Temperaturfühler gemessene Temperatur der Laserdiode 11 sowie die Intensitäten des Laserlichtes, die von den Meßeinrichtungen 25, 26 und 27 gemessen werden, in Betracht. Auf diese Meßwerte m₁ bis m_n werden Funktionen F_j (m₁, . . ., m_n) angewendet, wobei _j von 1 bis _o (_o < 1) ganze Werte annehmen kann. Die Funktionen F_j wirken auf p_j-Parameter. Entscheidend ist also, daß die Meßgröße auf mehrere, mindestens zwei Parameter oder Stellgrößen wirkt. Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies: p_j = F_j (m₁, . . ., m_o). Als Parameter kommen insbesondere der durch die Laserdioden 10, 11 fließende Strom oder auch die mit der Heizeinrichtung 21 veränderbare Temperatur der Laserdioden 10, 11 in Betracht. Weiterhin besteht die Möglichkeit, mit Hilfe der Einrichtung 24 das an den KTP-Kristall 16 angelegte elektrische Feld zu beeinflussen, um auf diese Weise dessen doppelbrechende Eigenschaften und damit die Phasenverschiebung beeinflussen zu können.

Die Meßwerte werden zunächst als Abweichung zu einem Sollwert bestimmt und daraus eine Änderung des Parameters um einen Vorgabewert herum (Δp_j = p_j - P_j,o) bestimmt. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Damit ergibt sich Δ_mi = m_i - m_i,o und somit Δp_j = F_j (Δm₁, . . ., Δm_o).

Es ist hilfreich, die Funktionen F_j (m₁, . . ., m_n) durch eine Polynomapproximation darzustellen. In vielen Fällen kann nach dem linearen Glied abgebrochen werden. Damit läßt sich F_j als zweidimensionale Matrix von Koeffizienten (o × j) auffassen. Die Koeffizienten lassen sich durch unterschiedliche aus der Literatur bekannte Optimierungsalgorithmen bestimmen, bei denen die Fluktuationen der Laserausgangsleistung minimiert werden. Als Optimierungsalgorithmen kommen beispielsweise die Gradientenmethode, simulated Anealing, beispielsweise beschrieben in W. H. Press et al., "Numerical Recipes in C", Cambridge University Press 1992 beschrieben wird. Weiterhin ist eine Optimierung mit Hilfe genetischer Algorithmen oder neuronaler Netze möglich. Der Optimierungsprozeß läßt sich vor dem eigentlichen Einsatz des Lasers oder aber auch dynamisch während des Betriebs des Lasers durchführen. Die Optimierung während des Lasereinsatzes hat den entscheidenden Vorteil, daß auch driftende Systemeigenschaften korrigiert werden können.

Claims (14)

1. Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers mit resonatorinterner Frequenzvervielfachung, bei dem mindestens zwei Komponenten der von dem Festkörperlaser abgegebenen Strahlung gemessen und zum Regeln der Ausgangsleistung des Festkörperlasers auf einen konstanten Wert auf mindestens eine Stellgröße wirken, dadurch gekennzeichnet, daß zum Regeln der Ausgangsleistung des Festkörperlasers mindestens eine zweite Stellgröße beeinflußt wird und daß die Regelbandbreite vergleichbar mit den charak­ teristischen Frequenzen der Fluktuation der Intensität des Festkörperlasers ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei oder mehr Stellgrößen beeinflußt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellgröße von der Pumpleistung einer Laserdiode, insbesondere von dem durch die Laserdiode fließenden Strom, gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stellgröße von der Pumpleistung einer zweiten Laserdiode, insbesondere dem durch die Laserdiode fließendem Strom, gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stellgröße von dem frequenzvervielfachenden Kristall, insbesondere einem an den frequenzvervielfachenden Kristall angelegten elektrischen Feld, gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meß- und Regelgrößen bei der von dem Festkörperlaser abgegebenen Strahlung die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts gemessen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meß- und Regelgrößen bei der von dem Festkörperlaser abgegebenen Strahlung die Intensität des abgegebenen frequenzvervielfachten Lichts gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Regelgrößen mit einem funktionalen Zusammenhang auf die Stellgrößen einwirken.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meß- und Regelgrößen die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts gemessen werden und jede dieser Meß- und Regelgrößen auf die Pumpleistungen von zwei Laserdioden als Stellgrößen wirken.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung so erfolgt, daß die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts ungefähr gleich groß sind.

11. Festkörperlasersystem mit mindestens einer Laserdiode, einem Resonator und einem resonatorinternen frequenzverviel­ fachenden Kristall (16), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Laserdioden (10, 11) vorgesehen sind, die derart ausgerichtet sind, daß die Polarisationsrichtungen der von den Laserdioden (10, 11) ausgesandten Strahlung unter­ schiedlich sind.

12. Festkörperlasersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdioden (10, 11) derart ausgerichtet sind, daß die Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander sind.

13. Festkörperlasersystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteilerelement (12) zur Einkopplung der Strahlen der beiden Laserdioden (10, 11) in den Resonator vorgesehen ist.

14. Festkörperlasersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des frequenzver­ vielfachenden Kritalls (16) eine Einrichtung (24) zur Erzeugung eines regelbaren elektrischen Feldes vorgesehen ist.