DE102006006589A1

DE102006006589A1 - Laser und Verfahren zur Erzeugung gepulster Lasertrahlung

Info

Publication number: DE102006006589A1
Application number: DE200610006589
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Hollemann; Peter Dr. Heist; Adolf Dr. habil. Giesen; Christian Dipl.-Ing. Stolzenburg
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: DE102006006589B4; WO2007093151A1

Abstract

Es wird bereitgestellt ein Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, mit einem Resonator (1), einem im Resonator (1) angeordneten gepumpten aktiven Medium (4), das Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge abgibt, einer Detektionseinheit (6, 9) zur Messung der Intensität der Laserstrahlung im Resonator (1) und einer Steuereinheit (8), der von der Detektionseinheit (6, 9) der gemessene Intensitätswert zugeführt wird, wobei der Resonator (1) in einen ersten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung offen ist, und in einen zweiten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung geschlossen ist, schaltbar ist und wobei die Steuereinheit (8) zur Erzeugung eines Pulses der Laserstrahlung in einem ersten Schritt den Resonator (1) vom ersten in den zweiten Zustand schaltet, so daß zumindest eine Resonatormode für die Laserstrahlung anschwingt, und bei Erreichen eines vorbestimmten Werts einer physikalischen Kenngröße der Laserstrahlung im Resonator (1) in einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt den Resonator (1) vom zweiten in den ersten Zustand schaltet, wodurch die Laserstrahlung aus dem Resonator (1) als Laserpuls ausgekoppelt wird, wobei der vorbestimmte Wert und/oder das Auskoppelverhalten des Resonators (1) zur Verstellung der Pulsdauer an der Steuereinheit (8) einstellbar ist/sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser und ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge.

Zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung werden häufig gütegeschaltete Laser eingesetzt. Wenn bei solchen Lasern als aktives Medium ein Yb-dotiertes Medium eingesetzt wird, treten im gütegeschalteten Betrieb ab einer Pulswiederholrate von etwa 20 kHz Pulsinstabilitäten auf. Ferner wird die Pulsbreite sehr groß, typischerweise trägt sie mehrere 100 ns oder noch mehr. Dies ist eine Folge der relativ langen Lebensdauer des oberen Laserniveaus (bei Yb:YAG ca. 1 ms) und des relativ geringen Verstärkungswirkungsquerschnitts der stimulierten Emission.

Für die Mikrobearbeitung und Laserbeschriftung benötigt man jedoch häufig Laser mit hohen Pulswiederholraten (beispielsweise 100 kHz) und kürzeren Pulsen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, insbesondere einen Laser mit einem Yb-dotierten aktiven Medium, zur Verfügung zu stellen, bei dem hohe Pulswiederholraten möglich sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, mit einem Resonator, einem im Resonator angeordneten gepumpten aktiven Medium, das Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge abgibt, einer Detektionseinheit zur Messung der Intensität der Laserstrahlung im Resonator, und einer Steuereinheit, der von der Detektionseinheit der gemessene Intensitätswert zugeführt ist, wobei der Resonator in einen ersten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung offen ist, und in einen zweiten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung geschlossen ist, schaltbar ist, und wobei die Steuereinheit zur Erzeugung eines Pulses der Laserstrahlung in einem ersten Schritt den Resonator vom ersten in den zweiten Zustand schaltet, so daß zumindest eine Resonatormode für die Laserstrahlung anschwingt, und bei Erreichen eines vorbestimmten Wertes einer vorbestimmten physikalischen Kenngröße der Laserstrahlung im Resonator in einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt den Resonator vom zweiten in den ersten Zustand schaltet, wodurch die Laserstrahlung aus dem Resonator als Laserpuls ausgekoppelt wird, wobei der vorbestimmte Wert und/oder das Auskoppelverhalten des Resonators zur Verstellung der Pulsdauer an der Steuereinheit einstellbar ist/sind.

Mit diesem Laser wird die Cavity-Dumping-Betriebsart dahingehend durchgeführt, daß als Trigger-Signal ein vorbestimmter Wert der Kenngröße der im Resonator erzeugten Laserstrahlung genutzt wird. Durch Wahl des vorbestimmten Wertes kann die Pulsbreite leicht und reproduzierbar verstellt werden. Die Pulsbreite kann auch über das Auskoppelverhalten. des Resonators verstellt werden.

Das Auskoppelverhalten wird maßgeblich durch den Auskoppelgrad im ersten Zustand und die Umschaltdauer vom zweiten in den ersten Zustand bestimmt. Sowohl der Auskoppelgrad als auch die Umschaltdauer kann hier mittels der Steuereinheit ein- bzw. verstellt werden.

Bei der vorbestimmten physikalischen Kenngröße kann es sich z.B. um die Intensität, die (momentane) Leistung oder die Energie (Integral über die Leistung von einem ersten Zeitpunkt bis zum Meßzeitpunkt) der Laserstrahlung im Resonator handeln.

Die Detektionseinheit kann die physikalische Kenngröße der Laserstrahlung direkt oder indirekt messen und an die Steuereinheit einen entsprechenden Signalwert übermitteln, der dann zur Bestimmung des vorliegenden Wertes der Kenngröße dient. Damit wird auch sichergestellt, daß die maximale Pulsenergie wirksam begrenzt werden kann, wodurch Beschädigungen von optischen Komponenten sicher verhinderbar ist.

Bei dem Laser kann die Steuereinheit den ersten und zweiten Schritt wiederholt durchführen, wobei die Zeitdauer zwischen einem zweiten Schritt und dem nachfolgenden ersten Schritt zur Verstellung der Pulswiederholrate an der Steuereinheit einstellbar ist. Damit ist es möglich, die Pulswiederholrate und die Pulsbreite unabhängig voneinander einzustellen. Insbesondere können auch Einzelpulse erzeugt werden. Mit der Steuerung der Pulsbreite über die Intensität, Leistung oder Energie der Laserstrahlung können beispielsweise im Burstmode-Betrieb (Pulszüge) überhöhte Pulsenergien des ersten Pulses vermieden werden. Durch diese Stabilisierung der Pulsenergie werden Puls-zu-Puls-Stabilitäten von kleiner als 5 (Minimalwert zum Maximalwert) erreicht.

Der Resonator des Lasers kann ein Auskoppelmodul aufweisen, das im ersten Zustand mehr Laserstrahlung aus dem Resonator auskoppelt als im zweiten Zustand. Insbesondere kann das Auskoppelmodul so ausgebildet sein, daß im zweiten Zustand keine Laserstrahlung ausgekoppelt wird.

Das Auskoppelmodul kann mindestens einen akusto-optischen oder elektro-optischen Modulator enthalten.

Die Pulsdauer kann von weniger als 100 ns bis mehr als 1000 ns betragen. Die Pulswiederholrate kann >20 kHz sein.

Es wird ferner ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bereitgestellt, bei dem in einem ersten Schritt Laserstrahlung der ersten Wellenlänge in einem Resonator so erzeugt wird, daß zumindest eine Resonatormode anschwingt, wobei eine vorbestimmte physikalische Kenngröße der Laserstrahlung gemessen und ausgewertet wird und, wenn die gemessene Kenngröße einen vorbestimmten Wert erreicht, in einen auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt die Laserstrahlung aus dem Resonator als Laserpuls ausgekoppelt wird.

Mit diesem Verfahren können, insbesondere wenn beispielsweise ein Yb-dotiertes Lasermedium eingesetzt wird, die Pulsbreiten über einen sehr hohen Bereich eingestellt werden. Ferner sind Pulswiederholraten von größer als 20 kHz, insbesondere von größer als 50 kHz möglich, wobei die Pulsbreite nahezu unabhängig von der Pulswiederholrate einstellbar ist.

Bei dem Verfahren kann der vorbestimmte Wert einstellbar sein. Mittels dieser Einstellbarkeit ist eine leichte Wahl der gewünschten Pulsbreite möglich.

Die vorbestimmte physikalische Kenngröße kann insbesondere die Intensität, die momentane Leistung oder die Energie der Laserstrahlung im Resonator sein.

Ferner kann das Auskoppelverhalten des Resonators einstellbar sein. Insbesondere kann dazu der Auskoppelgrad im zweiten Schritt und die Umschaltdauer vom ersten zum zweiten Schritt ein- bzw. verstellbar sein.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Figuren noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lasers gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine detaillierte Darstellung des Laserresonators 1 von 1;
3 die Pulsform des im Resonator erzeugten sowie des ausgekoppelten Strahls;
4 der zeitliche Verlauf von drei erzeugten Laserpulsen zusammen mit dem Trigger-Signal für die Pockelszelle 11 von 2, und
5 der zeitliche Verlauf von drei erzeugten Laserpulsen zusammen mit dem Ein-/Aus-Zustand der Pockelszelle 11 von 2.
Der erfindungsgemäße Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge umfaßt bei der in 1 schematisch dargestellten Ausführungsform einen Laserresonator 1, der durch zwei Resonatorspiegel 2, 3 gebildet ist und in dem ein Yb:YAG-Medium 4 als aktives Medium, ein optische Auskoppelmodul 5 sowie ein Auskoppelspiegel 6 angeordnet sind. Ferner umfaßt der Laser 1 eine Pumplichtquelle 7, eine Steuereinheit 8 zur Steuerung des Auskoppelmoduls 5 sowie eine Photodiode 9.
Das aktive Medium 4 wird mit dem Licht der Pumplichtquelle 7 (hier kontinuierlich) gepumpt (Pfeil P1) und gibt Laserstrahlung der ersten Wellenlänge (hier im Infrarotbereich) ab. Das Auskoppelmodul 5 kann in einen ersten und einen zweiten Zustand mittels der Steuereinheit 8 geschaltet werden, wobei erzeugte Laserstrahlung im ersten Zustand aus dem Resonator 1 ausgekoppelt wird (Pfeil P2). In diesem Fall ist der Resonator 1 für die Laserstrahlung offen. Im zweiten Zustand des Auskoppelmoduls 5 wird keine Laserstrahlung aus dem Resonator 1 ausgekoppelt, so daß der Resonator 1 für die Laserstrahlung geschlossen ist.
Der Auskoppelspiegel 6 koppelt einen geringen Anteil der Laserstrahlung aus (Pfeil P3) und lenkt diesen auf die Photodiode 9, mit der die Intensität der Laserstrahlung im Resonator 1 (laufend) gemessen werden kann.
In 2 ist eine konkrete Ausführungsform des Laserresonators 1 dargestellt, wobei der Auskoppelspiegel 6, die Pumplichtquelle 7, die Steuereinheit 8 sowie die Photodiode 9 nicht eingezeichnet sind.
Der Laserresonator 1 umfaßt neben den Resonatorspiegeln 2 und 3 einen weiteren Spiegel 10 und das aktive Medium 4 ist in der sogenannten Scheibenlaser-Anordnung vorgesehen.
Das Auskoppelmodul 5 umfaßt eine BBO-Pockelszelle (BBO = Betabariumborat-Kristall) 11, ein λ/4-Plättchen 12 sowie einen Dünnfilmpolarisator 13.
Der Betrieb des Lasers von 1 und 2 wird in Verbindung mit 3 erläutert, in der die zeitliche Pulsform des resonatorinternen infraroten Strahls (Kurve K1), des ausgekoppelten Infrarotstrahls (gestrichelte Kurve K2) sowie das Trigger-Signal mit rechteckförmigem Verlauf (Kurve K3) für die Pockelszelle 11 eingezeichnet sind. Die Intensität des ausgekoppelten Infrarotstrahls (Kurve K2) ist auf eins normiert.
Der Polarisator 13 bewirkt, daß p-polarisierte Strahlung transmittiert und somit ausgekoppelt wird, wohingegen s-polarisierte Strahlung reflektiert wird. Dies führt einerseits dazu, daß nur für s-polarisierte Strahlung eine Mode im Resonator 1 anschwingen kann. Andererseits ist die vom Polarisator 13 zum λ/4-Plättchen 12 hin reflektierte Laserstrahlung s-polarisiert. Diese Strahlung durchläuft das λ/4-Plättchen 12 sowie die Pockelszelle 11 zweimal, wobei in Abhängigkeit der an die Pockelszelle 11 angelegten Spannung der Polarisationszustand entweder unverändert bleibt, so daß die gesamte Strahlung, die von der λ/4-Plättchen 12 auf den Polarisator 13 trifft, im Resonator bleibt, dies wird hier als geschlossener Zustand des Laserresonators 1 bezeichnet.
Wenn der Polarisationszustand aufgrund der angelegten Spannung an der Pockelszelle geändert wird, wird die vom λ/4-Plättchen 12 kommende Strahlung, die auf den Polarisator 13 fällt, zumindest teilweise ausgekoppelt. In diesem Fall ist der Laserresonator 1 offen für die Laserstrahlung.
Wenn nun zum Zeitpunkt t1 (3) das Trigger-Signal von 0 auf 1 geschaltet wird, wird der Laserresonator 1 von seinem offenen Zustand (erster Zustand, in dem die Laserstrahlung ausgekoppelt wird) in den zweiten Zustand geschaltet, in dem keine Laserstrahlung ausgekoppelt wird. Da das aktive Medium 4 dauernd gepumpt wird, schwingt nach einer gewissen Zeitdauer zumindest eine erste Resonatormode an, so daß die Intensität (Kurve K1) des resonatorinternen infraroten Signals ansteigt. Die Intensität des resonatorinternen Signals wird laufend mit der Photodiode 9 gemessen. Diese Meßwerte gibt die Photodiode 9 an die Steuereinheit 8, die überwacht, ob die gemessene Intensität einen vorbestimmten Schwellwert I1 erreicht oder nicht. Sobald die gemessene Intensität den vorbestimmten Schwellwert I1 erreicht, schaltet die Steuereinheit 8 die Pockelszelle 11 ein, indem sie das Trigger-Signal (Kurve K3) von 1 auf 0 umschaltet (Zeitpunkt t2), so daß nun die erzeugte Laserstrahlung (zumindest teilweise) ausgekoppelt wird. Dies führt zu dem dargestellten Laserpuls K2, der aus dem Laserresonator (Pfeil P2 in 1 und 2) ausgegeben wird.
Die Pulsdauer des ausgekoppelten infraroten Strahls (Kurve K2) hängt von dem vorbestimmten Intensitätswert I1 ab. Je höher der vorbestimmte Intensitätswert I1 ist, bei dessen Erreichen die Pockelszelle eingeschaltet wird (Wechsel des Trigger-Signals von 1 auf 0), um so kürzer ist die Pulsdauer des ausgekoppelten Laserpulses K2.
Ein weiterer Parameter, der die Pulsbreite des ausgekoppelten Laserpulses K2 bestimmt, ist das Auskoppelverhalten des Laserresonators 1. Das Auskoppelverhalten wird im wesentlichen bestimmt durch den Auskoppelgrad des Laserresonators, wenn die Pockelszelle eingeschaltet ist (im ersten Zustand). Die Spannung kann beispielsweise so gewählt sein, daß von der vom λ/4-Plättchen kommende Laserstrahlung beispielsweise 50% ausgekoppelt wird, wenn die Pockelszelle eingeschaltet ist. Wenn die Pockelszelle ausgeschaltet ist, ist der Reflexionsgrad bevorzugt 100%. Durch Ändern der angelegten Spannung im eingeschalteten Zustand der Pockelszelle kann der Auskoppelgrad (hier der Reflexionsgrad am Polarisator 13) verändert werden. Wenn der Auskoppelgrad steigt (sinkender Reflexionsgrad am Polarisator 13), wird die Pulsbreite geringer. Bei sinkendem Auskoppelgrad (höherer Reflexionsgrad am Polarisator 13) wird die Pulsbreite zunehmen.
Ferner wird das Auskoppelverhalten noch durch die Umschaltdauer der Pockelszelle von ihrem Aus-Zustand in ihren Ein-Zustand beeinflußt. Die Umschaltdauer kann beispielsweise über die Flankensteilheit des Trigger-Pulses (Kurve K3) verändert werden. Mit steigender Umschaltdauer wird die Pulsbreite ebenfalls steigen, wohingegen mit sinkender Umschaltdauer die Pulsbreite abnehmen wird.
Die beschriebene Betriebsweise des Lasers basiert auf der sogenannten Cavity-Dumping-Betriebsart, bei der die Energie im Photonenfeld im Laserresonator gespeichert und zur Erzeugung eines Pulses mittels einem elektro-optischen oder akusto-optischen Auskoppelelement die Laserstrahlung ausgekoppelt wird. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird die sich beim Anschwingen des Lasers erhöhende Intensität der internen Laserstrahlung als Trigger-Signal genutzt, um den Laserresonator zu öffnen und somit die Strahlung als Laserpuls auszukoppeln.
Es hat sich gezeigt, daß der Laser selbst bei Pulswiederholraten von über 20 kHz stabil betrieben werden kann. Es waren Pulswiederholraten von 50 bis 200 kHz mit einer Beugungsmaßzahl M² kleiner als 5 (insbesondere mit M² gleich 1) möglich. Herkömmliche Yb-dotierte Laser weisen in gütegeschalteten Betriebweisen typischerweise ab 20 kHz Pulsinstabilitäten auf. Die Pulsdauer betrug 200–400 ns und konnte auch von weniger als 100 ns bis mehr als 1000 ns betragen.
Die Pulswiederholrate kann mittels der Steuereinheit 8 dadurch eingestellt werden, daß die Einschaltdauer der Pockelszelle 11 entsprechend gewählt wird. In 4 und 5 ist jeweils nur die ausgekoppelte Laserstrahlung für drei aufeinanderfolgende Pulse eingezeichnet, wobei in 4 der Wert des Trigger-Signals und in 5 der Ein- bzw. Aus-Zustand der Pockelszelle 11 dargestellt sind. Wie aus 4 und 5 ersichtlich ist, kann über die Einschaltdauer Δt2 der Pockelszelle 14 (also die Zeitdauer, während der der Laserresonator 1 offen ist) die Pulswiederholrate festgelegt werden. Wenn die Einschaltdauer Δt2 erhöht wird, nimmt die Pulswiederholrate ab. Bei einer Verkürzung der Einschaltdauer, nimmt die Pulswiederholrate zu. Mit dem erfindungsgemäßen Laser kann somit nicht nur die Pulsdauer über die Steuereinheit 8 eingestellt werden, sondern auch die Pulswiederholrate kann mittels der Steuereinheit eingestellt bzw. verstellt werden, wobei die Pulsdauer und die Pulswiederholrate nahezu unabhängig voneinander einstellbar sind.
Bei der bisher beschriebenen Ausführungsform wird die Intensität der im Laserresonator 1 erzeugten Laserstrahlung dadurch gemessen, daß ein kleiner Anteil der Laserstrahlung über den Auskoppelspiegel 6 aus dem Laserresonator ausgekoppelt und auf die Photodiode 9 gelenkt wird. Es ist jedoch auch möglich, den Auskoppelspiegel 6 wegzulassen und über einen der Endspiegel 2, 3 einen kleinen Anteil der erzeugten Laserstrahlung auszukoppeln. Insbesondere können dazu die eigentlich unerwünschten Verluste (Auskopplung über die Endspiegel 2 und 3) genutzt werden, um laufend die Intensität der im Laserresonator 1 erzeugten Laserstrahlung zu messen.
Die Messung der Intensität der erzeugten Laserstrahlung kann auch dadurch durchgeführt werden, daß das Fluoreszenzlicht des aktiven Mediums 4 mittels der Photodiode 9 detektiert wird, da das Fluoreszenzlicht mit steigender Inversion im aktiven Medium 4 zunimmt.

Claims

Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, mit einem Resonator (1), einem im Resonator (1) angeordneten gepumpten aktiven Medium (4), das Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge abgibt, einer Detektionseinheit (6, 9) zur Messung der Intensität der Laserstrahlung im Resonator (1) und einer Steuereinheit (8), der von der Detektionseinheit (6, 9) der gemessene Intensitätswert zugeführt ist, wobei der Resonator (1) in einen ersten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung offen ist, und in einen zweiten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung geschlossen ist, schaltbar ist, und wobei die Steuereinheit (8) zur Erzeugung eines Pulses der Laserstrahlung in einem ersten Schritt den Resonator (1) vom ersten in den zweiten Zustand schaltet, so daß zumindest eine Resonatormode für die Laserstrahlung anschwingt, und bei Erreichen eines vorbestimmten Werts einer physikalischen Kenngröße der Laserstrahlung im Resonator (1) in einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt den Resonator (1) vom zweiten in den ersten Zustand schaltet, wodurch die Laserstrahlung aus dem Resonator (1) als Laserpuls ausgekoppelt wird, wobei der vorbestimmte Wert und/oder das Auskoppelverhalten des Resonators (1) zur Verstellung der Pulsdauer an der Steuereinheit (8) einstellbar ist/sind.
Laser nach Anspruch 1, bei dem das aktive Medium ein Yb-dotiertes Medium ist.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zur Einstellung des Auskoppelverhaltens der Auskoppelgrad im ersten Zustand einstellbar ist.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zur Einstellung des Auskoppelverhaltens die Umschaltdauer vom zweiten in den ersten Zustand einstellbar ist.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (8) den ersten und den zweiten Schritt wiederholt durchführt, wobei die Zeitdauer (Δt2) zwischen einem zweiten Schritt und dem nachfolgenden ersten Schritt zur Verstellung der Pulswiederholrate an der Steuereinheit (8) einstellbar ist.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Resonator (1) ein Auskoppelmodul (5) aufweist, das im ersten Zustand mehr Laserstrahlung aus dem Resonator ausgekoppelt als im zweiten Zustand.
Laser nach Anspruch, bei dem das Auskoppelmodul (5) einen akusto-optischen oder elektro-optischen Modulator (11) enthält.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (8) den ersten und zweiten Schritt wiederholt so durchführt, daß die Pulsdauer 200 bis 400 ns und/oder die Pulswiederholrate >20 kHz ist/sind.
Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, bei dem in einem ersten Schritt Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge in einem Resonator so erzeugt wird, daß zumindest eine Resonatormode anschwingt, wobei eine physikalische Kenngröße der Laserstrahlung gemessen und ausgewertet wird, und wenn die gemessene Kenngröße einen vorbestimmten Wert erreicht, in einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt die Laserstrahlung aus dem Resonator als Laserpuls ausgekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der vorbestimmte Wert einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Auskoppelverhalten des Resonators einstellbar ist.