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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung
eines Festkörperlasers
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Festkörperlasersystem
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 11.
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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.
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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.
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Vorschläge zur Lösung dieses
Problems sind beispielsweise aus
US 5,197,073 A ,
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.
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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 A erwähnt.
In der
JP 08-008480
A wird eine Laservorrichtung beschrieben, mit der ein besonders
stabiler Laserstrahl erzeugt werden soll. Diese Laservorrichtung
nutzt eine Pumplaserdiode, mit der der Festkörperlaser mit resonatorinterner
Frequenzvervielfachung angeregt wird. Es werden dann zwei Komponenten
der von dem Festkörperlaser
abgegebenen Strahlung gemessen, wobei das Ergebnis dazu genutzt
wird, eine der beiden Richtungen gezielt zu unterdrücken. Dies erfolgt über eine
zeitlich vergleichsweise langsame Temperaturregelung. Derartige
stabilitätsoptimierte Laservorrichtungen
sind in der Regel nicht effizienzoptimiert.
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Demgegenüber wird
in der
DE 4205011 A1 ein
effizienzoptimierter Laser beschrieben. Bei diesem wird die Pumpleistung
konstant gehalten. Derartige Festkörperlaser sind in der Regel
nicht stabilitätsoptimiert.
Damit vergleichbar ist das in der
US 5,249,193 A beschriebene Festkörperlasersystem. Auch
dieser Festkörperlaser
wird von zwei Laserdioden gepumpt, die durch ein externes Signal
gesteuert sind.
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Aus
der Veröffentlichung
Kittel, A u. a. „Stabilisierung
von miniaturisierten frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasern mit Regelungsverfahren
der nichtlinearen Dynamik" in
Statusseminar „technische
Anwendungen von Erkenntnissen der nichtlinearen Dynamik", Frankfurt, 23.
bis 24. Februar 1999, Seiten 7 bis 11 werden allgemein die Möglichkeiten
der Stabilisierung von frequenzverdoppelten Festkörperlasern beschrieben.
Dabei wird insbesondere ein Lasersystem beschrieben, das zu Lasten
der Effizienz besonders stabil ist, wobei eine Beschränkung auf
kleine Pumpleistungen und kleine Ausgangsleistungen des Festkörperlasers
erfolgt. Es können
auch nur bestimmte Modenkonfigurationen des Festkörperlasers stabilisiert
werden. in den Veröffentlichungen
LETZ, T.; u. a. „Charakterisierung
und Stabilisierung chaotischer Fluktuationen in einem resonatorintern
frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser", DPG-Frühjahrstagung 1999 (DY 13) und
LETZ, T.; u. a.: „Stabilisierung
der Ausgangsleistung eines chaotisch fluktuierenden Festkörperlasers", DPG-Frühjahrstagung 2000
(DY 46) werden Lasersysteme beschrieben, bei denen verschiedene
Methoden der Rückkopplung auf
eine Stellgröße beschrieben
werden. Die Rückkopplung
kann dabei entweder als proportionale Rückkopplung, als differentielle
Rückkopplung
oder als Kombination dieser beiden mathematischen Darstellungen
gewählt
werden. Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren des OPF (Occasional
proportional feedback) erfolgt eine Regelung von einer Stellgröße.
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Mehrgrößenregelungen
an sich sind beispielsweise auch dem Buch „Mehrgrößenregelungen" VEB-Verlag Technik
Berlin, 1982 bekannt.
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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.
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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.
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Nach
dem Grundgedanken der Erfindung werden zur Stabilisierung der Ausgangsleistung
eines Festkörperlasers
mit resonatorinterner Frequenzvervielfachung mindestens zwei Komponenten der
von dem Festkörperlaser
abgegebenen Strahlung gemessen und zum Regeln der Ausgangsleistung
des Festkörperlasers
auf mindestens zwei Stellgrößen gegeben,
so daß durch
Eingriff auf verschiedene Stellgrößen mit jeweils eigenen Vorgabewerten das
Verhalten der Regelung verbessert wird. Dabei ist die Regelbandbreite
beider Stellgrößen 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.
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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 Steilgrößen, 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.
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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 zusätzliche Meß- und Regelgrößen verwendbar,
wie beispielsweise die Temperaturen einzelner Baukomponenten des
Festkörperlasersystems.
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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.
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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, daß dem Festkörperlasersystem
mindestens eine Regeleinrichtung zum Regeln von mindestens zwei
unabhängig
voneinander beeinflußbaren
Stellgrößen zugeordnet
ist und daß die
Regelbandbreite beider Stellgrößen vergleichbar
mit den charakteristischen Frequenzen der Fluktuation der Intensität des Festkörperlasers
ist. 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.
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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 frequenzvervielfachenden Kristalls
erzeugt wird.
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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.
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In
der 1 ist ein Festkörperlasersystem 1 mit
einer ersten Laserdiode 10 und einer zweiten Laserdiode 11 dargestellt,
die als Pumplaserdioden des Festkörperlasersystems 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.
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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 mi bezeichnet werden können, wobei
i = 1 bis n ganze Werte annimmt. Als zusätzliche Meßgrößen mi kommen
insbesondere die vom Temperaturfühler 22 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
mn werden Funktionen Fj(m1, ..., mn) angewendet,
wobei j von 1 bis o (o > 1) ganze Werte annehmen kann. Die Funktionen
Fj wirken auf pj-Stellgrößen (mathematisch
Parameter). Entscheidend ist also, daß die Meßgröße auf mehrere, mindestens
zwei Stellgrößen wirkt.
Mathematisch ausgedrückt
bedeutet dies: pj = Fj(m1, ..., mn). Als
Stellgröße 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.
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Die
Meßwerte
werden zunächst
als Abweichung zu einem Sollwert bestimmt und daraus eine Änderung
der Stellgröße um einen
Vorgabewert herum (Δpj = pj – pj,o) bestimmt. Dies ist jedoch nicht zwingend
erforderlich. Damit ergibt sich Δmi = mi – mi,o und somit Δpj =
Fj(Δm1, ..., Δmo).
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Es
ist hilfreich, die Funktionen Fj(m1, ..., mn) durch
eine Polynomapproximation darzustellen. In vielen Fällen kann
nach dem linearen Glied abgebrochen werden. Damit läßt sich
Fj 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 Annealing, 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.