DE102007024111A1 - Method for controlling pulse shape of laser beam pulses, involves feeding photo-flash lamp for optical pumping of laser-active medium within pulse duration of appropriate time-frame with multiple electrical excitation pulses - Google Patents

Method for controlling pulse shape of laser beam pulses, involves feeding photo-flash lamp for optical pumping of laser-active medium within pulse duration of appropriate time-frame with multiple electrical excitation pulses Download PDF

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Abstract

The method involves feeding a photo-flash lamp (4) for optical pumping of a laser-active medium (2) within a pulse duration of appropriate time-frame with multiple electrical excitation pulses. A temporal set distribution of the intensity of a laser beam pulse (L) is selected. The initial values for a pulse mode of every excitation pulse are determined as a function of the selected set distribution. An independent claim is also included for a solid state laser operating in pulse mode.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Pulsform eines von einem im Pulsbetrieb arbeitenden Festkörperlaser erzeugten Laserstrahlpulses. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf einen mit diesem Verfahren betriebenen Festkörperlaser.The The invention relates to a method for controlling the pulse shape one of a pulsed solid state laser generated laser beam pulse. In addition, the refers Invention on a solid state laser operated by this method.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit einem gepulsten Laserstrahl ist zum Erzeugen einer gleichmäßig hohen Bearbeitungsqualität eine hohe Puls-zu-Puls-Stabilität notwendig. Betriebsbedingt können jedoch sowohl verursacht durch die während des Betriebs sich ändernden physikalischen Eigenschaften des laseraktiven Mediums als auch durch Variation des Betriebsverhaltens der Blitzlampe erhebliche Schwankungen von Laserstrahlpuls zu Laserstrahlpuls auftreten. In 4 ist eine einfache Ansteuerung einer Blitzlampe und der zugehörige Laserstrahlpuls in einem Diagramm dargestellt. In diesem Diagramm ist gestrichelt die Intensität I eines Laserstrahlpulses mit der Pulsdauer T gegen die Zeit t aufgetragen, wie sie sich ergibt, wenn an die Blitzlampe eine mit einer durchgezogenen Linie dargestellte rechteckförmige Ansteuerspannung U angelegt wird. Sowohl der Anstieg der Intensität I als auch deren Höhe am Ende des Anregungspulses können nun in der Praxis erheblich von Puls zu Puls variieren.When machining workpieces with a pulsed laser beam, a high pulse-to-pulse stability is necessary to produce a uniformly high quality of processing. Due to the operating conditions, however, both the physical properties of the laser-active medium which change during operation and the variation in the operating behavior of the flash lamp can cause considerable fluctuations from laser beam pulse to laser beam pulse. In 4 is a simple control of a flash lamp and the associated laser pulse shown in a diagram. In this diagram, the intensity I of a laser beam pulse with the pulse duration T is plotted against the time t, as it results when a rectangular drive voltage U shown in a solid line is applied to the flash lamp. Both the increase in the intensity I and its height at the end of the excitation pulse can now vary considerably in practice from pulse to pulse.

Zum Erzielen einer verbesserten Stabilität von Laserstrahlpuls zu Laserstrahlpuls ist es grundsätzlich bekannt, die von einer Blitzlampe abgegebene Lichtenergie zu messen und bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes die Leistungszufuhr zur Blitzlampe abzuschalten. Durch diese Maßnahme ist zwar sichergestellt, dass die jeweils erzeugten Laserstrahlpulse in ihrer Gesamtenergie übereinstimmen. Systembedingt führt dies aber bei Schwankungen der von der Blitzlampe erzeugten Pumplichtintensität zu entsprechenden Schwankungen in der Breite und Höhe des vom Festkörperlaser erzeugten Laserstrahlpulses.To the Achieving improved stability of laser beam pulse to laser beam pulse, it is generally known that of to measure a light emitted by a flash lamp and when it reaches a predetermined setpoint the power supply to the flash lamp off. Although this measure ensures that that the laser beam pulses generated in each case coincide in their total energy. Due to the system but this leads to fluctuations of the flash lamp generated pumping light intensity to corresponding fluctuations in the width and height of the solid-state laser generated laser beam pulse.

Um diesen Nachteil zu vermeiden wird deshalb in der WO 96/09742 eine Steuerung der Blitzlampe für ein laseraktives Medium vorgeschlagen, bei dem die Blitzlampe in einem ersten Zeitintervall während der gesamten Pulsdauer bei einer niedrigeren Spannung betrieben wird als in einem sich daran anschließenden zweiten Zeitintervall. Die Intensität des erzeugten Pumplichtes wird gemessen und über die Zeit integriert. Am Ende dieses ersten Zeitintervalls wird dieses Zeitintegral als Maß für die bis zu diesem Zeitpunkt tatsächlich erzeugte Pumplichtenergie mit einem Sollwert verglichen. Im zweiten Zeitintervall wird dann die Leistungszufuhr für eine Zeitdauer erhöht, die von der Abweichung der tatsächlich erzeugten Pumplichtenergie von einem Sollwert abhängt. In einem dritten Zeitintervall wird die zugeführte Leistung erneut reduziert. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die von der Blitzlampe abgegebene Pumplichtenergie innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters (die Periodendauer) konstant ist. Damit kann zwar erreicht werden, dass jeder Laserstrahlpuls die gleiche Zeitdauer und den gleichen Energieinhalt aufweist, jedoch sind Schwankungen der Pulsform, d. h. des zeitlichen Verlaufes der Intensität des Laserstrahlpulses auf diese Weise nicht vermeidbar.To avoid this disadvantage is therefore in the WO 96/09742 proposed a control of the flash lamp for a laser-active medium in which the flash lamp is operated at a lower voltage during a first time interval during the entire pulse duration than in a subsequent second time interval. The intensity of the generated pump light is measured and integrated over time. At the end of this first time interval, this time integral is compared with a desired value as a measure of the pumping light energy actually generated up to this point in time. In the second time interval, the power supply is then increased for a period of time that depends on the deviation of the actually generated pump light energy from a desired value. In a third time interval, the supplied power is reduced again. In this way it is ensured that the pump light energy emitted by the flash lamp is constant within a predetermined time window (the period duration). Thus, although it can be achieved that each laser beam pulse has the same duration and the same energy content, but fluctuations of the pulse shape, ie the time course of the intensity of the laser beam pulse in this way are unavoidable.

Um auf der Pumpenergieseite, d. h. beim Betrieb der Blitzlampe besser definierte und reproduzierbare Bedingungen sicherzustellen und Unzulänglichkeiten der Blitzlampe wie Anlaufverhalten und Exemplarsteuerungen zu eliminieren, ist es außerdem beispielsweise aus der EP 0 005 595 B1 bekannt, ein leistungsgesteuertes Netzteil zu verwenden, bei dem die Energieabgabe an die Blitzlampe in einer Vielzahl von diskreten vorgegebenen elektrischen Energiepaketen erfolgt, wie dies im Diagramm gemäß 5 veranschaulicht ist. In diesem Diagramm ist mit durchgezogenen Linien der zeitliche Verlauf der an der Blitzlampe anliegenden Versorgungsspannung U und gestrichelt die Intensität I des erzeugten Laserstrahls gegen die Zeit t aufgetragen. Die elektrische Versorgungsspannung für die Blitzlampe wird innerhalb einer vorgegebenen Pulsdauer T des Laserstrahlpulses in eine Vielzahl von einzelnen, aufeinanderfolgenden Anregungspulsen oder Segmenten A1 bis An zerlegt, die mit einer Tastrate oder Tastfrequenz f = 1/ΔT von typisch mehr als 20 kHz ausgegeben werden, und deren Pulsbreite Δti variabel bzw. moduliert ist. Jedem Anregungspuls Ai ist ein Zeitintervall i mit der Länge ΔT zugeordnet. Das Netzteil erhält hierzu vor jedem auszugebenden Anregungspuls Ai den ihm durch eine Steuerung zugeordneten Sollwert für die Pulsbreite Δti. Das Netzteil schaltet dann mit einem Leistungsschalter, bei dem es sich typischerweise um einen IGBT handelt, die Blitzlampe an einen elektrischen Energiespeicher, in der Regel eine Kondensatorbank. Die während der Anregungspulse Ai jeweils an die Blitzlampe abgegebene Energiemenge bestimmt die in diesem Anregungspuls Ai erzeugte Pumplichtenergie und damit zugehörig auch die Energie und Pulshöhe des Laserstrahlpulses in diesem Segment. Durch eine derartige Ansteuerung mit Anregungspulsen, deren Pulsbreite voreingestellt moduliert ist, kann bereits eine hohe Stabilität bezüglich des zeitlichen Verlaufs aufeinanderfolgender Laserstrahlpulse erzielt werden. Insbesondere können durch Erhöhung des Tastverhältnisses am Beginn des Laserstrahlpulses rechteckförmige Laserstrahlpulse erzeugt werden, deren Anstiegsflanke signifikant steiler verläuft als bei einer einfachen Ansteuerung der Blitzlampe mit einer Rechteckspannung, wie dies durch Vergleich der in 4 und 5 dargestellten Pulsformen veranschaulicht ist.In order to ensure better defined and reproducible conditions on the pump energy side, ie the operation of the flash lamp and to eliminate shortcomings of the flash lamp such as startup behavior and copy controls, it is also for example from EP 0 005 595 B1 It is known to use a power-controlled power supply, in which the energy is delivered to the flash lamp in a variety of discrete predetermined electrical energy packets, as shown in the diagram according to 5 is illustrated. In this diagram, the time profile of the voltage applied to the flash lamp supply voltage U and dashed lines the intensity I of the laser beam generated against the time t is plotted with solid lines. The electrical supply voltage for the flashlamp is decomposed within a predetermined pulse duration T of the laser beam pulse into a plurality of individual, successive excitation pulses or segments A 1 to A n , which are output at a sampling frequency f = 1 / .DELTA.T of typically more than 20 kHz , And whose pulse width At i is variable or modulated. Each excitation pulse A i is assigned a time interval i with the length ΔT. For this purpose, before each excitation pulse A i to be output, the power supply unit receives the setpoint value for the pulse width Δt i assigned to it by a controller. The power supply then switches with a circuit breaker, which is typically an IGBT, the flash lamp to an electrical energy storage, usually a capacitor bank. The amount of energy delivered to the flashlamp during the excitation pulses A i determines the pumping light energy generated in this excitation pulse A i and, associated therewith, also the energy and pulse height of the laser beam pulse in this segment. Such a control with excitation pulses, the pulse width of which is modulated in a preset manner, can already achieve a high degree of stability with respect to the time course of successive laser beam pulses. In particular, by increasing the duty cycle at the beginning of the laser beam pulse rectangular laser beam pulses can be generated whose rising edge is significantly steeper than in a simple control of the flash lamp with a square wave voltage, as by comparing the in 4 and 5 illustrated pulse shapes is illustrated.

Die Wiedergabetreue von komplexeren Pulsformen sowie eine schnelle Änderung der Pulsform selbst stellen jedoch aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen Anregungsenergie und zugehöriger Laserantwort ein erhebliches Problem dar.The Fidelity of more complex pulse shapes as well as a quick change The pulse shape itself, however, due to the complex relationships between excitation energy and associated laser response a significant problem.

Eine weitere Verbesserung der Pulstabilität sowie der Möglichkeit gezielt komplexere Pulsformen zu generieren, wird im Stand der Technik erzielt, wenn zusätzlich der zeitliche Verlauf der Intensität des jeweils erzeugten Laserstrahlpulses mittels einer Photodiode erfasst und mit einem Sollverlauf verglichen wird. In einer Austastlücke bis zum Beginn des nachfolgenden Anregungspulses wird dann eine Korrektur für diesen nachfolgenden Anregungspuls errechnet mit dem Ziel, die bis zu diesem Zeitpunkt erzeugte Laserenergie an den vorgegebenen Sollwert anzugleichen. Mit dieser Maßnahme kann jedoch nur eine geringfügige Verbesserung erzielt werden, da prinzipbedingt eine solche Regelung immer um mindestens einen Anregungspuls zeitversetzt ist und nur kumulativ wirkt. Durch diese Maßnahme wird zwar die Puls-zu-Puls-Stabilität hinsichtlich des Gesamtenergieinhaltes des Laserstrahlpulses nicht aber die Wiedergabetreue der Pulsform verbessert.A further improvement of the pulse stability as well as the possibility specifically to generate more complex pulse shapes, in the prior art achieved if, in addition, the time course of the intensity of the respectively generated laser beam pulse detected by a photodiode and compared with a desired course. In a blanking interval until the beginning of the subsequent excitation pulse is then a Correction calculated for this subsequent excitation pulse with the aim of generating the laser energy generated up to that point to match the specified setpoint. With this measure however, only a slight improvement can be achieved As a matter of principle, such a regulation will always be at least an excitation pulse is time offset and only cumulative effect. By Although this measure is the pulse-to-pulse stability not with regard to the total energy content of the laser beam pulse but improves the fidelity of the pulse shape.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Steuern der Pulsform eines von einem im Pulsbetrieb arbeitenden Festkörperlaser erzeugten Laserstrahlpulses anzugeben, mit dem es auf einfache Weise möglich ist, unterschiedliche Pulsformen mit hoher Genauigkeit und Puls-zu-Puls-Stabilität zu erzeugen. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zu Grunde, einen mit diesem Verfahren betriebenen Festkörperlaser anzugeben.Of the The invention is therefore based on the object, a method for controlling the pulse shape of one of a working in pulsed solid state laser Generate generated laser beam pulse, with which it in a simple manner is possible, different pulse shapes with high accuracy and to generate pulse-to-pulse stability. The invention is In addition to the task, one with this method indicate solid state lasers.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei diesem Verfahren wird eine Blitzlampe zum optischen Pumpen des laseraktiven Mediums innerhalb eines der Pulsdauer entsprechenden Zeitfensters mit einer Vielzahl von elektrischen Anregungspulsen gespeist, deren Pulsbreite sehr viel kleiner ist als die Pulsdauer Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte:

  • a) Auswahl eines zeitlichen Sollverlaufes der Intensität eines Laserstrahlpulses,
  • b) Ermitteln von Ausgangswerten für die Pulsbreite eines jeden Anregungspulses in Abhängigkeit vom gewählten Sollverlauf,
  • c) Erzeugen eines Laserstrahlpulses mit diesen Ausgangswerten,
  • d) Messen des aktuellen zeitlichen Verlaufes der Intensität des Laserstrahlpulses,
  • f) Vergleichen des aktuellen zeitlichen Verlaufs des Laserstrahlpulses mit dem Sollverlauf,
  • g) Ermitteln eines geänderten Wertes für die Pulsbreite zumindest eines der Anregungspulse, wenn die Abweichung des aktuellen zeitlichen Verlaufes der Intensität des Laserstrahlpulses vom Sollverlauf in einem diesem Anregungspuls zugeordneten Zeitintervall einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet,
  • h) Erzeugen eines aktuellen Laserstrahlpulses mit diesem geänderten Wert oder diesen geänderten Werten,
  • i) Wiederholen der Schritte c) bis h) bis die Abweichung des aktuellen zeitlichen Verlaufes der Intensität des Laserstrahlpulses vom Sollverlauf für alle Zeitintervalle den vorgegebenen Grenzwert nicht mehr überschreitet.
With regard to the method, the object is achieved according to the invention with a method having the features of claim 1. In this method, a flash lamp for optically pumping the laser-active medium within a pulse duration corresponding time window is fed with a plurality of electrical excitation pulses whose pulse width very much smaller than the pulse duration According to the invention, the method comprises the following method steps:
  • a) selection of a desired time course of the intensity of a laser beam pulse,
  • b) determining output values for the pulse width of each excitation pulse as a function of the selected desired course,
  • c) generating a laser beam pulse with these output values,
  • d) measuring the current time course of the intensity of the laser beam pulse,
  • f) comparing the current time profile of the laser beam pulse with the desired course,
  • g) determining a changed value for the pulse width of at least one of the excitation pulses, if the deviation of the current time profile of the intensity of the laser beam pulse from the desired course in a time interval associated with this excitation pulse exceeds a predetermined limit,
  • h) generating a current laser beam pulse with this changed value or these changed values,
  • i) repeating steps c) to h) until the deviation of the current time profile of the intensity of the laser beam pulse from the desired course for all time intervals does not exceed the predetermined limit.

Durch diese Vorgehensweise wird ein selbstlernendes System geschaffen, das die Ansteuerung der Blitzlampe selbsttätig solange variiert, bis Sollverlauf und Istverlauf des Laserstrahlpulses innerhalb vorgegebener Toleranzen übereinstimmen. Sobald sich während des Betriebes erneut Abweichungen vom Sollverlauf ergeben, beispielsweise durch Lastwechsel und dadurch verursachte Änderung der thermischen Linse, wird die Ansteuerung entsprechend nachgeregelt. Mit dem Verfahren können komplexe Pulsformen erlernt und mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erzeugt werden, ohne dass es hierzu notwendig ist, die zugrundeliegenden komplexen Zusammenhänge zwischen elektrischer Anregung der Blitzlampe und tatsächlichem Zeitverlauf des Laserstrahlpulses kennen zu müssen oder durch umfangreiche empirische Parameterfelder zu bestimmen.By this approach creates a self-learning system that the control of the flash lamp automatically as long varies, to setpoint course and actual course of the laser beam pulse within match given tolerances. As soon as during the operation again deviations from the desired course result, for example by load change and thereby caused change in the thermal Lens, the control is readjusted accordingly. With the procedure can learn complex pulse shapes and with high accuracy and Reproducibility can be generated without it being necessary is the underlying complex relationships between electrical stimulation of the flash lamp and in fact Time history of the laser beam pulse to know or to be determined by extensive empirical parameter fields.

Hinsichtlich des Festkörperlasers wird die Erfindung gelöst mit einem Festkörperlaser mit den Merkmalen des Patentanspruches 2. Gemäß diesen Merkmalen enthält ein im Pulsbetrieb arbeitender Festkörperlaser eine Blitzlampe zum optischen Pumpen eines laseraktiven Mediums, eine Steuereinrichtung zum Steuern der Blitzlampe innerhalb eines Laserstrahlpulses mit einer Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Anregungspulsen, eine Einheit zur Vorgabe eines zeitlichen Sollverlaufes der Intensität des Laserstrahlpulses, eine Einrichtung zum Messen des zeitlichen Verlaufes der Intensität des aktuellen Laser strahlpulses, sowie einen in der Steuereinrichtung implementierten Algorithmus zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 enthält.Regarding of the solid-state laser, the invention is achieved with a solid state laser with the features of claim 2. According to these features, includes pulsed solid state laser a flash lamp for optically pumping a laser-active medium, a control device for controlling the flash lamp within a laser beam pulse a plurality of pulse width modulated excitation pulses, a Unit for specifying a desired time course of the intensity the laser beam pulse, means for measuring the temporal Course of the intensity of the current laser beam pulse, and an algorithm implemented in the controller for carrying out the method according to claim 1.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:to Further explanation of the invention is based on the embodiment referred to the drawing. Show it:

1 einen Festkörper gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung, 1 a solid according to the invention in a schematic schematic diagram,

2 ein schematisches Flussdiagramm zum Veranschaulichen des Verfahrensablaufes gemäß der Erfindung, 2 a schematic flow diagram for illustrating the method sequence according to the invention,

3 ein Diagramm in dem die Versorgungsspannung und die Intensität des Laserstrahlpulses bei einem erfindungsgemäßen Verfahren gegen die Zeit aufgetragen ist, 3 a diagram in which the supply voltage and the intensity of the laser beam pulse in a method according to the invention is plotted against time,

4 und 5 jeweils ein Diagramm, in dem jeweils die Versorgungsspannung der Blitzlampe und die Intensität des Laserstrahlpulses gegen die Zeit bei im Stand der Technik bekannten Verfahren aufgetragen ist. 4 and 5 in each case a diagram in which in each case the supply voltage of the flash lamp and the intensity of the laser beam pulse is plotted against time in the method known in the prior art.

Gemäß 1 wird das laseraktive Medium 2 eines Festkörperlaser von einer Blitzlampe 4 optisch gepumpt. Die Blitzlampe 4 wird über einen steuerbaren Leistungsschalter 6, beispielsweise ein IGBT, mit einer Versorgungsspannung U eines Energiespeichers 8, im Beispiel eine durch einen einzigen Kondensator veranschaulichte Kondensatorbank, gespeist. Der Energiespeicher 8 wird durch ein Netzteil 10 auf eine konstante Spannung aufgeladen. Die Leistungsabgabe an die Blitzlampe 4 erfolgt durch eine im Netzteil 10 integrierte Steuereinrichtung 12 für den steuerbaren Leistungsschalter 6.According to 1 becomes the laser-active medium 2 a solid state laser from a flashlamp 4 optically pumped. The flashlamp 4 is via a controllable circuit breaker 6 , For example, an IGBT, with a supply voltage U of an energy storage 8th , in the example a capacitor bank illustrated by a single capacitor. The energy storage 8th is powered by a power adapter 10 charged to a constant voltage. The power output to the flash lamp 4 done by one in the power supply 10 integrated control device 12 for the controllable circuit breaker 6 ,

Mit Hilfe eines photoelektrischen Messwertaufnehmers 14 wird der zeitliche Verlauf der aktuellen Intensität Ia des vom Festkörperlaser erzeugten Laserstrahlpulses L erfasst und an die Steuereinrichtung 12 weitergeleitet.With the help of a photoelectric transducer 14 the temporal course of the current intensity I a of the laser beam pulse L generated by the solid-state laser is detected and sent to the control device 12 forwarded.

Die Pulsform, d. h. der zeitliche Verlauf des für die jeweilige Bearbeitung erforderlichen Laserstrahlpulses, d. h. die Vorgabe oder der Sollverlauf ist entweder fest vorgegeben oder kann vom Nutzer über eine in der Figur nicht dargestellte Eingabeeinheit mit Steuerbefehlen B ausgewählt werden.The Pulse shape, d. H. the temporal course of the for the respective Processing required laser beam pulse, d. H. the default or the target course is either fixed or can be from User via an input unit, not shown in the figure be selected with control commands B.

Gemäß 2 wird entweder über den Steuerbefehl B oder voreingestellt ein zeitlicher Sollverlauf der Intensität Is(t) des Laserstrahlpulses (die Sollform des Laserstrahlpulses) vorgegeben. Entsprechend dieser Vorgabe werden aus einem Speicher 20 die Anzahl n und Ausgangswerten Δti,o für die Pulsbreite (Anfangspulsbreite) der vom Netzteil zur Energieversorgung der Blitzlampe bereitgestellten Anregungspulse, d. h. die Schließfrequenz und Schließdauer des steuerbaren Leistungsschalters 6 (1) vorgegeben. Mit Hilfe dieser Anfangswerte werden nun Steuersignale S für den Leistungsschalter 6 erzeugt, der die Blitzlampe entsprechend des durch die Anfangswerte der Pulsbreiten Δti,0 und der Tastfrequenz vorgegebenen Tastverhältnis öffnet und schließt. Auf diese Weise wird ein Laserstrahlpuls erzeugt, dessen Pulsdauer T durch das Verhältnis n/f aus Anzahl n der Anregungspulse und Folgefrequenz f dieser Anregungspulse (Tastfrequenz) gegeben ist. Der aktuelle zeitliche Intensitätsverlauf Ia(t) des Laserstrahlpulses (die Istform des Laserstrahlpulses) wird gemessen und mit dem Sollverlauf Is(t) verglichen und ein Vergleichswert Δi für jeden Anregungspuls Ai bzw. in jedem Zeitintervall i beispielsweise durch Differenz bildung Δi = Ia(ti) – Is(ti) ermittelt, wobei ti ein vorgegebener Zeitpunkt innerhalb eines dem Anregungspuls Ai zugeordneten Zeitintervalles i ist. Überschreitet die Abweichung Δi der in den jeweiligen Zeitintervallen gemessenen Intensitäten Ia einen vorgegebenen Grenzwert Gi, so werden die Pulsbreiten Δti zumindest in den Zeitintervallen i, in denen eine solche Überschreitung festgestellt worden ist, durch neue geänderte bzw. korrigierte Werte Δti,c ersetzt und der zeitlich darauffolgende Laserstrahlpuls mit diesen neuen Pulsbreiten Δti,c entsprechenden Anregungspulsen Ai erzeugt. Auf diese Weise wird unabhängig vom jeweiligen Betriebsverhalten der Blitzlampe oder der jeweiligen physikalischen Eigenschaften des laseraktiven Mediums nach sehr wenigen Laserstrahlpulsen eine optimale Anpassung an die geforderte Sollform des Laserstrahlpulses erzielt. Da das System selbstlernend ist, müssen die zwischen Leistungszufuhr zur Blitzlampe und Ausgangsleistung des Lasers bestehenden komplexen Zusammenhänge weder bekannt noch mit empirischen Parameterfeldern bestimmt werden.According to 2 is preset either by the control command B or a preset time course of the intensity I s (t) of the laser beam pulse (the desired shape of the laser beam pulse). According to this specification are from a memory 20 the number n and output values Δt i, o for the pulse width (initial pulse width) of the excitation pulses provided by the power supply unit for powering the flash lamp, ie the closing frequency and closing duration of the controllable power switch 6 ( 1 ). With the help of these initial values are now control signals S for the circuit breaker 6 generates the flash lamp according to the predetermined by the initial values of the pulse widths .DELTA.t i, 0 and the sampling frequency duty cycle and closes. In this way, a laser beam pulse is generated whose pulse duration T is given by the ratio n / f of the number n of excitation pulses and repetition frequency f of these excitation pulses (sampling frequency). The current temporal intensity curve I a (t) of the laser beam pulse (the actual shape of the laser beam pulse) is measured and compared with the desired course I s (t) and a comparison value Δ i for each excitation pulse A i or in each time interval i, for example by difference education Δ i = I a (t i ) -I s (t i ) is determined, where t i is a predetermined time within a time interval i associated with the excitation pulse A i . If the deviation Δ i of the intensities I a measured in the respective time intervals exceeds a predetermined limit value G i , then the pulse widths Δt i are replaced by new modified or corrected values Δt i at least in the time intervals i in which such exceeding has been established , c replaces and the temporally succeeding laser beam pulse generated with these new pulse widths .DELTA.t i, c corresponding excitation pulses A i . In this way, regardless of the respective operating behavior of the flash lamp or the respective physical properties of the laser-active medium after a very few laser beam pulses optimal adaptation to the required desired shape of the laser beam pulse is achieved. Since the system is self-learning, the complex relationships between the power supply to the flash lamp and the output power of the laser need not be known or determined with empirical parameter fields.

In 3 ist zum Veranschaulichen des vorstehend erläuterten Steueralgorithmus strichpunktiert ein Sollverlauf für die Intensität Is (Sollintensität) eines Laserstrahlpulses dargestellt, bei dem es sich im dargestellten Beispiel um einen Rechteckimpuls handelt. Die Ansteuerung der Blitzlampe erfolgt mittels schraffiert in der Figur eingetragenen Anregungspulsen Ai, deren Höhe zur Vereinfachung der Darstellung auf die Höhe des (Soll-)Laserstrahlpulses normiert ist. Mit Hilfe von n Anregungspulsen Ai, die im dargestellten Beispiel alle die gleiche zeitliche Länge haben, wird nun ein Laserstrahlpuls erzeugt und dessen aktueller zeitlicher Verlauf der Intensität Ia(t) gemessen. Dieser ist in der Figur gestrichelt eingetragen. In den den Anregungspulsen A1 und A2 zugeordneten Zeitin tervallen i = 1 und i = 2 weicht nun die Intensität Ia – beispielsweise in der Mitte der Zeitintervalle i gemessen – von der Sollintensität Is um den Betrag Δ1 bzw. Δ2 ab. Diese Abweichungen dienen nun dazu, die Pulsbreiten Δt1 und Δt2 der ersten Anregungspulse A1 und A2 in den Zeitintervall i = 1 und i = 2 zu verlängern, um einen schnelleren Anstieg des nächsten Laserstrahlpulses zu erzeugen.In 3 To illustrate the above-described control algorithm, a reference curve for the intensity I s (desired intensity) of a laser beam pulse, which is a rectangular pulse in the illustrated example, is shown in phantom. The triggering of the flash lamp takes place by means of hatching in the figure registered excitation pulses A i , whose height is standardized to simplify the representation of the height of the (target) laser beam pulse. With the aid of n excitation pulses A i , which in the example shown all have the same time length, a laser beam pulse is now generated and its current time course of the intensity I a (t) is measured. This is shown in dashed lines in the figure. In the excitation pulses A 1 and A 2 associated Zeitin tervallen i = 1 and i = 2 now deviates the intensity I a - for example, in the middle of the time intervals measured i - of the desired intensity I s by the amount Δ 1 or Δ 2 , These deviations are now used to extend the pulse widths Δt 1 and Δt 2 of the first excitation pulses A 1 and A 2 into the time interval i = 1 and i = 2 in order to produce a faster rise of the next laser beam pulse.

Die in der 2 dargestellte Situation dient nur zum Veranschaulichen der der Erfindung zu Grunde liegenden Prinzipien und ist deshalb entsprechend vereinfacht dargestellt. In der Praxis können die Pulsbreiten Δti der Anregungspulse Ai bereits zu Beginn voneinander verschieden sein. Ebenso ist es nicht zwingend notwendig, dass alle Zeitintervalle i dieselbe Länge haben.The in the 2 The situation shown serves only to illustrate the principles underlying the invention and is therefore shown simplified accordingly. In practice, the pulse widths Δt i of the excitation pulses A i may already be different from one another at the beginning. Likewise, it is not mandatory that all time intervals i have the same length.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - WO 96/09742 [0004] WO 96/09742 [0004]
  • - EP 0005595 B1 [0005] - EP 0005595 B1 [0005]

Claims (2)

Verfahren zum Steuern der Pulsform eines von einem im Pulsbetrieb arbeitenden Festkörperlaser erzeugten Laserstrahlpulses (L), bei dem eine Blitzlampe (4) zum optischen Pumpen des laseraktiven Mediums (2) innerhalb eines der Pulsdauer (T) entsprechenden Zeitfensters mit einer Vielzahl von elektrischen Anregungspulsen (Ai) gespeist wird, deren Pulsbreite (Δti) sehr viel kleiner ist als die Pulsdauer (T), mit folgenden Verfahrensschritten: a) Auswahl eines zeitlichen Sollverlaufes der Intensität (Is(t)) eines Laserstrahlpulses (L), b) Ermitteln von Ausgangswerten (Δti,o) für die Pulsbreite eines jeden Anregungspulses (Ai) in Abhängigkeit vom gewählten Sollverlauf (Is(t)), c) Erzeugen eines Laserstrahlpulses (2) mit diesen Ausgangswerten (Δti,o), d) Messen des aktuellen zeitlichen Verlaufes der Intensität (Ia(t)) des Laserstrahlpulses (L), f) Vergleichen des aktuellen zeitlichen Verlaufs der Intensität (Ia(t)) des Laserstrahlpulses (L) mit dem Sollverlauf (Is(t)), g) Ermitteln eines geänderten Wertes (Δti,c) für die Pulsbreite zumindest eines der Anregungspulse (Ai), wenn die Abweichung (Δi) des aktuellen zeitlichen Verlaufes der Intensität (Ia(t)) des Laserstrahlpulses (L) vom Sollverlauf (Is(t)) in einem diesem Anregungspuls (Ai) zugeordneten Zeitintervall (i) einen vorgegebenen Grenzwert (Gi) überschreitet, h) Erzeugen eines aktuellen Laserstrahlpulses mit diesem geänderten Wert (Δti,c) oder diesen geänderten Werten, i) Wiederholen der Schritte c) bis h) bis die Abweichung (Δi) des aktuellen zeitlichen Verlaufes der Intensität (Ia(t)) des Laserstrahlpulses (L) vom Sollverlauf (Is(t)) für alle Zeitintervalle (i) den vorgegebenen Grenzwert (Gi) nicht mehr überschreitet.Method for controlling the pulse shape of a laser beam pulse (L) generated by a pulsed solid-state laser, in which a flashlamp ( 4 ) for optically pumping the laser-active medium ( 2 ) is supplied within a time window corresponding to the pulse duration (T) with a plurality of electrical excitation pulses (A i ), the pulse width (.DELTA.t i ) is much smaller than the pulse duration (T), with the following method steps: a) selection of a desired time course b) Determining output values (Δt i, o ) for the pulse width of each excitation pulse (A i ) as a function of the selected desired course (I s (t)), c) the intensity (I s (t)) of a laser beam pulse (L) ) Generating a laser beam pulse ( 2 ) with these initial values (Δt i, o ), d) measuring the current time course of the intensity (I a (t)) of the laser beam pulse (L), f) comparing the current time profile of the intensity (I a (t)) of laser pulse (L) with the target course (I s (t)), g) determining a modified value (at i, c) for the pulse width of at least one of the excitation pulses (a i) if the deviation (Δ i) of the current time profile the intensity (I a (t)) exceeds the laser pulse (L) from the desired course (I s (t)) in a this excitation pulse (a i) associated with time interval (i) a predetermined limit value (G i), h) generating a current Laser pulse with this changed value (Δt i, c ) or these changed values, i) repeating steps c) to h) to the deviation (Δ i ) of the current time course of the intensity (I a (t)) of the laser beam pulse (L ) from the desired course (I s (t)) for all time intervals (i) the predetermined limit value (G i ) not exceeding. Im Pulsbetrieb arbeitender Festkörperlaser mit einer Blitzlampe (4) zum optischen Pumpen eines laseraktiven Mediums (2) sowie einer Steuereinrichtung (12) zum Steuern der Blitzlampe (4) innerhalb eines Laserstrahlpulses (L) mit einer Vielzahl von pulsbreitenmodulierten Anregungspulsen (Ai), und mit einer Eingabeeinheit zur Vorgabe eines zeitlichen Sollverlaufes der Intensität (Is(t)) des Laserstrahlpulses (L) sowie mit einer Einrichtung (14) zum Messen des zeitlichen Verlaufes der Intensität (Ia(t)) des aktuellen Laserstrahlpulses (L), und mit einem in der Steuereinrichtung (12) implementierten Algorithmus zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1.Pulsed solid-state laser with a flashlamp ( 4 ) for optically pumping a laser-active medium ( 2 ) and a control device ( 12 ) for controlling the flash lamp ( 4 ) within a laser beam pulse (L) with a plurality of pulse width modulated excitation pulses (A i ), and with an input unit for specifying a desired time course of the intensity (I s (t)) of the laser beam pulse (L) and with a device ( 14 ) for measuring the time course of the intensity (I a (t)) of the current laser beam pulse (L), and with a in the control device ( 12 ) implemented algorithm for carrying out the method according to claim 1.
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