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Die
Erfindung betrifft einen Laser mit Q-Switch, insbesondere einen
Laser mit Q-Switch zum Erzeugen einer Laserwelle mit einer Peakform durch
Anlegen eines HF(Hochfrequenz)-Signals an einen Q-Switch und durch
Modulieren des HF-Signals.
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Herkömmlicherweise
werden Laser mit Q-Switch in weitem Umfang bei Präzisionsbearbeitungsvorgängen wie
dem Schneiden, Stanzen und Markieren eines Materials dadurch genutzt,
dass momentane Energie (Einheit J, Joule), die sich in einem optischen
Resonator angesammelt hat, als Laserlicht entnommen wird, das über eine
extrem hohe Spitzenleistung (Einheit W, Watt) verfügt, wozu
eine als Q-Switch bezeichnete optische Einrichtung verwendet wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 9 und 10 werden nun eine Konfiguration
und das Prinzip einer Ansteuereinheit bei einem herkömmlichen
Laser mit Q-Switch beschrieben. Die 9 ist
ein Blockdiagramm, das eine Grundkonfiguration der Ansteuereinheit
zum Ansteuern eines Q-Switchs bei einem herkömmli chen Laser mit Q-Switch
zeigt. Die 10 ist eine
veranschaulichende Zeichnung, die Signale repräsentiert, die die Ansteuereinheit
bildende Komponenten handhaben.
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Eine
Ansteuereinheit 30C besteht aus einem HF-Oszillator 31', einem Schaltimpulsgenerator 32' und einer HF-Modulationsschaltung 35'.
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Der
HF-Oszillator 31' schwingt
z. B. mit 40 MHz, um ein HF-Signal
zu erzeugen, wie es in der 10 dargestellt
ist. Das HF-Signal ist ein Signal zum Betreiben eines nicht dargestellten
Q-Switchs, damit der Q-Wert niedrig wird, wenn das HF-Signal in einen
optischen Resonator 20' eingegeben
wird. Der Schaltimpulsgenerator 32' erzeugt einen Schaltimpuls (Signal
SP in der 10) mit z.
B. einer Frequenz von 5 kHz. Die Wiederholfrequenz des Signals SP,
d. h. seine Periode, bestimmt die Wiederholperiode von Laserwellen 25a' mit Peakform,
wie sie vom optischen Resonator 20' ausgegeben werden. Die HF-Modulationsschaltung 35 moduliert
das HF-Signal entsprechend Perioden mit Pegeln L und H des Signals
SW, und sie erzeugt ein HF-Modulationssignal (10).
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Da,
wenn das HF-Modulationssignal (10)
in den nicht dargestellten Q-Switch innerhalb des optischen Resonators 20' eingegeben
wird, die Resonatorverluste zunehmen (der Q-Wert wird niedrig), wenn das HF-Modulationssignal
EIN ist, wird stimulierte Emission innerhalb des optischen Resonators 20' unterdrückt, wodurch
es zu einem Stoppen der Erzeugung der Laserschwingung kommt. Wenn
das HF-Modulationssignal AUS ist, nehmen die Resonatorverluste ab
(der Q-Wert wird hoch). Nachdem eine konstante Verzögerungszeit τ auf dem
Wechsel des HF-Modulationssignals von AUS auf EIN verstrichen ist,
werden die Laserwellen 25a' mit
Peakform als kontinuierlicher Laserimpuls ausgegeben (siehe z. B.
die Absätze
20 bis 100 und die 4, 10 und 11 in
JP-A-2000-101176 und die Absätze
2 bis 6 und die 6 in
JP-A-2002-359422).
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Jedoch
werden beim herkömmlichen,
so beschriebenen Laser mit Q-Switch das HF-Signal und das Signal
SP vom HF-Oszillator 31' bzw.
vom Schaltimpulsgenerator 32' erzeugt,
und sie sind unabhängige
Signale. Daher stimmt, wie es in den vergrößerten Teilzeichnungen (a),
(b) und (c) der 10 dargestellt
ist, eine jeweilige Phase des HF-Modulationssignals zu dessen Anstiegszeitpunkt
auf den Pegel H mit keinerlei Phase überein. Demgemäß hat der
Signalverlauf zum Zeitpunkt, zu dem das HF-Modulationssignal auf
AUS wechselt (der Q-Wert wechselt von einem niedrigen auf einen
hohen Wert) instabile Form. Demgemäß, nämlich wegen Identität des Signalverlaufs
in einem Endabschnitt der EIN-Periode des HF-Modulationssignals
tritt ein Effekt dahingehend auf, dass nicht auch in den vom optischen Resonator 20' emittierten
Laserwellen 25a Identität erhalten
bleibt. So wird, da die Phasen des HF-Signals und des Signals SP, die die
Grundlage zur Erzeugung des HF-Modulationssignals bilden, nicht synchron
sind, die Identität
der Laserwellen 25a' nicht
aufrecht erhalten, der Jitter nimmt zu und daher ergeben sich Schwankungen
für die
Spitzenleistung und die Energie. Beim Verwenden eines derartigen gepulsten
Lasers, z. B. einer Markier- und Feinstbearbeitung, tritt ein Problem
dahingehend auf, dass keine vorbestimmte Form aufrecht erhalten
werden kann.
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Andererseits
ist, wie bei der Erfindung gemäß JP-A-2001-7429, für ein derartiges
Problem ein Verfahren zum Ausrichten der Phase des HF-Signals mit
der Ansteigeposition eines diesen Lasern mit Q-Switch zugeführten Triggerimpulses
vorgeschlagen. Da jedoch in diesem Dokument keine konkrete Schaltung
zum Steuern der AUS-Phase des HF-Signals vorgeschlagen ist, eine
Impulslasersteuerung durch ein Torsignal für ein Laserausgangssignal erforderlich
ist und der Impulsabstand eines gepulsten Lasers nicht fixiert ist,
wird davon ausgegangen, dass eine zugehörige Realisierung nicht einfach
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser mit Q-Switch ohne Jitter
mit stabilem Ausgangssignal zu schaffen, der über eine einfache Schaltung
verfügt,
um die Phase des HF-Signals mit der des Signals SP zum Modulieren
des HF-Signals zu synchronisieren.
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Diese
Aufgabe ist durch den Laser mit Q-Switch gemäß dem beigefügten Anspruch
1 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Laser
mit Q-Switch wird das HF-Signal durch eine HF-Modulationseinrichtung
in das HF-Modulationssignal gewandelt, das entsprechend dem Pegel
L oder H des Phasensynchronisierimpulses (Signal CP (Clock Pulse
= Taktimpuls)) moduliert ist. Wenn das HF-Modulationssignal in den
Q-Switch eingegeben wird, wird dadurch der Q-Wert des optischen
Resonators, entsprechend dem HF-Modulationssignal, auf den hohen
oder den niedrigen Wert geändert.
Außerdem
ist davon auszugehen, dass dann, wenn der Phasensynchronisierimpuls
(Signal CP) den Pegel H einnimmt, die Schwingung des HF-Signals
stoppt, der Q-Wert des optischen Resonators den hohen Wert einnimmt,
und dadurch der gepulste Laser sein Ausgangssignal ausgibt.
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Die
Phase des Phasensynchronisierimpulses (Signal CP) wird durch die
Impulssynchronisiereinrichtung mit der des HF-Signals synchronisiert. Daher
wird zum Zeitpunkt, zu dem der Q-Wert
vom niedrigen auf den hohen Wert wechselt, d. h. zum Zeitpunkt,
zu dem der Schaltimpulse vom Pegel L auf den Pegel H ansteigt, die
Phasen des HF-Modulationssignals zu allen diesen Zeitpunkten dieselbe.
So ist in einer Laserwelle mit Peakform mit derselben Periode wie
der Wiederholperiode des Schaltimpulses der Jitter gelindert, und
es wird eine Laserwelle vom optischen Resonator ausgegeben.
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Hierbei
ist der Q-Wert durch Q = 2π/G·(L/λ) gegeben,
wobei G die Verluste sind, L die Länge eines Abschnitts ist, in
dem Licht innerhalb eines optischen Resonators hin- und herläuft, und λ die Wellenlänge ist.
Obwohl dann, wenn der Q-Wert
klein gemacht wird, die Bewegung eines innerhalb des optischen Resonators
hin- und herlaufenden Photons gehemmt ist, die Verluste des optischen
Resonators erhöht
sind und eine Laserschwingung unterdrückt wird, nimmt die Besetzungs-Umkehrverteilung
von Elektronen zu. Wenn die Besetzungs-Umkehrverteilung von Elektronen
zunimmt und die Anregungsenergie in einen Sättigungszustand gelangt, wechselt der
Q-Wert drastisch auf den hohen Wert, und es wird eine Laserwelle
mit einer Peakform ausgegeben, deren Leistung groß ist. Hierbei ändert sich
dadurch, dass das HF-Modulationssignal in den Q-Switch eingegeben
wird, der G-Wert (Verluste) des optischen Resonators auf periodische
Weise, wodurch ein Wechsel zwischen dem niedrigen und dem hohen
Q-Wert mit konstanter Periode wiederholt wird (dies entspricht der
Periode des Schaltimpulses).
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Ferner
besteht eine zweite Erscheinungsform eines erfindungsgemäßen Lasers
mit Q-Switch darin, dass der Laser mit Q-Switch gemäß der obigen Erscheinungsform
zusätzlich
so konfiguriert ist, dass der Phasensynchronisierimpuls eingegeben
wird, eine Impulsbreiten-Modulationseinrichtung zum neuen Ausgeben
eines Breite-Modulationsimpulses, dessen Impulsbreite dadurch zu
einer vorbestimmten Periode gemacht ist, dass der Impulsanstiegszeitpunkt
zu einem Basispunkt gemacht wird, vorhanden ist und dass die HF-Modulationseinrichtung
den Breitemodulationsimpuls anstelle des Phasensynchronisierimpulses
als Eingangsimpuls erhält.
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Gemäß dieser
Konfiguration kann die Periode, mit der der Q- Wert des optischen Resonators den hohen
Wert erhält,
dadurch wahlfrei eingestellt werden, dass die Impulsbreite tw des Breitemodulationsimpulses frei eingestellt
wird. Wenn als Impulsbreite-Modulationseinrichtung ein Mehrzweck-IC
wie z. B. ein monostabiler Multivibrator verwendet wird, kann sie
billig und einfach realisiert werden. Ferner kann, wenn die Zeit τ diejenige
Zeit ist, bis eine Laserwelle ausgegeben wird, nachdem der Q-Wert
des optischen Resonators von Niedrig auf Hoch geändert wurde, der Q-Wert des
optischen Resonators dadurch nach Ausgabe einer Laserwelle momentan
auf den niedrigen Wert geändert
werden, wenn die Impulsbreite tw etwas größer als τ eingestellt
wird. So kann, da nach Ausgabe der Laserwelle eine Periode verkürzt werden
kann, bis die Anregungsenergie in den Sättigungszustand gelangt, die
Wiederholperiode verkürzt
werden, wenn die Laserwelle durch Erhöhen der Frequenz eines Schaltimpulses
ausgegeben wird.
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Noch
ferner ist eine dritte Erscheinungsform eines erfindungsgemäßen Lasers
mit Q-Switch als Weiterbildung des zunächst genannten erfindungsgemäßen Lasers
so konfiguriert, dass der Phasensynchronisierimpuls eingegeben wird;
eine Rücksetzeinrichtung
zum Rücksetzen
des Ausgangssignals der Impulssynchronisiereinrichtung auf den Pegel
L mit dem Timing einer vorbestimmten verstrichenen Periode dadurch,
dass das Timing des Phasensynchronisierimpulses, der auf den Pegel
H angestiegen ist, zum Basispunkt gemacht wird, vorhanden ist und
die HF-Modulationseinrichtung einen Breitemodulationsimpuls als
Eingangssignal erhält,
wobei die Impulsbreite des Phasensynchronisierimpulses auf eine
vorbestimmte Periode eingestellt wird, anstatt dass der Phasensynchronisierimpuls
eingegeben würde.
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Bei
dieser Konfiguration wird nach dem Wechsel vom Pegel L auf den Pegel
H der von der Impulssynchronisiereinrichtung ausgegebene Phasensynchronisierimpuls
erneut durch die Rücksetzeinrichtung
auf den Pegel L zurückgesetzt,
nachdem eine eingestellte Zeit (Impulsbreite) tw verstrichen ist. Demgemäß kann die
Impulsbreite tw des Breitemodulationsimpulses
innerhalb eines Bereichs frei eingestellt werden, in dem die Impulsbreite
eines Schaltimpulses nicht überschritten
wird, und wie bei der zweiten Erscheinungsform der Erfindung kann
die Periode frei eingestellt werden, mit der der Q-Wert eines optischen
Resonators seinen hohen Wert einnimmt.
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Noch
ferner ist eine vierte Erscheinungsform eines erfindungsgemäßen Lasers
mit Q-Switch, der bei jeder der vorstehend genannten Erscheinungsformen
1 bis 3 angewandt werden kann, so konfiguriert, dass das HF-Modulationssignal
eingegeben wird; eine Signalabtrenn-Schaltungseinrichtung zum Ausgeben
des HF-Modulationssignals an den Q-Switch und auch an die Impulssynchronisiereinrichtung
vorhanden ist; und die Impulssynchronisiereinrichtung den Phasensynchronisierimpuls
anstelle des HF-Signals auf Grundlage des HF-Modulationssignals
ausgibt.
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Gemäß dieser
Konfiguration wird das Timing, gemäß dem das HF-Modulationssignal
auf AUS gebracht wird, sicher mit der Phase des Phasensynchronisierimpulses
synchronisiert.
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Noch
ferner ist eine fünfte
Erscheinungsform eines erfindungsgemäßen Lasers mit Q-Switch, die bei
den vorstehend genannten Erscheinungsformen 1 bis 4 anwendbar ist,
so konfiguriert, dass eine Frequenzteilereinrichtung vorhanden ist,
die das HF-Signal als Eingangssignal erhält und dieses an die HF-Synchronisiereinrichtung
und auch an die Impulssynchronisiereinrichtung ausgibt.
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Gemäß dieser
Konfiguration wird ein Schaltimpuls dort in einen Phasensynchronisierimpuls
gewandelt, wo der Anstiegs zeitpunkt des Schaltimpulses synchron
zur Phase des HF-Signals verläuft, dessen
Frequenz durch die Frequenzteilereinrichtung unmittelbar nach der
Ausgabe aus der HF-Oszillatoreinrichtung geteilt wird, und es wird
von der Impulssynchronisiereinrichtung ausgegeben.
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Außerdem ist
eine sechste Erscheinungsform eines erfindungsgemäßen Lasers
mit Q-Switch, die bei jeder der vorigen Erscheinungsformen anwendbar
ist, so konfiguriert, dass die Impulssynchronisiereinrichtung durch
ein D-Flipflop gebildet ist.
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Bei
dieser Konfiguration ist die Impulssynchronisiereinrichtung mit
einem D-Flipflop konfiguriert, das als Mehrzweck-IC im Handel ist,
wodurch die Impulssynchronisiereinrichtung billig und einfach realisiert
werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten
Ausführungsformen
näher erläutert.
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1 ist ein Blockdiagramm,
das eine Grundkonfiguration einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasers
mit Q-Switch zeigt.
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2 ist eine Darstellung von
Signalen, wie sie von Komponenten gehandhabt werden, die eine Ansteuereinheit
bei einem erfindungsgemäßen Laser mit
Q-Switch aufbauen.
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3 ist ein Blockdiagramm,
das die Grundkonfiguration einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasers
mit Q-Switch zeigt.
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4A-1 bis 4A-3 entsprechen jeweils einem Kurvenbild
mit dem Signalverlauf vor/nach einem Ein/Aus-Umschalten eines HF-Modulationssignals
bei der Erfindung; 4B-1 bis 4B3 entsprechen jeweils einem
Kurvenbild mit dem Signalverlauf vor/nach einem Ein/Aus-Umschalten
eines HF-Modulationssignals bei einem herkömmlichen Beispiel.
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5A ist ein Kurvenbild zusammengesetzter
Signalverläufe
für einen
Zustand einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Lasers
mit Q-Switch, wobei eine Ausrichtung entlang der Zeitachse vorliegt
und mehrere HF-Modulationssignale einander überlappen; 5B ist eine der 5A entsprechende Darstellung, jedoch
für ein
herkömmliches
Beispiel.
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6A ist ein Kurvenbild, gemäß dem eine Laserwelle
eines Ausgangslaserimpulses einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasers
mit Q-Switch überschrieben
wird; 6B ist ein der 6A entsprechendes Kurvenbild
für ein
herkömmliches
Beispiel.
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7A ist ein Frequenzverteilungs-Kurvenbild
für die
Spitzenleistung bei einer Laserwelle von einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Lasers
mit Q-Switch; 7B ist
ein der 7A entsprechendes
Kurvenbild, jedoch für
ein herkömmliches
Beispiel.
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8A und 8B entsprechen den 7A bzw. 7B,
wobei jedoch nicht Werte für
die Spitzenleistung sondern solche für die Impulsenergie aufgezeichnet
sind.
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9 ist ein Blockdiagramm,
das die Grundkonfiguration einer Treiberschaltung bei einem herkömmlichen
Laser mit Q-Switch
zeigt.
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10 ist eine Darstellung
von Signalen, wie sie von Komponenten gehandhabt werden, die eine Ansteuereinheit
bei einem herkömmlichen
Laser mit Q-Switch aufbauen.
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Nun
werden Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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Nachfolgend
wird eine erste Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
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Ein
Laser 10 mit Q-Switch verfügt über einen optischen Resonator 20 und
eine Ansteuereinheit 30A. Der optische Resonator 20 verfügt über ein Festkörperlasermedium 21,
einen Ausgangsspiegel 22, einen Totalreflexionsspiegel 23 und
einen Q-Switch 24, und er gibt einen Laserimpuls 25 aus. Außerdem ist,
was jedoch nicht dargestellt ist, in einigen Fällen ein nichtlinearer optischer
Kristall zum Wandeln der Laserwellenlänge innerhalb oder außerhalb
des optischen Resonators 20 angeordnet.
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Das
Festkörperlasermedium 21 ist
ein zylindrischer Laserstab aus YAG:Nd, YVO4:Nd
und dergleichen als Lasermedium. Wenn eine in der Nähe der Seite
des Laserstabs angeordnete Anregungslichtquelle (nicht dargestellt)
leuchtet, wird das Festkörperlasermedium 21 angeregt,
wobei sich Anregungsenergie ansammelt und Fluoreszenzstrahlung emittiert.
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Beim
Ausgangsspiegel 22 ist als Substrat Quarz oder ein Hartglas
verwendet, dessen Oberflächengenauigkeit
und Oberflächenrauigkeit
ein Zehntel der Wellenlänge
des abgestrahlten Lichts bzw. ein Hundertstel der Oberflächengenauigkeit
betragen; außerdem
ist auf einer Fläche
des Substrats ein mehrschichtiger Reflexionsfilm ausgebildet. Wenn das
Reflexionsvermögen
des Ausgangsspiegels 22 den Wert R hat, ist die Leistung
des reflektierten Lichts und des durchdringenden Lichts zum R-fachen bzw.
zum (1-R)-fachen gemacht. D. h., dass die Reflexion R sich um so
mehr an 1 annähert, je
größer die
Schichtzahl des Reflexionsfilms ist, wodurch die Leistung des durchlaufenden
Lichts abnimmt.
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Der
Totalreflexionsspiegel 23 stellt einen Gegenstand dar,
bei dem der Reflexionsspiegel mit mehr Schichten als beim Ausgangsspiegel 22 ausgebildet
ist und das Reflexionsvermögen
R den Wert 1 hat. Daher führt
die durch das Festkörperlasermedium 21 erzeugte
und durch den Q-Switch 24 gestrahlte Fluoreszenz dazu,
dass ein Totalreflexionszustand erreicht wird, bei dem die Fluoreszenzstrahlung
zu nahezu 100 % durch den Totalreflexionsspiegel 23 reflektiert
wird.
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Obwohl
der Q-Switch 24 den Q-Wert des optischen Resonators 20 von
Niedrig auf Hoch und umgekehrt wechselt und obwohl verschiedene
Typen für ihn
denkbar sind, wird hier davon ausgegangen, dass er als akustooptisches
Element unter Verwendung von Ultraschall-bedingter Bragg-Beugung
konfiguriert ist. Der Q-Switch 24 verfügt über ein Eintrittsfenster 24a aus
Quarzglas, und wenn sich der durch ein nicht dargestelltes piezoelektrisches
Element erzeugte Ultraschall zum Eintrittsfenster 24a ausbreitet,
tritt eine periodische Brechungsindexverteilung auf. In einem Zustand,
in dem keine Brechungsindexverteilung vorliegt, erreicht vom Festkörperlasermedium 21 emittierte
Fluoreszenzstrahlung den Totalreflexionsspiegel 23 unter
Durchdringung des Eintrittsfensters 24a, jedoch wird in
einem Zustand, in dem eine Brechungsindexverteilung vorliegt, die
Fluoreszenzstrahlung gebeugt, und sie kann das Eintrittsfenster 24a nicht
durchdringen. Das nicht dargestellte piezoelektrische Element erzeugt
durch den Piezoeffekt Ultraschall, wenn ein Sinussignal mit vorbestimmter
Frequenz in den Q-Switch 24 eingegeben wird. Demgemäß kann durch
Eingeben eines Sinussignals (später
beschriebenes HF-Signal) in den Q-Switch 24, nachdem es moduliert
wurde, der Q-Wert des optischen Resonators 20 auf den niedrigen
oder den hohen Wert, entsprechend dem Modulations signal, geändert werden.
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Beim
so konfigurierten optischen Resonator 20 wird als Erstes,
wenn ein HF-Modulationssignal in den Q-Switch 24 eingegeben
wird, die vom Festkörperlasermedium 21 emittierte
Fluoreszenzstrahlung am Einlassfenster 24a gebeugt, wodurch
der Q-Wert des optischen Resonators 20 abnimmt (den niedrigen
Wert erreicht) und die Laserschwingung stoppt. Während dieser Zeit wird, da
die Anregung des Festkörperlasermediums
weiterhin erfolgt, die Besetzungsumkehrungsverteilung hoch, wodurch
die im Inneren angesammelte Anregungsenergie zunimmt. Als Nächstes startet
die Laserschwingung, wenn das in den Q-Switch 24 eingegebene
HF-Modulationssignal in den Zustand AUS gelangt und sich der Q-Wert des
optischen Resonators 20 erholt (den hohen Wert einnimmt).
D. h., dass dann, wenn die vom Festkörperlasermedium 21 emittierte
Fluoreszenzstrahlung innerhalb desselben hin- und herläuft, wobei
sie zwischen dem aus dem Ausgangsspiegel 22 und dem Totalreflexionsspiegel 23 gebildeten
Spiegelpaar reflektiert wird, innerhalb kurzer Zeit durch stimulierte Emission
ein Übergang
von einem hohen Energieniveau auf ein niedriges folgt. Daher, da
nämlich
angesammelte Anregungsenergie innerhalb kurzer Zeit vom Festkörperlasermedium 21 emittiert
wird, werden Laserwellen 25a (2), deren Peakform extrem hoch ist, vom
Ausgangsspiegel 22 im optischen Resonator 20 ausgegeben.
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Die
Ansteuereinheit 30A verfügt über einen HF-Oszillator (HF-Oszillatoreinrichtung) 31,
einen Schaltimpulsgenerator (Schaltimpuls-Erzeugungseinrichtung) 32,
eine Impulssynchronisierschaltung (Impulssynchronisiereinrichtung) 33,
eine Impulsbreite-Modulationsschaltung (Impulsbreite-Modulationseinrichtung) 34,
eine HF-Modulationsschaltung (HF-Modulationseinrichtung) 35,
eine Signalaufteilschaltung (Signalabtrenneinrichtung) 36 und
eine Impulsformungsschaltung 38; sie ist über ein
Signalkabel 37 mit dem optischen Resonator 20 verbunden und
führt eine
Ansteuerung des Q-Switchs 24 aus. Außerdem ist es, wie es später beschrieben
wird, möglich,
in geeigneter Weise zwischen dem HF-Oszillator 31 und der
HF-Modulationsschaltung 35 eine Frequenzteilerschaltung
(Frequenzteilereinrichtung) 39 anzubringen.
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Der
HF-Oszillator 31 erzeugt das HF-Signal (siehe die 2), das dafür sorgt,
dass der Q-Wert des optischen Resonators 20 niedrig ist,
wenn es in den Q-Switch 24 eingegeben wird, wobei hier
davon ausgegangen wird, dass das HF-Signal eine Frequenz von 40
MHz aufweist. Außerdem
ist, wie in der 3, die
Frequenzteilerschaltung 39 ignoriert, und das HF-Signal
ist in einem Zustand dargestellt, in dem es direkt an die HF-Modulationsschaltung 35 geliefert
wird.
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Der
Schaltimpulsgenerator 32 (siehe die 1) spezifiziert die Wiederholperiode
des vom optischen Resonator 20 emittierten Laserimpulses 25, und
er erzeugt einen Schaltimpuls (Signal SP in der 2), dessen Frequenz niedriger als die
des HF-Signals ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass das Signal
SP eine Frequenz von 5 kHz aufweist.
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Die
Impulssynchronisierschaltung 33 (siehe die 1) verfügt über einen D-Anschluss und einen CK-Anschluss
als Eingangsanschlüsse
sowie einen Q-Anschluss als Ausgangsanschluss. Wenn ein am D-Anschluss
eingegebenes Signal vom Pegel L auf den Pegel H wechselt und ein
am CK-Anschluss eingegebenes Signal ebenfalls vom Pegel L auf den
Pegel H wechselt, ist der Eingangswert (Pegel H) am D-Anschluss
der Ausgangswert vom Q-Anschluss. Im Ausgangswert ändert sich
selbst dann, wenn sich der am CK-Anschluss eingegebene Eingangswert ändert, der
Ausgangspegel am Q-Anschluss nicht, während der Eingangspegel am
D-Anschluss aufrecht erhalten wird. Nachdem der am D-Anschluss eingegebene
Signalpegel vom Pegel L auf den Pegel H gewechselt hat, wird der
Ausgangspegel am Q-Anschluss zum Zeitpunkt, zu dem das am CK-Anschluss
eingegebene Signal vom Pegel L auf den Pegel H wechselt, der Pegel
L. So ist die Impulssynchronisierschaltung 33 als D(Delay
= Verzögerungs)-Flipflop
konfiguriert, so dass sie eine billige Schaltung bildet.
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In
der Impulssynchronisierschaltung 33 (siehe die 1) wird das Signal SP am
D-Anschluss eingegeben, ein später
beschriebenes Signal RFP wird am CK-Anschluss eingegeben, und am
Q-Anschluss wird ein Phasensynchronisierimpuls (Signal CP) ausgegeben.
Als Erstes wechselt selbst dann, wenn das eingegebene Signal SP
(siehe die 2) vom Pegel
L auf den Pegel H wechselt, das Signal CP nicht unmittelbar vom
Pegel L auf den Pegel H. D. h., dass das Signal CP synchron mit
dem Timing vom Pegel L auf den Pegel H wechselt, mit dem das am CK-Anschluss
eingegebene Signal RFP vom Pegel L auf den Pegel H wechselt. Während das
Signal SP den Pegel H beibehält,
behält
auch das Signal CP den Pegel H bei. Als Nächstes wechselt selbst dann, wenn
das Signal SP vom Pegel H auf den Pegel L wechselt, das Signal CP
nicht unmittelbar vom Pegel H auf den Pegel L, und dann wechselt
das Signal CP synchron mit dem Wechsel des Signals RFP vom Pegel
L auf den Pegel H auf den Pegel L.
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Wie
beschrieben, ist die Phase eines ansteigenden Abschnitts (L → H) und
eines abfallenden Abschnitts (H → L)
eines Impulses des Signals CP mit der eines ansteigenden Abschnitts
(L → H)
des Signals RFP durch die Wirkung der Impulssynchronisierschaltung 33 ausgerichtet,
und es erfolgt Ausgabe des Signals am Q-Anschluss. So ist der ansteigende Abschnitt
des Signals CP mit der Phase des Signals RFP synchronisiert, und
daher ist der Zeitpunkt, zu dem der Q-Switch 24 den Q-Wert
vom niedrigen auf den hohen Wert umschaltet, mit der Phase des Signals
RFP synchronisiert, was zum Effekt führt, dass der Jitter von Ausgangslaserwellen 25a (siehe
die 2) verringert ist.
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Das
Signal CP wird in die Impulssynchronisierschaltung 34 (siehe
die 1) eingegeben, und diese
stellt den abfallenden Abschnitt des Impulses im Signal CP (siehe
die 2) ein, und sie
gibt einen auf die vorbestimmte Impulsbreite tw modulierten Breitemodulationsimpuls
(Signal WMP (Width Modulation Pulse)) aus. Hierbei ist die Impulssynchronisierschaltung 34 z.
B. ein monostabiler Multivibrator. Durch die Impulssynchronisierschaltung 34 kann
die AUS-Periode, in der der Q-Wert zum hohen Wert gemacht ist, unabhängig von
der Impulsbreite des Signals FP wahlfrei eingestellt werden. Wenn
eine Verzögerungszeit τ ab dem Wechsel
des HF-Modulationssignals von EIN auf AUS bis zur Peakform der Laserwellen 25a den
Wert τ hat,
stellt die AUS-Periode die Impulsbreite tw so
ein, dass sie geringfügig
größer als
die Verzögerungszeit τ ist, und
die Ausgangsfrequenz des Signals SP wird so geändert, dass die EIN-Periode
zu einer erforderlichen und ausreichenden Periode wird, wenn die
Anregungsenergie in den Sättigungszustand
gelangt, wodurch der Periodenabstand betreffend die Ausgabe der
Laserwellen 25a verkürzt
werden kann. So kann der vom optischen Resonator 20 ausgegebene
Laserimpuls 25 eine hohe Energie einnehmen.
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In
die HF-Modulationsschaltung 35 (siehe die 1) werden das Signal WMP und das HF-Signal
eingegeben, und sie gibt das HF-Modulationssignal (siehe die 2) entsprechend dem Pegel
H oder dem Pegel L des Signals WMP aus. Dadurch, dass das HF-Modulationssignal
in den Q-Switch eingegeben wird, macht es den Q-Wert des optischen Resonators 20 entsprechend
seiner AUS-Periode zum hohen Wert und entsprechend seiner EIN-Periode
zum niedrigen Wert. Außerdem
liegt der Änderungszeitpunkt
von der EIN- auf die AUS-Periode des HF-Modulationssignals beim
ansteigenden Abschnitt des Signals WMP synchron zur Phase des HF-Signals,
weswegen die Phase des HF-Modulationssignals in jedem Fall ausgerichtet
ist (siehe die teilvergrößerten Zeichnungen
(a) bis (c) in der 2).
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Die
Signalaufteilschaltung 36 (siehe die 1) ist zwischen der HF-Modulationsschaltung 35 und
dem Q-Switch 24 vorhanden, und sie trennt das HF-Modulationssignal
in ein an den Q-Switch 24 ausgegebenes Signal und ein Signal
zum Ausführen
einer Rückkopplung
an die Impulssynchronisierschaltung 33 auf.
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Das
Signalkabel 37 verbindet den Ausgangsanschluss der Signalaufteilschaltung 36 mit
einem Eingangsende des Q-Switchs 24, und es verfügt über einen
Widerstandswert von 50 Ω.
So passen das Signalkabel 37 und die Eingangs/Ausgangs-Anschlüsse von
50 H zueinander, so dass das Kabel die Funktion hat, die Reflexion
eines Signals hoher Frequenz zu verhindern. Außerdem kann das Signalkabel 37 dadurch,
dass das Eingangs/Ausgangs-Dämpfungsverhältnis ausreichend
groß gemacht
wird, Verluste im Signalfluss auf einen kleineren Wert herabdrücken, und
es kann auch den Einfluss von Störsignalen
herabdrücken,
wodurch ein stabiles Laserausgangssignal erzielt werden kann.
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Die
Impulsformungsschaltung 38 ist zwischen der Signalaufteilschaltung 36 und
der Impulssynchronisierschaltung 33 vorhanden, und sie
hat die Funktion des Formens des HF-Modulationssignals, das von
der Signalaufteilschaltung 36 abgetrennt wird, zu Impulsform,
und des Ausgegens desselben als Signal RFP (siehe die 2) in Form eines kontinuierlichen
Impulszugs. Das ausgegebene Signal RFP wird am CK-Anschluss der
Impulssynchronisierschaltung 33 eingegeben, und es hat
die Funktion des Synchronisierens der Phase des Signals SP mit derjenigen
des HF-Signals, wie oben beschrieben.
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Als
Nächstes
wird die Ansteuereinheit 30A unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. Vom Schaltimpulsgenerator 32 wird
ein Schaltimpuls (Signal SP) von 5 kHz erzeugt und am D-Anschluss der
Impulssynchronisierschaltung 33 eingegeben. Aufgrund des
später
beschriebenen HF-Modulationssignals ist das eingegebene Signal RFP
mit der Form eines Impulszugs, wie ein Impuls in einem zugehörigen Signalverlauf,
geformt.
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Entsprechend
einer Funktion der Impulssynchronisierschaltung 33 wechselt
das Signal CP synchron mit dem Timing, gemäß dem das am CK-Anschluss eingegebene
Signal RFP vom Pegel L auf den Pegel H wechselt, nachdem das eingegebene Signal
SP vom Pegel L auf den Pegel H gewechselt hat, ebenfalls vom Pegel
L auf den Pegel H. Außerdem
behält,
während
das Signal SP den Pegel H beibehält,
auch das Signal CP den Pegel H bei. Als Nächstes wechselt das Signal
CP synchron mit dem Wechsel des Signals RFP vom Pegel L auf den
Pegel H auf den Pegel L. So wird die Phase der Impulsanstiegs-/Impulsabfallabschnitte
des Signals CP mit der Phase des Anstiegsabschnitts des Signals
RFP ausgerichtet, und das Signal CP wird am Q-Anschluss ausgegeben.
Das Signal CP wird in die Impulsbreite-Modulationsschaltung 34 eingegeben,
und durch diese wird die Impulsbreite als Breitenmodulationsimpuls
(Signal WMP) ausgegeben, dessen Impulsbreite der vorbestimmten Zeit
tw entspricht. Das vom HF-Oszillator 31 ausgegebene HF-Signal
wird in der HF-Modulationsschaltung 35 entsprechend den
Pegeln L/H des Signals WMP moduliert und als HF-Modulationssignal
ausgegeben.
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Das
HF-Modulationssignal wird in die Signalaufteilschaltung 36 eingegeben
und aufgeteilt: Das eine Signal wird an die Impulsformungsschaltung 38 ausgegeben
und das andere wird über
das Signalkabel 37 an den Q-Switch 24 ausgegeben.
Im Zustand, in dem das HF-Modulationssignal in den Q-Switch 24 eingegeben
wird, nehmen die Verluste im optischen Resonator 20 zu
(der Q-Wert ist niedrig), die Lichtverstärkung wird unterdrückt, und
dadurch ergibt sich keine Laserschwingung; dagegen nimmt die Anregungsenergie
innerhalb des Festkörperlasermediums 21 zu.
Dagegen nehmen im Zustand, in dem das HF-Modulationssignal nicht
in den Q-Switch 24 eingegeben wird, die Verluste im optischen
Resonator 20 ab (der Q-Wert ist hoch) und Laserwellen 25a mit Peakform
werden mit kleiner Zeitverzögerung
(Verzögerungszeit τ) ausgegeben.
Auf diese Weise wird der Vorgang wiederholt, und vom optischen Resonator 20 werden
Laserwellen 25a mit Peakform ausgegeben.
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Das
von der Signalaufteilschaltung 36 aufgeteilte HF-Modulationssignal
wird in die Impulsformungsschaltung 38 eingegeben, und
es wird das Signal RFP eines Impulszugs ausgegeben. Das Signal RFP
wird am CK-Anschluss der Impulssynchronisierschaltung 33 eingegeben.
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Da
bei der so beschriebenen Ausführungsform
die Phase des HF-Modulationssignals zum Zeitpunkt, zu dem der Q-Wert
aufgrund des Q-Switchs 24 vom niedrigen auf den hohen Wert
wechselt, entsprechend jedem Timing immer gleich wird, können Laserwellen 25a mit
stabiler Peakform ausgegeben werden. So können, wenn der Laser 10 mit
Q-Switch gemäß der beschriebenen
Ausführungsform
bei einer Markier- und Bearbeitungsmaschine für eine Feinstverarbeitung angewandt
wird, eine genaue Mustererzeugung, die extrem scharf ist und den
Vorgaben durch einen Designer entspricht, und eine Bearbeitung erfolgen.
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Indessen
bildet die Ausführungsform
ein Beispiel, um die Erfindung zu beschreiben, wobei jedoch keine
Beschränkung
auf diese Ausführungsform
besteht, sondern innerhalb des Grundgedankens und des Schutzumfangs
der Erfindung verschiedene Variationen möglich sind. In der vorstehenden
Beschrei bung ist es beispielhaft angegeben, dass in der 1 das Signal, das am CK-Anschluss
der Impulssynchronisierschaltung 33 eingegeben wird, in
etwa (Weg A) dem HF-Modulationssignal entspricht, das durch die
Signalaufteilschaltung 36 abgetrennt wird und über die
Impulsformungsschaltung 38 zugeführt wird. Andererseits kann
z. B. derselbe Effekt dann erzielt werden, wenn der HF-Oszillator 31 die
Frequenzteilerschaltung 39 (siehe die 1) zum Aufteilen des ausgegebenen HF-Signals
verwendet und ein frequenzgeteiltes HF-Signal direkt (Weg C) oder über die
Impulsformungsschaltung 38 (Weg B) am CK-Anschluss der
Impulssynchronisierschaltung 33 eingegeben wird.
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Zweite Ausführungsform
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Als
Nächstes
wird unter Bezugnahme auf die 3 eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Teile in der 3, die mit solchen in der 1 übereinstimmen, werden mit denselben
Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre Beschreibung wird weggelassen.
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Ein
Unterschied des Schaltungsbetriebs bei den Ausführungsformen gemäß den 3 und 1 besteht darin, dass nun das Signal
WMP durch Weglassen der Impulsbreite-Modulationsschaltung 34 (siehe die 1) und Einführen einer
Rücksetzschaltung 41 (siehe
die 3) erzeugt wird.
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Die
nun vorhandene Impulssynchronisierschaltung 33' (siehe die 3) verfügt zusätzlich über einen Rücksetzanschluss (R-Anschluss)
im Vergleich zur bisher beschriebenen Impulssynchronisierschaltung 33 (siehe
die 1). Gleichzeitig
mit der Eingabe eines Signals vom Pegel L am R-Anschluss wird das
Ausgangssignal am Q-Anschluss ein solches vom Pegel L, als Nächstes wird
ein Signal vom Pegel H am D-Anschluss eingegeben, und dann hat die
Impulssynchronisierschaltung 33', während ein Signal vom Pegel
H am CK-Anschluss eingegeben wird, den Effekt, dass sie das Ausgangssignal
am Q-Anschluss auf dem Pegel L hält.
Indessen wird zwar in der 3 das
durch die Signalaufteilschaltung 36 aufgeteilte HF-Modulationssignal
direkt am CK-Anschluss eingegeben, jedoch kann es eingegeben werden,
nachdem es über
die Impulsformungsschaltung 38 zu einem Impulszug geformt wurde
(siehe die 1).
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In
die Rücksetzschaltung 41 wird
das Ausgangssignal vom Q-Anschluss
eingegeben, und das Eingangssignal wechselt vom Pegel L auf den
Pegel H, und nachdem eine vorbestimmte Zeit (Impulsbreite) tw verstrichen ist, liefert die Rücksetzschaltung 41 ein
Signal vom Pegel L an den R-Anschluss der Impulssynchronisierschaltung 33'. So hat die
Rücksetzschaltung 41 die
Funktion, dass sie das Ausgangssignal am Q-Anschluss der Impulssynchronisierschaltung 33' zwangsweise
auf den Pegel L bringt. Durch die Funktionen der Impulssynchronisierschaltung 33' und der Rücksetzschaltung 41 erzeugt
die letztere ein Breitenmodulationssignal (Signal WMP in der 2), das dasselbe wie bei
der ersten Ausführungsform
ist.
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So
wird ein Schaltimpuls (Signal SP) durch die Funktion der Rücksetzschaltung 41 auf
die Impulsbreite tw eingestellt und als Breitenimpulsmodulations-Impuls
(Signal WMP) gewandelt, und die ansteigende Phase des Schaltimpulses
wird mit der Phase des HF-Modulationssignals synchronisiert. Danach
werden in der HF-Modulationsschaltung 35 aus dem HF-Signal
und dem Signal WMP das HF-Modulationssignal erzeugt.
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Beispiel 1
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Als
Nächstes
wird ein Beispiel zum Verifizieren eines Effekts der Erfindung beschrieben.
Unter Verwendung des Lasers 10 mit Q-Switch gemäß der ersten
Ausführungsform
werden Signalverläufe
zum Zeitpunkt, zu dem die EIN-Periode des HF-Modulationssignals endet, zwischen dem
Fall (Erfindung), in dem eine Phasensynchronisiereinstellung des
HF-Signals (oder des HF-Modulationssignals) und des Signals CP ausgeführt wird,
und einem anderen Fall (herkömmliches
Beispiel) verglichen, bei dem keine Phasensynchronisiereinstellung
ausgeführt
wird. Hierbei hat das HF-Signal, das zur Basis des HF-Modulationssignals
wird, 40 MHz und das Signal SP hat 5 kHz.
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Die 4A-1 bis 4A-3 sind Kurvenbilder, die Signalverläufe vor/nach
EIN/AUS-Wechseln von HF-Modulationssignalen zeigen, wenn eine Phasensynchronisiereinstellung
ausgeführt
wird (Erfindung). Wie dargestellt, hat jeder Signalverlauf am Ende
unmittelbar nach EIN/AUS-Änderungspunkten
A1 bis A3 der HF-Modulationssignale dieselbe Form. Aus diesem Ergebnis
der Synchronisierung des ansteigenden Abschnitts des Signals CP
mit der Phase des HF-Signals ist es ersichtlich, dass die Wiederholbarkeit
des Signalverlaufs mit dem Timing, gemäß dem das HF-Modulationssignal
zu einem optischen Schließen/Öffnen des
Q-Switchs 24 führt,
stabil wird. Die 5A ist
ein zusammengesetztes Kurvenbild für den Zustand, dass mehrere
HF-Signale überlappen,
wobei die Zeitachse auf die Ausführung
der Phasensynchronisiereinstellung ausgerichtet ist (Erfindung).
Durch die 5A ist es
für die
Erfindung deutlicher verständlich,
dass hinsichtlich des AUS-Timings der HF-Modulationssignale keine
Phasenabweichung besteht.
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Die 4B-1 bis 4B-3 sind Kurvenbilder, die Signalverläufe vor/nach
EIN/AUS-Wechseln von HF-Modulationssignalen zeigen, wenn keine Phasensynchronisiereinstellung
ausgeführt
wird (herkömmliches
Beispiel). Es zeigt sich, dass am Ende unmittelbar nach jedem von
EIN/AUS-Änderungspunkten
B1 bis B3 von HF-Modulationssignalen eine Abweichung von ungefähr einer
Periode des Signalverlaufs existiert. Aus diesem Ergebnis ist es,
hinsichtlich der Erzeugung eines HF-Modulationssignals aus einem
HF-Signal und einem Signal SP, die jeweils unabhängig sind, verständlich,
dass der Signalverlauf zum Zeitpunkt, zu dem das HF-Modulationssignal
zu einem optischen Schließen/Öffnen des Q-Switchs 24 führt, instabil
wird. Die 5B ist ein zusammengesetztes
Kurvenbild für
einen Zustand, bei dem mehrere HF-Signale unter Ausrichtung der Zeitachse überlappen,
wenn keine Phasensynchronisiereinstellung ausgeführt wird (herkömmliches
Beispiel). Aus der 5B ist
es deutlicher verständlich, dass
bei der herkömmlichen
Technik Phasenabweichungen beim AUS-Timing der HF-Modulationssignale
existieren.
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Beispiel 2
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Als
Nächstes
werden Ausgangsergebnisse jeweiliger Laserausgangswellen 25a (siehe
die 2) von HF-Modulationssignalen
verglichen, wie sie in einem Fall (Erfindung) erzeugt werden, bei
dem eine Phasensynchronisiereinstellung ausgeführt wird, sowie einem anderen
Fall ohne eine solche (herkömmliches
Beispiel).
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Die 6A ist ein Kurvenbild, gemäß dem der
Q-Switch 24 durch die in den 4A-1 bis 4A-3 dargestellten HF-Modulationssignale
(Erfindung, bei der die Phasensynchronisiereinstellung ausgeführt wird)
betrieben wird und mehrere kontinuierlich ausgegebene Laserwellen übereinander
geschrieben werden. Die 6B ist
ein Kurvenbild für
den Fall, dass ein Q-Switch 24' (nicht dargestellt) durch die
in den 4B-1 bis 4B-3 dargestellten HF-Modulationssignale
(herkömmliches
Beispiel ohne Phasensynchronisiereinstellung) betrieben wird, wobei
mehrere kontinuierlich ausgegebene Laserwellen übereinander geschrieben sind.
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Aus
einem Vergleich der 6A und 6B ist es deutlich, dass das
Laserausgangssignal stabil wird und Jitter von Laserwellen abnimmt,
wenn eine Phasensynchronisiereinstellung ausgeführt wird, und dass die Wiederholbarkeit
des Signalverlaufs am Ende eines Abschlussabschnitts einer EIN-Periode des
HF-Modulationssignals
stabil ist. Anders gesagt, wird durch das Synchronisiertiming, wenn
das HF-Modulationssignal EIN/AUS-geschaltet
wird, mit der Phase des HF-Signals, das Ausgangssignal des Laserimpulses 25 stabil
wird.
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Die 7A und 7B zeigen Kurvenbilder für Relativwerte
der Spitzenleistung (Maximalwert) von Laserwellen in den 6A bzw. 6B. Die Horizontalachse zeigt das Verhältnis der
Spitzenleistung anderer Laserwellen zu der von Laserwellen, die
den Standard bilden. Die vertikale Achse kennzeichnet die Frequenz
bei jedem Verhältnis.
Ein Effektivwert, der die Abweichung der Frequenzverteilung bedeutet,
zeigt +/- 0,5 (eff) in der 7A.
Andererseits sind in der 7B +/--1,2 % (eff) dargestellt,
und dies zeigt das Ergebnis, dass die Abweichung der Spitzenleistung
der Laserwellen durch Realisieren der Erfindung verbessert wird.
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Die 8A und 8B zeigen Kurvenbilder für Relativwerte
der Energie (entsprechend der Signalverlaufsfläche) von Laserwellen in den 6A bzw. 6B. Die Horizontalachse zeigt das Verhältnis der
Energie anderer Laserwellen zu der von Laserwellen, die den Standard
bilden. Die vertikale Achse kennzeichnet die Frequenz bei jedem
Verhältnis.
Ein Effektivwert entspricht +/- 0,4 % (eff) in der 8A. Andererseits sind in der 8B +/- 1,2 % (eff) dargestellt,
und dies zeigt das Ergebnis, dass die Abweichung der Energie der
Laserwellen durch Realisieren der Erfindung verbessert wird.