DE10158624A1

DE10158624A1 - Diode pumped solid state laser and operating process disconnects electricity supply if measured laser output is excessive

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Publication number: DE10158624A1
Application number: DE10158624A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Dinger; Axel Mierzwiak; Nils Schettgen
Original assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Current assignee: Rofin Sinar Laser GmbH
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-03-13

Abstract

A process for operating a diode-pumped solid state laser in a series arrangement (8) of electrically powered (12) optically pumped laser diodes measures and evaluates the laser output power and disconnects the electric power supply if an unacceptable laser power excess occurs. An Independent claim is also included for a solid state laser as above.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines diodengepumpten Festkörperlasers. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf einen mit diesem Verfahren betreibbaren diodengepumpten Festkörperlaser. The invention relates to a method for operating a diode-pumped solid-state laser. It also relates the invention to a operable with this method diode-pumped solid-state laser.

Bei der Bearbeitung eines Werkstückes mit Laserstrahlen kann es insbesondere bei nahezu (< 4°) senkrechter Inzidenz des Laserstrahls auf das Werkstück vorkommen, dass ein Teil der Laserleistung vom Werkstück reflektiert wird und sich in umgekehrter Richtung zurück zur Laserquelle ausbreitet. In einem solchen Fall findet eine Leistungsrückkopplung in den Resonator und in das laseraktive Medium statt. Abhängig vom Ausmaß der Rückkopplung und vom Aufbau des Lasersystems, d. h. der Gesamtheit der im Strahlengang des Laserstrahls befindlichen optischen Komponenten, kann es dazu kommen, dass der Laser Pulse abstrahlt, die in ihrer Spitzenleistung deutlich größer als die ursprüngliche Laserleistung sind. Die so erzeugten Leistungsspitzen (Superpulse) können insbesondere bei Hochleistungslasern mit hoher Strahlqualität und hoher Verstärkung Ausmaße erreichen, die zur Zerstörung von optischen Komponenten führen, die sich im Strahlengang befinden. Darüber hinaus können sie auch die Qualität der Materialbearbeitung ungünstig beeinflussen. When processing a workpiece with laser beams can it is particularly true with almost (<4 °) vertical incidence of Laser beam that occurs on the workpiece that is part of the Laser power is reflected from the workpiece and reflected in in the opposite direction back to the laser source. In one in such a case there is a feedback in the Resonator and in the laser active medium instead. Depending on the extent the feedback and the structure of the laser system, d. H. the Totality of those in the beam path of the laser beam optical components, it can happen that the laser Pulse emits that in their peak performance significantly larger than the original laser power are. The so generated Power peaks (superpulses) can be particularly at High power lasers with high beam quality and high amplification Reach dimensions that lead to the destruction of optical Guide components that are in the beam path. Furthermore They can also adversely affect the quality of the material processing influence.

Werden zur Materialbearbeitung polarisierte Laserstrahlen verwendet, ist es zur Vermeidung einer solch unerwünschten Rückkopplung bekannt, polarisationsselektive optische Elemente einzusetzen. In einer Vielzahl von Anwendungsfällen, insbesondere in Festkörperlasern, kommt aber unpolarisierte Laserstrahlung zum Einsatz, so dass polarisationsselektive optische Elemente zur Vermeidung einer solchen Rückkopplung nicht geeignet sind. Are polarized laser beams for material processing used, it is to avoid such undesirable Known feedback, polarization-selective optical elements use. In a variety of use cases, especially in solid-state lasers, but comes unpolarized Laser radiation is used, so that polarization-selective optical Elements to avoid such feedback are not are suitable.

Eine solche unerwünschte Rückkopplung tritt insbesondere bei Hochleistungs-cw-Festkörperlasern auf, deren Leistungsdichten und Strahlqualitäten inzwischen so hoch sind, dass die Rückreflektionen vom Werkstück durch Rückkopplung mit dem Resonator eine Zerstörung der zur Strahlführung verwendeten Laseroptiken sowie der Komponenten des Resonators hervorrufen kann. Besonders gefährdet sind die zur Strahlführung verwendeten Lichtleitfasern, deren Kerndurchmesser kleiner als etwa 400 µm ist, um die Strahlqualität des Laserstrahls aufrecht zu erhalten. Beim Auftreten solcher Leistungsspitzen kann es dann zur Zerstörung des Fasermaterials kommen. Such unwanted feedback occurs in particular High-performance cw solid-state lasers whose power densities and beam qualities are now so high that the Feedback from the workpiece through feedback with the Resonator destruction of the beam used Laser optics and the components of the resonator cause can. Those for beam guidance are particularly at risk used optical fibers, whose core diameter is less than about Is 400 µm to maintain the beam quality of the laser beam receive. When such peaks occur, it can destruction of the fiber material.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines diodengepumpten Festkörperlasers anzugeben, bei dem das Entstehen von schädlichen Leistungsspitzen durch Rückreflektion vom Werkstück vermieden ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen diodengepumpten Festkörperlaser anzugeben der mit einem solchen Verfahren betrieben werden kann. The invention is based on the object of a method for operating a diode-pumped solid-state laser specify where the emergence of harmful Peak performance due to back reflection from the workpiece is avoided. Moreover the invention is based on the object diode-pumped solid-state lasers indicate the use of such a method can be operated.

Die genannten Aufgaben werden gemäß der Erfindung jeweils gelöst mit einem Verfahren bzw. einem diodengepumpten Festkörperlaser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 9. The above objects are according to the invention solved with a method or a diode pumped Solid-state laser with the features of patent claims 1 and 9, respectively.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines diodengepumpten Festkörperlasers, der zumindest von einer oder mehrerer in Reihe geschalteten Laserdioden umfassenden Netz und von einem Netzteil mit elektrischer Leistung versorgten Laserdiodenanordnung optisch gepumpt wird, wird die Laserausgangsleistung des Festkörperlasers gemessen und ausgewertet und die der Laserdiodenanordnung vom Netzteil zugeführte elektrische Leistung abgeschaltet, wenn die Auswertung eine unzulässige Leistungsüberhöhung anzeigt. In the inventive method for operating a diode pumped solid state laser, at least one or several networks comprising laser diodes connected in series and supplied with electrical power by a power supply Laser diode array is pumped optically, the Laser output power of the solid-state laser measured and evaluated and that supplied to the laser diode arrangement by the power supply electrical power switched off when the evaluation a indicates impermissible excessive power.

Durch diese Maßnahme kann ein resonanzartiges Aufschwingen der Ausgangsleistung des Festkörperlasers über die Zerstörschwelle der im Strahlengang des Laserstrahls befindlichen optischen Komponenten sicher verhindert werden. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen elektronischen Abschaltung liegt auch darin, dass weiterhin übliche Netzteile verwendet werden können, die nur um eine entsprechende elektronische Schalteinheit sowie die zugehörige Steuerung ergänzt werden müssen, so dass auch bereits im Einsatz befindliche Lasersysteme entsprechend ergänzt werden können. This measure can cause a resonance-like oscillation Output power of the solid-state laser via the destruction threshold the optical located in the beam path of the laser beam Components can be prevented safely. A major advantage Such an electronic shutdown is also that usual power supplies can still be used only around a corresponding electronic switching unit as well the associated control system must be supplemented, so that too correspondingly already in use laser systems can be added.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die der Laserdiodenanordnung zugeführte elektrische Leistung durch Kurzschließen des Netzteils mit einem parallel zur Laserdiodenanordnung und zum Netzteil geschalteten steuerbaren elektronischen Schalter abgeschaltet. Da der schnelle elektronische Schalter parallel zu den Laserdioden geschaltet ist, sind die bei Verwendung eines seriell zu den Laserdioden geschalteten Schalter beim Abschalten einer Gleichspannung unvermeidlich an den Laserdioden auftretenden Überspannungen von vornherein vermieden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, einen seriell zu den Laserdioden geschalteten elektronischen Schalter einzusetzen. In diesem Fall muss aber durch geeignete Ableitnetzwerke, wie sie beispielsweise in der DE 197 23 835 A1 offenbart sind, für einen Abbau der Überspannungen gesorgt werden. In an advantageous embodiment of the method, the electrical power supplied to the laser diode arrangement Short circuit the power supply with a parallel to the Laser diode arrangement and controllable switched to the power supply electronic switch turned off. Because the fast electronic The switches are connected in parallel to the laser diodes when using a serially connected to the laser diodes Switch inevitable when switching off a DC voltage overvoltages that occur from the outset avoided. In principle, however, it is also possible to use one electronic switches connected in series with the laser diodes use. In this case, however, by appropriate Discharge networks, as described, for example, in DE 197 23 835 A1 are provided for a reduction of the overvoltages become.

Insbesondere wird die der Laserdiodenanordnung zugeführte elektrische Leistung abgeschaltet, wenn der gemessene Wert (Istwert) der Laserausgangsleistung einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet. Eine solche Überwachung ist schaltungstechnisch besonders einfach zu realisieren. In particular, the laser diode arrangement is supplied electrical power turned off when the measured value (Actual value) of the laser output power a predetermined Exceeds the maximum value. Such monitoring is Particularly easy to implement in terms of circuitry.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Frequenzspektrum des zeitlichen Verlaufs der Laserausgangsleistung erfasst, und aus Kenngrößen dieses Frequenzspektrums abgeleitet, ob eine unzulässige Leistungsüberhöhung vorliegt, wobei insbesondere die der Laserdiodenanordnung zugeführte elektrische Leistung abgeschaltet wird, wenn der Istwert der Amplitude des Spektrums bei einer vorgegebenen Frequenz einen Maximalwert überschreitet. Durch diese Maßnahme kann ein unzulässiges Aufschwingen der Laserausgangsleistung besonders frühzeitig und sicher erkannt werden. In a particularly advantageous embodiment of the method the frequency spectrum of the time course of the Laser output power recorded, and from parameters of this Frequency spectrum derived whether an impermissible excessive power is present, in particular that of the laser diode arrangement supplied electrical power is switched off when the Actual value of the amplitude of the spectrum at a given Frequency exceeds a maximum value. By this measure can cause an excessive swinging of the laser output power be recognized particularly early and safely.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die der Laserdiodenanordnung zugeführte elektrische Leistung nach deren Abschalten auf einen Wiedereinschalt-Sollwert gesteuert, der niedriger ist als der vor dem Abschalten eingestellte Arbeits-Sollwert. Dadurch wird verhindert, dass es unmittelbar nach dem Wiedereinschalten zu einer erneuten Rückkopplung und zu einem instabilen Betriebszustand (Ein-Aus- Schwingung) kommt. In a further advantageous embodiment of the invention becomes the electrical supplied to the laser diode arrangement Power after switching off to a restart setpoint controlled, which is lower than that before switching off set work setpoint. This prevents it immediately after switching on again Feedback and to an unstable operating state (on-off Vibration) comes.

Vorzugsweise wird der Sollwert für die der Laserdiodenanordnung zugeführte elektrische Leistung nach deren Abschalten innerhalb von wenigstens 5 ms stetig auf den vor dem Abschalten eingestellten Arbeits-Sollwert erhöht. Diese Zeit reicht aus, um einen instabilen Betriebszustandes nach dem Wiedereinschalten sicher zu vermeiden, ohne dabei den Arbeitsablauf bei der Werkstückbearbeitung in störender Weise zu unterbrechen. Preferably, the setpoint for the Electrical power supplied to the laser diode arrangement after it has been switched off steadily within at least 5 ms before switching off set work setpoint increased. This time is enough to an unstable operating state after Avoid restarting safely without changing the workflow at Interrupt workpiece processing in a disruptive manner.

In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird die der Laserdiodenanordnung zugeführte elektrische Leistung innerhalb von weniger als 1 µs auf einen unterhalb der Laserdioden- Schwellenleistung liegenden Wert reduziert. Dadurch kann ein unzulässiges Überschreiten der Zerstörungsschwelle sicher vermieden werden. In an advantageous embodiment of the method, the Laser diode array supplied electrical power within from less than 1 µs to one below the laser diode Threshold power value reduced. This can be a inadmissible exceeding the destruction threshold safely be avoided.

Der erfindungsgemäße diodengepumpte Festkörperlaser gemäß Patentanspruch 9 enthält eine Einrichtung zum Unterdrücken einer durch Rückkopplung verursachten Leistungsüberhöhung mit

a) zumindest einer mehrere in Reihe geschaltete Laserdioden umfassenden Laserdiodenanordnung zum optischen Pumpen des Festkörperlasers, die von einem Netzteil mit elektrischer Leistung versorgt wird,
b) einem in den Stromkreis des Netzteils geschalteten steuerbaren elektronischen Schalter zum Ein- und Ausschalten der der Laserdiodenanordnung zugeführten elektrischen Leistung,
c) einem Lichtempfänger zum Erfassen der Laserausgangsleistung des Festkörperlasers,
d) einer Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Auswerten des vom Lichtempfänger bereitgestellten Messsignals, die an einem Steuerausgang ein vom Ergebnis der Auswertung abhängiges Schaltsteuersignal für den steuerbaren elektronischen Schalter erzeugt.

The diode-pumped solid-state laser according to the invention contains a device for suppressing an excess power caused by feedback

a) at least one laser diode arrangement comprising a plurality of laser diodes connected in series for optically pumping the solid-state laser, which is supplied with electrical power by a power supply unit,
b) a controllable electronic switch connected to the circuit of the power pack for switching the electrical power supplied to the laser diode arrangement on and off,
c) a light receiver for detecting the laser output power of the solid-state laser,
d) a control and evaluation device for evaluating the measurement signal provided by the light receiver, which generates a switching control signal for the controllable electronic switch, which is dependent on the result of the evaluation, at a control output.

Die Vorteile der Maßnahmen der auf den diodengepumpten Festkörperlaser bezogenen Patentansprüche ergeben sich sinngemäß aus den ihnen jeweils entsprechenden Verfahrensansprüchen. The benefits of measures taken on the diode pumped Solid state laser related claims arise analogously from the corresponding procedural claims.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen To further explain the invention reference is made to the Reference examples of the drawing. Show it

Fig. 1 einen diodengepumpten Festkörperlaser gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung, Fig. 1 a diode-pumped solid-state laser according to the invention in a schematic principle representation,

Fig. 2 alternative Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen diodengepumpten Festkörperlasers ebenfalls in einer Prinzipdarstellung, Fig. 2 alternative embodiments of a diode-pumped solid-state laser according to the invention also in a schematic representation,

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Ausgangsleistung eines diodengepumpten Festkörperlasers gemäß der Erfindung beim Auftreten einer Rückkopplung gegen die Zeit aufgetragen ist, Fig. 3 is a diagram in which the output power is plotted of a diode-pumped solid-state laser according to the invention upon the occurrence of feedback versus time,

Fig. 4 ein Diagramm, in dem das Frequenzspektrum der Laserausgangsleistung eines Festkörperlasers gegen die Frequenz in Abwesenheit und in Anwesenheit einer Rückkopplung aufgetragen ist, Fig. 4 is a diagram in which the frequency spectrum of the laser output power is plotted against a solid state laser, the frequency in the absence and in the presence of a feedback,

Fig. 5-7 jeweils Diagramme, in denen das Schaltsteuersignal, das Leistungssteuersignal und das Netzteilsteuersignal in schematischen Prinzipdarstellungen jeweils gegen die Zeit aufgetragen sind. Fig. 5-7 each diagrams in which the switching control signal, the power control signal and the power supply control signal are plotted against the time in schematic principle representations.

Gem. Fig. 1 umfasst ein diodengepumpter Festkörperlaser ein laseraktives Medium 2, im Ausführungsbeispiel ein Nd : YAG-Stab, das sich innerhalb eines von einem Resonator-Endspiegel 4a und einem Resonator-Auskoppelspiegel 4b gebildeten Resonators 6befindet. Das laseraktive Medium 2 wird mit Hilfe einer Mehrzahl von Laserdiodenanordnungen 8 im Beispiel für einen 4-KW- cw-Laser bis zu 8 solcher Laserdiodenanordnungen, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nur eine dargestellt ist, optisch gepumpt. Jede Laserdiodenanordnung 8 besteht aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Laserdioden 10, denen jeweils von einem steuerbaren (Schalt-)Netzteil 12 die zu ihrem Betrieb erforderliche elektrische Leistung zugeführt wird. Durch die Laserdioden 10 fließt ein hoher Gleichstrom I, der im Bereich von etwa 50 A liegt. Die vom Netzteil 12 sekundärseitig bereitgestellte geglättete Gleichspannung U und damit die der Laserdiodenanordnung 8 zugeführte Leistung, d. h. die Höhe des durch die Laserdioden 10 fließenden Stromes I, wird über eine Steuer-und Auswerteeinrichtung 14 gesteuert, die ein entsprechendes Netzteil-Steuersignal S1 generiert. .. In the embodiment according Figure 1 comprises a diode-pumped solid state laser is a laser-active medium 2, a Nd: YAG rod, extending within one of a resonator end mirror 4a and a resonator output mirror is 4 resonator 6 b formed. The laser-active medium 2 is optically pumped with the aid of a plurality of laser diode arrangements 8 in the example for a 4 KW cw laser up to 8 such laser diode arrangements, of which only one is shown in the figure for reasons of clarity. Each laser diode arrangement 8 consists of a plurality of laser diodes 10 connected in series, each of which is supplied with the electrical power required for its operation by a controllable (switching) power supply 12 . A high direct current I, which is in the range of approximately 50 A, flows through the laser diodes 10 . The smoothed direct voltage U provided by the power supply 12 on the secondary side and thus the power supplied to the laser diode arrangement 8 , ie the level of the current I flowing through the laser diodes 10 , is controlled by a control and evaluation device 14 which generates a corresponding power supply control signal S1.

Im Strahlengang des aus dem Resonator 6 austretenden Laserstrahls LS ist ein teildurchlässiger Auskoppelspiegel 16 angeordnet, mit dem ein kleiner Teil LS_out des Laserstrahls LS ausgekoppelt wird. Der ausgekoppelte Laserstrahl LS_out trifft auf einen Lichtempfänger 18, beispielsweise eine schnelle Photodiode, die ein elektrisches Messsignal M generiert, das an die Steuer-und Auswerteeinrichtung 14 weitergeleitet und dort ausgewertet wird. Die Steuer-und Auswerteeinrichtung 14 enthält hierzu eine Auswerteeinheit 20, in der das Messsignal M dahingehend ausgewertet wird, ob eine durch Rückkopplung verursachte unzulässige Leistungsüberhöhung vorliegt oder nicht. Die Auswerteeinheit 20 generiert ein vom Ergebnis dieser Auswertung abhängiges Schalt-Steuersignal S2 für eine Treiberstufe 22, das einen auf der Sekundärseite des Netzteils 12 parallel zur Laserdiodenanordnung 8 und zum Ausgang des Netzteils 12 geschalteten schnellen steuerbaren elektronischen Schalter 24 steuert. A partially transparent coupling-out mirror 16 is arranged in the beam path of the laser beam LS emerging from the resonator 6 , with which a small part LS _{out of} the laser beam LS is coupled out. The outcoupled laser beam LS _out strikes a light receiver 18 , for example a fast photodiode, which generates an electrical measurement signal M, which is passed on to the control and evaluation device 14 and evaluated there. For this purpose, the control and evaluation device 14 contains an evaluation unit 20 , in which the measurement signal M is evaluated to determine whether there is an impermissible power increase caused by feedback or not. The evaluation unit 20 generates a switching control signal S2 for a driver stage 22 which is dependent on the result of this evaluation and which controls a fast controllable electronic switch 24 which is connected on the secondary side of the power supply 12 in parallel to the laser diode arrangement 8 and to the output of the power supply 12 .

Wird nun in der Auswerteeinheit 20 eine unzulässige Rückkopplung oder Leistungsüberhöhung festgestellt, wird das Schalt- Steuersignal S2 auf einen Wert gesetzt, der zu einem Schließen des steuerbaren elektronischen Schalters 24 führt. If an inadmissible feedback or excessive power is now determined in the evaluation unit 20 , the switching control signal S2 is set to a value which leads to the controllable electronic switch 24 being closed .

Bei dem steuerbaren elektronischen Schalter 24 handelt es sich um einen schnellen Hochleistungs-Mosfet mit einer Schaltzeit von vorzugsweise weniger als 100 ns. Eine solche kurze Schaltzeit ist erforderlich, um sicherzustellen, dass der durch die die Laserdioden 10 fließende Strom innerhalb eines Zeitraums auf unter die zu ihrem Laserbetrieb erforderlichen Schwellenstrom absinkt, der kleiner ist als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden, durch Rückkopplung entstehenden resonanzähnlichen Schwingungen mit anwachsender Amplitude, die annähernd 5 µs beträgt. Im konkreten Ausführungsbeispiel ist es durch Verwendung eines schnellen elektronischen Schalters 24 mit einer Schaltzeit von 50 ns möglich, den durch die Laserdioden 10 fließenden Strom I innerhalb von annähernd 0,5 µs auf einen Wert zu reduzieren, der unterhalb des für ihren Laserbetrieb erforderlichen Schwellenstroms liegt. The controllable electronic switch 24 is a fast, high-performance MOSFET with a switching time of preferably less than 100 ns. Such a short switching time is required to ensure that the current flowing through the laser diodes 10 falls within a period of time below the threshold current required for their laser operation, which is less than the time between two successive feedback-like resonance-like oscillations with increasing amplitude , which is approximately 5 µs. In the specific exemplary embodiment, by using a fast electronic switch 24 with a switching time of 50 ns, it is possible to reduce the current I flowing through the laser diodes 10 within approximately 0.5 μs to a value which is below the threshold current required for their laser operation ,

Zeitgleich mit dem Schalt-Steuersignal S2 wird von der Auswerteeinheit 20 ein Leistungs-Steuersignal S3 erzeugt, das an einen Sollwertgeber 26 weitergeleitet wird, der das Netzteil- Steuersignal S1 (Sollwertvorgabe) für das Netzteil 12 entsprechend einer von einer Leistungssteuereinheit 28 bereitgestellten Leistungsvorgabe P_soll bereitstellt. Coinciding with the switching control signal S2 is generated a power control signal S3 from the evaluation unit 20, which is passed to a reference value generator 26, the power supply control signal S1 (nominal value) of a provided by a power control unit 28 power setpoint P _set corresponding to the power supply 12 provides.

Das Leistungs-Steuersignal S3 bewirkt, dass bei Auftreten einer unzulässigen Leistungsübererhöhung der Sollwertgeber 26 das Netzteil-Steuersignal S1 (Sollwertvorgabe) auf einen Wert setzt, der die vom Netzteil 12 abgegebene Leistung gegenüber der vor dem Ausschalten abgegebenen, entsprechend einem Arbeits-Sollwert S1_Soll eingestellte Arbeits-Leistung verringert, vorzugsweise auf 0 setzt. The power control signal S3 causes the setpoint generator 26 to set the power supply control signal S1 (setpoint specification) to a value in the event of an inadmissible excessive power increase, which corresponds to the power output by the power supply unit 12 in relation to the output setpoint before switching off, corresponding to a work setpoint S1 _setpoint set work output reduced, preferably set to 0.

Durch einen im Sollwertgeber 26 implementierten Algorithmus wird nach einer vorgegebenen Auszeit t_off die Sollwertvorgabe für das Netzteil 12 innerhalb einer Anlaufzeit t_start wieder auf den ursprünglich eingestellten Arbeits-Sollwert S1_Soll gesteuert. By means of an algorithm implemented in the setpoint generator 26 , after a predetermined timeout t _off, the setpoint specification for the power supply unit 12 is controlled again to the originally set working setpoint S1 _set within a start-up time t _start .

Zusätzlich ist es auch noch von Vorteil, ein solches kurzfristiges Abschalten des Festkörperlasers zur Qualitätskontrolle durch geeignete Speicher- und Ausgabeeinrichtungen der Steuer- und Auswerteeinheit 14 zu dokumentieren. Außerdem kann vorgesehen sein, die Betriebsart des Lasers von cw-Betrieb auf Pulsbetrieb umzustellen, wenn ein dauerhaft instabiler Betriebszustand auftritt, d. h. wenn mehrmals hintereinander sofort nach dem Wiedereinschalten eine unzulässige Rückkopplung auftritt. In addition, it is also advantageous to document such a short-term shutdown of the solid-state laser for quality control by means of suitable storage and output devices of the control and evaluation unit 14 . Provision can also be made to change the operating mode of the laser from cw mode to pulse mode if a permanently unstable operating state occurs, ie if an impermissible feedback occurs several times in succession immediately after switching on again.

In der Ausführungsform gem. Fig. 2 sind gestrichelt alternative Anordnungen für den Lichtempfänger 18 eingezeichnet. Anstelle der in der Figur durchgezogen eingezeichneten reflexiven Anordnung des Lichtempfängers 18 ist es auch möglich, diesen hinter einem teildurchlässigen Spiegel 16' in transmissiver Anordnung zu positionieren. Alternativ hierzu ist es auch möglich, als Resonator-Endspiegel 4a einen teildurchlässigen Spiegel zu verwenden, so dass der Lichtempfänger 18 dahinter angeordnet werden kann. In the embodiment according to Fig. 2 in broken lines alternative arrangements are shown for the light receiver 18. Instead of the reflective arrangement of the light receiver 18 shown in solid line in the figure, it is also possible to position it behind a partially transparent mirror 16 'in a transmissive arrangement. As an alternative to this, it is also possible to use a partially transparent mirror as the resonator end mirror 4 a, so that the light receiver 18 can be arranged behind it.

In der Figur ist außerdem noch ein weiterer Lichtempfänger 30 dargestellt, der an den Sollwertgeber 26 angeschlossen ist, und eine Regelung der mit der Leistungssteuereinheit 28 eingestellten Laserausgangsleistung P_soll ermöglicht. In the figure, furthermore, a further light receiver 30 is shown, which is connected to the reference value generator 26, and a control of the set with the power control unit 28 allows the laser output power P _desired.

In Fig. 3 ist der der Laserausgangsleistung P proportionale Messwert M gegen die Zeit t in einer Situation aufgetragen, in der es zu einer Rückkopplung kommt. Der Figur ist zu entnehmen, dass es beim Auftreten einer solchen Rückkopplung zu einem resonanzartigen Aufschwingen der Laserausgangsleistung P kommt, wobei der zeitliche Abstand Δt zwischen zwei Impulsen etwa 5 µs entsprechend einer Schwingungsfrequenz f von etwa 200 kHz beträgt. Diese Schwingungsfrequenz f hängt dabei von der Auslegung des gesamten Lasersystems, d. h. vom Resonator als auch von der Verstärkung ab und muss für jedes Lasersystem experimentell bestimmt werden. Messungen haben nun ergeben, das bei einem Laser mit einer nominellen cw-Ausgangsleistung von 4 kW Riesenimpulse von mehr als 300 kW auftreten können. In Fig. 3 of the laser output power P is proportional measurement value M is against time t in a situation applied, in which there is a feedback. It can be seen from the figure that when such feedback occurs, the laser output power P resonates in a resonant manner, the time interval Δt between two pulses being approximately 5 μs, corresponding to an oscillation frequency f of approximately 200 kHz. This oscillation frequency f depends on the design of the entire laser system, ie on the resonator as well as on the amplification, and must be determined experimentally for each laser system. Measurements have now shown that a laser with a nominal cw output power of 4 kW can generate huge pulses of more than 300 kW.

Zum Erfassen des Auftretens einer solchen Leistungsüberhöhung ist es nun einerseits möglich, den vom Lichtempfänger 18 an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 14 weitergegebenen Messwert M betragsmäßig zu überwachen und das Schalt-Steuersignal und das Leistungs-Steuersignal S2 bzw. S3 dann auszulösen, wenn dieser Messwert M einen vorgegebenen Maximalwert M_max überschreitet, wie dies in der Figur zum Zeitpunkt t₀ veranschaulicht ist. To detect the occurrence of such a power increase, it is now possible, on the one hand, to monitor the measured value M passed on by the light receiver 18 to the control and evaluation device 14 and to trigger the switching control signal and the power control signal S2 or S3 when this measured value M exceeds a predetermined maximum value M _max , as is illustrated in the figure at time t ₀ .

Alternativ hierzu ist es auch möglich, das vom Lichtempfänger 18 an die Steuer-und Auswerteeinheit 14 weitergeleitete Messsignal M einer Frequenzanalyse zu unterziehen, um das Auftreten von Resonanzschwingungen, die sich im Ausführungsbeispiel durch einen erhöhten Anteil im Frequenzspektrum bei etwa 200 KHz und insbesondere der harmonischen Frequenzen bemerkbar machen, zu überwachen. Dadurch kann das Auftreten einer Rückkopplung sehr frühzeitig erkannt und durch Betätigen des steuerbaren elektronischen Schalters 24 unterdrückt werden. As an alternative to this, it is also possible to subject the measurement signal M forwarded by the light receiver 18 to the control and evaluation unit 14 to a frequency analysis in order to determine the occurrence of resonance vibrations, which in the exemplary embodiment are caused by an increased proportion in the frequency spectrum at approximately 200 kHz and in particular the harmonic Monitor frequencies. As a result, the occurrence of feedback can be recognized very early and suppressed by actuating the controllable electronic switch 24 .

Dies ist in Fig. 4 veranschaulicht, in der das Frequenzspektrum A(f) des Messsignals M gegen die Frequenz f für drei Zeitpunkte t = t₁, t = t₂, t = t₀ aufgetragen ist. In der Figur ist ein deutliches Maximum bei einer Frequenz f von rund 200 kHz zu erkennen. Überschreitet dessen Wert A_R,1, A_R,2 einen eingestellten Maximalwert A_max, so dient dies als Indiz für das Auftreten einer Rückkopplung. Dies ist in der Figur mit übertriebenem Abstand zum normalen Untergrund U dargestellt. This is illustrated in FIG. 4, in which the frequency spectrum A (f) of the measurement signal M is plotted against the frequency f for three times t = t ₁ , t = t ₂ , t = t ₀ . The figure shows a clear maximum at a frequency f of around 200 kHz. If its value A _{R, 1} , A _{R, 2} exceeds a set maximum value A _max , this serves as an indication of the occurrence of feedback. This is shown in the figure at an exaggerated distance from the normal underground U.

Wird ein solch unzulässiges Überschreiten bei einem Zeitpunkt t = t₀ festgestellt, wird gemäß Fig. 5 das Schalt-Steuersignal S2 für den elektronischen Schalter von "OFF" auf "ON" gesetzt und der Schalter für eine Auszeit toff des Lasers von etwa 1 ms geschlossen (= ON). Gleichzeitig damit wird gem. Fig. 6 das Leistungs-Steuersignal S3 generiert, das an den Sollwertgeber 26 weitergeleitet wird. Dieser setzt mittels eines im Sollwertgeber 26 implementierten Algorithmus das Netzteil- Steuersignal S1 auf einen Wiedereinschalt-Sollwert S1₀, der die vom Netzteil sekundärseitig abgegebene Leistung und damit die in der Fig. 7 gestrichelt eingezeichnete Laserausgangsleistung P auf einen Wert begrenzt, der niedriger ist als der vorher eingestellte Sollleistungswert P_soll. Nach der Ausschaltzeit t_off, innerhalb der die vom Festkörperlaser abgegebene Laserausgangsleistung P sicher auf 0 abgesunken ist, wird der elektronische Schalter 24 erneut geöffnet (S2 = "OFF") und das Netzteil-Steuersignal S1 allmählich auf den vorhergehenden Arbeits-Sollwert S1_Soll hochgefahren, so dass die ursprüngliche Laserausgangsleistung nach etwa 3 ms erneut zur Verfügung steht. Bezugszeichenliste 2 laseraktives Medium
4a Resonator - Endspiegel
4b Resonator - Auskoppelspiegel
6 Resonator
8 Laserdiodenanordnung
10 Laserdiode
12 Netzteil
14 Steuer- und Auswerteeinrichtung
16 Auskoppelspiegel
16' teildurchlässiger Spiegel
18 Lichtempfänger
20 Auswerteeinheit
22 Treiberstufe
24 elektronischer Schalter
26 Sollwertgeber
28 Leistungssteuereinheit
30 weiterer Lichtempfänger
I Gleitstrom
U Gleitspannung
LS Laserstrahl
LS_out ausgekoppelter Laserstrahl
M Messsignal
S1 Netzteil-Steuersignal
S2 Schalt-Steuersignal
S3 Leistungs-Steuersignal
t_off Auszeit
t_Start Anlauf Zeit
f Frequenz
A(f) Frequenzspektrum
S1₀ Wiedereinschalt-Sollwert
S1_Soll Arbeits-Sollwert
P_Soll Sollleistungswert
P Laserausgangsleistung
If such an impermissible exceeding is determined at a time t = t ₀ , the switching control signal S2 for the electronic switch is set from "OFF" to "ON" as shown in FIG. 5 and the switch for a laser time-out toff of approximately 1 ms closed (= ON). At the same time, according to Fig. 6, the power control signal S3 generated, which is forwarded to the desired value transducer 26. Using an algorithm implemented in the setpoint generator 26 , the latter sets the power supply control signal S1 to a reclosing setpoint S1 ₀ , which limits the power output by the power supply on the secondary side and thus the laser output power P shown in dashed lines in FIG. 7 to a value which is lower than the previously set target power value P _set. After the switch-off time t _off , within which the laser output power P emitted by the solid-state laser has safely dropped to 0, the electronic switch 24 is opened again (S2 = "OFF") and the power supply control signal S1 is gradually ramped up to the previous working setpoint S1 _target , so that the original laser output power is available again after about 3 ms. LIST OF REFERENCE NUMERALS 2 laser-active medium
4 a resonator end mirror
4 b Resonator decoupling mirror
6 resonator
8 laser diode arrangement
10 laser diode
12 power supply
14 control and evaluation device
16 decoupling mirror
16 'semi-transparent mirror
18 light receivers
20 evaluation unit
22 driver stage
24 electronic switches
26 setpoint adjuster
28 power control unit
30 additional light receivers
I sliding current
U sliding tension
LS laser beam
LS _out coupled laser beam
M measurement signal
S1 power supply control signal
S2 switching control signal
S3 power control signal
t _off time out
t _Start startup time
f frequency
A (f) frequency spectrum
S1 ₀ Restart setpoint
S1 _target work setpoint
P _Target power value
P laser output power

Claims

1. A method for operating a diode-pumped solid-state laser which is optically pumped by at least one laser diode arrangement ( 8 ) comprising a plurality of laser diodes ( 10 ) connected in series and which is supplied with electrical power by a power supply unit ( 12 ), in which the laser output power of the solid-state laser is measured and is evaluated and the electrical power supplied to the laser diode arrangement ( 8 ) by the power supply unit ( 12 ) is switched off if the evaluation results in an impermissible power increase.

2. The method of claim 1, wherein the Electrical power supplied to laser diode arrangement by short-circuiting the power supply with a parallel to the laser diode arrangement and controllable electronic switched to the power supply Switch is turned off.

3. The method according to claim 1 or 2, wherein the Electrical power supplied to the laser diode arrangement is switched off when the measured value of the laser output power exceeds a predetermined maximum value.

4. The method according to claim 1 or 2, wherein the Frequency spectrum of the time course of the laser output power recorded, and from parameters of this frequency spectrum it is deduced whether an impermissible increase in performance lies.

5. The method of claim 4, wherein the Electrical power supplied to the laser diode arrangement is switched off, if the actual value of the amplitude of the spectrum at a predetermined frequency exceeds a maximum value.

6. The method according to any one of the preceding claims, in which the electrical supplied to the laser diode arrangement Power after switching them off again Setpoint is controlled, which is lower than that before Switch off set work setpoint.

7. The method according to claim 6, wherein the setpoint for the Laser diode arrangement supplied electrical power after switching them off continuously within at least 5 ms the work setpoint set before switching off is increased.

8. The method according to any one of the preceding claims, in which the electrical supplied to the laser diode arrangement Performance within less than 1 µs to a below the Laser diode threshold power value reduced becomes.

9. Diode-pumped solid-state laser with a device for suppressing an excess power caused by feedback with

a) at least one laser diode arrangement comprising a plurality of laser diodes connected in series for optically pumping the solid-state laser, which is supplied with electrical power by a power supply unit,

b) a controllable electronic switch connected to the circuit of the power pack for switching the electrical power supplied to the laser diode arrangement on and off,

c) a light receiver for detecting the laser output power of the solid-state laser,

d) a control and evaluation device for evaluating the measurement signal provided by the light receiver, which generates a switching control signal for the controllable electronic switch, which is dependent on the result of the evaluation, at a control output.

10. A diode-pumped solid-state laser as claimed in claim 9, in which the controllable electronic switch parallel to the power supply and is connected to the laser diode arrangement.

11. A diode-pumped solid-state laser according to claim 10, the Control and evaluation device for generating the Switching control signal depending on the result of a comparison the actual value of the measurement signal with a predetermined Maximum value is provided.

12. Diode-pumped solid-state laser according to claim 10, the Control and evaluation device for analyzing the Frequency spectrum of the measurement signal and for generating the Switching control signal depending on the result of this analysis is provided.

13. Diode-pumped solid-state laser according to claim 12, the Control and evaluation device for comparing the Actual value of the amplitude of the spectrum of the measurement signal at a predetermined frequency with a for that frequency predetermined maximum value is provided.

14. Diode-pumped solid-state laser according to one of claims 9 to 13, whose power supply is controlled by a setpoint device is the electrical power output by the power supply depending on one of the control and evaluation unit provided power control signal controls.

15. A diode-pumped solid-state laser as claimed in claim 14, in which that of the laser diode arrangement when switched on again electrical power supplied compared to before switching off th supplied electrical power is reduced.