DE102007032253A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Lichtleistung eines mittels einer nichtlinear optischen Anordnung gewonnenen, Frequenz-konvertierten Laserstrahls - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Lichtleistung eines mittels einer nichtlinear optischen Anordnung gewonnenen, Frequenz-konvertierten Laserstrahls Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung der Lichtleistung eines mittels einer nichtlinear optischen Anordnung gewonnenen Frequenz-konvertierten Laserstrahls, bei dem ein Fundamentallaserstrahl mit einer Fundamentalwellenlänge durch die nichtlinear optische Anordnung gerichtet wird, so dass ein Teil des die nichtlinear optische Anordnung durchdringenden Fundamentallaserstrahls in einen Laserstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge als die Fundamentalwellenlänge konvertiert wird und als Frequenz-konvertierter Laserstrahl aus der nichtlinear optischen Anordnung austritt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtleistung des Ausgangslaserstrahls konstant gehalten wird und dass eine der nichtlinear optischen Anordnung zugeordnete Temperatur variiert wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung der Lichtleistung eines mittels einer nichtlinear optischen Anordnung gewonnenen, Frequenz-konvertierten Laserstrahls, bei dem ein Fundamentallaserstrahl mit einer Fundamentalwellenlänge durch die nichtlinear optische Anordnung gerichtet wird, so dass ein Teil des die nichtlinear optische Anordnung durchdringenden Ausgangslaserstrahls in einen Laserstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge als die Fundamentalwellenlänge konvertiert wird und als Frequenz-konvertierter Laserstrahl aus der nichtlinear optischen Anordnung austritt.
  • Stand der Technik
  • Systeme zur Frequenzkonversion von Laserlicht sind hinlänglich bekannt und sehen den Einsatz nichtlinear optischer Elemente in Form optisch doppelbrechender Kristalle vor, in denen sich bei Durchtritt von Laserstrahlung hoher Lichtintensität aufgrund nichtlinearer Polarisationseffekte höher harmonische Schwingungsanteile ausbilden. Häufig eingesetzte doppelbrechende Kristalle zur Frequenzkonversion stellen beispielsweise die nachfolgenden Kristalle dar: KTP, LiNbO, BBO, LBO, KDP, CLBO, um nur einige zu nennen.
  • Für den praktischen Einsatz derartiger nichtlinear optischer Kristalle zu Zwecken der Frequenzkonversion sei repräsentativ auf die US 5,278,852 verwiesen, die ein Laserresonatorsystem beschreibt mit einem optische gepumpten Neodym-YAG-Kristall, zur Erzeugung eines Fundamentallaserstrahls mit einer Wellenlänge von 1064 nm, sowie mit zwei im Strahlengang nacheinander angeordneten nichtlinear optischen Kristallen, beispielsweise eine Kombination aus einem KTP und einem BBO-Kristall, mit denen eine Frequenzverdopplung sowie eine Frequenzmischung durchgeführt wird. So können auf diese Weise ausgehend von der Fundamentalwellenlänge von 1064 nm höher harmonische Wellen erzeugt werden, d. h. eine Wellenlänge von 532 nm im Wege der Frequenzverdopplung, 355 nm im Wege einer Frequenzmischung der Fundamentalwellenlänge mit der zweiten harmonischen, man spricht in diesem Fall auch von einer Frequenzverdreifachung, sowie 266 nm im Wege der Frequenzvervierfachung.
  • Um möglichst mit großer Effizienz lichtleistungsstarke frequenzkonvertierte Laserstrahlungsanteile zu erhalten werden sämtliche die Lichtleistung der jeweiligen Strahlungsanteile beeinflussende Systemkomponenten optimiert, angefangen von der Lichtleistung des Fundamentallaserstrahls, der von einer Pumplichtlaserquelle ausgeht, mit der es gilt einen möglichst leistungsstarken Fundamentallaserstrahl zu erzeugen, über möglichst verlustreduzierte optische Elemente, zur Führung und Lenkung der sich ausbildenden und ausbreitenden Laserstrahlen, bis hin zur Optimierung von Lage und Betriebstemperatur der jeweils am Konversionsprozess beteiligten, nichtlinear optischen Kristalle. In den meisten Fallen werden derartige aparative Aufwendungen zur Erzeugung von Laserstrahlen im ultravioletten Spektralbereich vorgenommen, die für die unterschiedlichsten Applikationen sowohl im industriellen als auch wissenschaftlichen Bereich von großem Interesse sind. Neben einer möglichst großen Lichtleistung sind es gerade auch die Strahlparameter, die für den Einsatz von UV-Laserstrahlen von essentieller Bedeutung sind. So gilt es insbesondere, die Strahlparameter, d. h. im Wesentlichen die Strahlform und Lichtintensitätsverteilung längs des Strahlquerschnittes sowie auch die Modenstabilität anwenderspezifisch zu optimieren und darüber hinaus zu stabilisieren.
  • Gilt es aufgrund bestehender Anwendungserfordernisse die Lichtleistung des UV-Laserstrahls zu variieren, so bedient man sich bis anhin zweier Maßnahmen, nämlich entweder die Änderung der Pumplichtleistung, mit der die Fundamentallaserstrahlung zur Verfügung gestellt wird, oder der Einsatz eines die UV-Laserstrahlung abschwächenden Elementes, beispielsweise in Form eines geeignet konfektionierten UV-Filters, der in den Strahlengang der UV-Laserstrahlung eingebracht wird. Letztere Maßnahme ist mit zusätzlichen Kosten verbunden und erfordert zudem einen nutzerseitigen Arbeitsaufwand sowie aparativen Platzbedarf. Diese Zusatzaufwendungen lassen sich zwar mit einer bloßen Änderung der Pumplichtleistung bzw. der Änderung der Lichtleistung des Fundamentallaserstrahls vermeiden, doch ändern sich in diesem Fall die Strahlparameter der mit dem Lasersystem erzeugten UV-Strahlung, eine Erscheinung, die in den meisten Anwendungsfällen unerwünscht und daher unakzeptabel ist.
  • Darstellung der Erfindung
  • Es besteht die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung der Lichtleistung eines mittels einer nichtlinear optischen Anordnung gewonnenen, Frequenz-konvertierten Laserstrahls derart anzugeben, so dass einerseits keine teuren zusätzlichen aparativen sowie auch verfahrenstechnischen Aufwendungen erforderlich sind, andererseits die Strahlparameter des Frequenz-konvertierten Laserstrahls trotz Änderung der Lichtleistung unverändert, d. h. zeitlich konstant bleiben.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 4 ist eine lösungsgemäße Vorrichtung. Den lösungsgemäßen Gedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
  • Lösungsgemäß zeichnet sich ein Verfahren zur Regelung der Lichtleistung eines mittels einer nichtlinear optischen Anordnung gewonnenen, Frequenz-konvertierten Laserstrahls, bei dem ein Fundamentallaserstrahl mit einer Fundamentalwellenlänge durch die nichtlinear optische Anordnung gerichtet wird, so dass ein Teil des die nichtlinear optische Anordnung durchdringenden Fundamentallaserstrahls in einen Laserstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge als die Fundamentalwellenlänge konvertiert wird und als Frequenz-konvertierter Laserstrahl aus der nichtlinear optischen Anordnung austritt, dadurch aus, dass die Lichtleistung des Ausgangslaserstrahls konstant gehalten wird und eine der nichtlinear optischen Anordnung zuordenbare Temperatur variiert wird.
  • So ist lösungsgemäß erkannt worden, dass durch kontrollierte Einflussnahme auf die Temperatur, mit der die nichtlinear optische Anordnung zur Frequenzkonversion betrieben wird, zwar einerseits auf die Konversionseffizienz und damit verbunden auf die Lichtleistung des erzeugten Frequenz-konvertierten Laserstrahls Auswirkung hat, nicht jedoch auf die Strahlparameter, die trotz sich ändernder Temperatur der nichtlinear optischen Anordnung konstant bleiben.
  • Wie zum Stand der Technik erläutert, finden optisch doppelbrechende Kristalle bevorzugte Verwendung zur Frequenzkonversion. In besonders vorteilhafter Weise eignen sich doppelbrechende Kristalle im lösungsgemäßen Sinne, mit denen eine nichtkritische Phasenanpassung realisierbar ist, d. h. die dem Kristall zuordenbare Kristallachse wird bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Fundamentallaserstrahlung so gewählt, dass sich die Brechzahlen für die Grundwelle des Fundamentallaserstrahls sowie der sich innerhalb des Kristalls ausbildenden ersten Harmonischen, bei Temperaturvariation unterschiedlich stark ändern, so dass es möglich ist, die Phasenanpassungsbedingung zwischen Grund- und erster Oberwelle durch Temperaturvariation des doppelbrechenden Kristalls entscheidend zu beeinflussen, d. h. die Phasenanpassungsbedingungen und somit das Optimum der Frequenzkonversion sind bei einer bestimmten Kristalltemperatur erfüllt, wohingegen sich bei zunehmender Abweichung der Kristalltemperatur von der Phasenanpassungstemperatur die Konversionseffizienz verschlechtert und damit verbunden die Lichtleistung der sich ausbildenden Frequenz-konvertierten Laserstrahlung abnimmt.
  • Diese Zusammenhänge technisch nutzbar umsetzend macht sich das lösungsgemäße Verfahren zunutze, das eine gezielte Regelung der Frequenz-n Lichtaustrittsleistung durch gezielte Einflussnahme auf die Kristalltemperatur des die Frequenzkonversion hervorrufenden doppelbrechenden Kristalls vornimmt.
  • Das lösungsgemäße Verfahren vermag eine Vorrichtung technisch umzusetzen, die eine Regeleinheit vorsieht, die unter Vorgabe einer gewünschten Soll-Lichtleistung für den Frequenz-konvertierten Laserstrahl Regel- bzw. Steuersignale generiert, die an eine vorgesehene Temperiereinheit zugeführt werden, die die Temperatur der nichtlinear optischen Anordnung variabel einstellt. Zwar bedarf es zur Temperaturregelung der nichtlinear optischen Anordnung einer aufgrund der thermischen Trägheit der nichtlinear optischen Anordnung erforderlichen Mindestzeitdauer, bis sich eine bestimmte, zu erreichende Temperatur eingestellt hat, doch wird der mit der thermischen Trägheit verbundene zeitliche Regelungsaufwand billigend in Kauf genommen, zumal es durch diese lösungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht wird, die Strahlparameter des Frequenz-konvertierten Laserstrahls unverändert zu belassen. Dieser technologische Vorteil gewinnt insbesondere in jenen Fällen an Bedeutung, in denen die Pumplichtquelle, mit der die Fundamentallaserstrahlung erzeugt wird, nur in einem sehr begrenzten Pumplichtleistungsspektrum betrieben werden kann.
  • Auch vermeidet das lösungsgemäße Regelungskonzept zur Lichtleistungsvariation Frequenz-konvertierter Laserstrahlung sowohl den mit dem Einsatz von die Lichtleistung individuell abschwächenden UV-Filtern verbundenen Kostenaufwand sowie die darüber hinaus bestehende Problematik der UV-Licht bedingten Degradation derartiger Filter und den Umstand der hierdurch stark begrenzten Lebensdauer derartiger optischer Elemente.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
  • 1a, b schematische Darstellungen des lösungsgemäßen Regelungskonzeptes sowie
  • 2 Diagrammdarstellung zur Illustration der Lichtaustrittsleistungen verdoppelter sowie verdreifachter Strahlungsanteile eines Fundamentallaserstrahls mit der Wellenlänge 1064 nm.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • In 1a ist ein einfaches Ausführungsbeispiel zur Illustration des lösungsgemäßen Konzeptes zur Regelung der Lichtaustrittsleistung eines Frequenz-konvertierten Laserstrahls dargestellt. Es sei angenommen, dass aus der Pumplichtlaserquelle 1 ein Fundamentallaserstrahl 2 austritt, der einen doppelbrechenden Kristall 3 in Transmission passiert. Austrittsseitig, d. h. in der bildlichen Darstellung rechts vom doppelbrechenden Kristall 3, tritt ein Laserstrahl, bestehend aus Anteilen der Fundamentalwellenlänge 2 sowie der ersten harmonischen Wellenlänge 4, d. h. der Frequenz-konvertierte Laserstrahl 4, aus. Mit Hilfe eines geeigneten Detektors 5 wird die Lichtleistung des Frequenz-konvertierten Laserstrahls 4 erfasst, beispielsweise unter Vorschaltung eines nicht weiter bildlich dargestellten Filters, der ausschließlich den Frequenz-konvertierten Laserstrahl 4 durchlässt. Zur Einstellung einer gewünschten Lichtaustrittsleistung des Frequenz-konvertierten Laserstrahls 4 wird ein von dem Detektor 5 generiertes Signal an eine Regeleinheit 6 weitergeleitet, die mit einer Temperiereinheit 7 verbunden ist, die wiederum den doppelbrechenden Kristall 3 zu temperieren vermag.
  • Lösungsgemäß wird vorgeschlagen, bei konstanter Pumplichtleistung die Temperatur des doppelbrechenden Kristalls 3 zu ändern, um eine gewünschte Lichtaustrittsleistung bezüglich des Frequenz-konvertierten Laserstrahls 4 zu erhalten. Der der Lichtleistungsvariation des Frequenz-konvertierten Laserstrahls 4 zugrunde liegende Wirkmechanismus ist vorstehend beschrieben und basiert letztlich auf dem Vorsehen einer nicht kritischen Phasenanpassung des doppelbrechenden Kristalls 3, bei der die der Grundwelle und Oberwelle innerhalb des Kristalls 3 zuordenbaren Brechzahlen unterschiedlich temperaturabhängig sind.
  • Eine erweiterte Ausführungsform zur Frequenzverdreifachung und somit zur hinlänglich bekannten Erzeugung von UV-Laserlicht ist in 1b dargestellt, die, um Wiederholungen zu vermeiden, eine gegenüber der Ausführungsform in 1a ergänzte Komponente aufweist, nämlich einen weiteren doppelbrechenden Kristall 8, der in Strahlrichtung dem doppelbrechenden Kristall 3 zur Frequenzverdopplung nachgeordnet ist. Sämtliche bereits beschriebenen Komponenten weisen die gleichen Bezugszeichen wie im vorstehenden Ausführungsbeispiel auf. In ähnlicher Weise wie die Ausbildung der ersten harmonischen Laserstrahlung 2 erfolgt innerhalb des doppelbrechenden Kristalls 8 im Wege der Frequenzmischung die Erzeugung der dritten harmonisches Laserstrahlung 9, die eine Wellenlänge von 355 nm aufweist, sofern der Pumplichtlaserstrahl 2 eine Wellenlänge von 1064 nm besitzt, der mittels eines Neodym-YAG-Lasers gewonnen werden kann. Die innerhalb des doppelbrechenden Kristalls 8 erfolgende Frequenzmischung beruht auf der Mischung des Frequenz-verdoppelten Laserstrahls 2 mit einer Wellenlänge von 532 nm und des Fundamentallaserstrahls 4 mit 1064 nm. Nicht notwendigerweise, jedoch in vorteilhafter Form kann zur Beeinflussung der UV-Lichtleistung auch der doppelbrechende Kristall 8 mit einer Temperiereinheit 7' kombiniert werden, die gleichsam zur Temperiereinheit 7 mit der Regeleinheit 6 verbunden ist. Wiederum erfolgt die Regelung auf Basis einer gewünschten Lichtaustrittsleistung des UV-Lichtanteils. In diesem Falle durch gezielte Temperierung zumindest des doppelbrechenden Kristalls 3, gegebenenfalls auch des doppelbrechenden Kristalls 8.
  • Werden sämtliche, zur Frequenzverdreifachung erforderlichen Komponenten für eine optimierte Frequenzkonversion justiert, d. h. der Pumplichtlaser 1 liefert maximale Pumplichtleistung, die doppelbrechenden Kristalle 3 und 8 werden mit optimaler Betriebstemperatur temperiert, um Phasenanpassungsbedingungen zu gewährleisten, so ist es beispielsweise möglich, eine UV-Laserstrahlleistung von 5 W zu generieren. Besteht anwenderseitig der Wunsch nach einer variablen Abschwächung der UV-Lichtleistung, so ist zwar eine minimale Variation der Lichtleistung ohne nennenswerte Änderungen der Strahlparameter durch eine Variation der Pumplichtleistung möglich, doch würden darüber hinaus gehende Leistungsvariationen zu unakzeptablen Beeinträchtigungen der Strahlparameter führen. An dieser Stelle ermöglicht das lösungsgemäße Regelungskonzept eine nahezu vollständige Reduzierung der UV-Austrittsleistung, beispielsweise durch Änderung der Temperatur des doppelbrechenden Kristalls 3 gemäß dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel in 1b, ohne dabei die Strahlparameter der UV-Lichtstrahlung 9 zu verändern.
  • In 2 ist eine Diagrammdarstellung zur Illustration der Lichtleistungen der Frequenz-verdoppelten Laserstrahlung 4 bei einer Wellenlänge von 532 nm sowie der UV-Laserstrahlung 9 bei 355 nm in Abhängigkeit der Temperatur des Frequenz-verdoppelten Kristalls dargestellt. Für eine optimale Erzeugung von UV-Lichtstrahlung bei 355 nm ist ein Konversionsanteil von grünem Lichtanteil nach der Frequenzverdopplung von ca. 45% erforderlich ist, d. h. vor Eintritt in den Frequenzverdreifachenden Kristall ist ein Wellenlängenverhältnis von Fundamentalwellenlänge von 1064 nm zu 532 nm von 55:45 erforderlich. Stellt man die optimale Temperatur zur Erzeugung einer Frequenz-verdoppelten Laserstrahlung beim Frequenz-verdoppelten Kristall ein, so zeigt sich, dass der Anteil der Frequenz-verdoppelten Laserstrahlung im Verhältnis zur Fundamentallaserstrahlung zu groß ist, so dass sich eine reduzierte Effizienz zur Erzeugung der Frequenz-verdreifachten Laserstrahlung einstellt (siehe hierzu zentrales Minimum der UV-Lichtleistungskurve). Wird hingegen die Temperatur des doppelbrechenden Kristalls der Frequenzverdopplung gezielt entweder von der Idealtemperatur Tmax 532 um einen Betrag abgesenkt oder entsprechend angehoben, so wird das für die Erzeugung von UV-Licht optimale Verhältnis aus Fundamentalwellenlänge und Frequenz-verdoppelter Laserstrahlung erreicht.
  • 1
    Pumplichtlaser
    2
    Fundamentallaserstrahl
    3
    Doppelbrechender Kristall, Frequenzverdoppler
    4
    Frequenz-konvertierter Laserstrahl, Frequenz-verdoppelter Laserstrahl
    5
    Detektor
    6
    Regeleinheit
    7
    Temperiereinheit
    8
    Doppelbrechender Kristall, Frequenzverdreifacher
    9
    UV-Laserstrahl
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5278852 [0003]

Claims (4)

  1. Verfahren zur Regelung der Lichtleistung eines mittels einer nichtlinear optischen Anordnung gewonnenen, Frequenz-konvertierten Laserstrahls, bei dem ein Fundamentallaserstrahl mit einer Fundamentalwellenlänge durch die nichtlinear optische Anordnung gerichtet wird, so dass ein Teil des die nichtlinear optische Anordnung durchdringenden Fundamentallaserstrahls in einen Laserstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge als die Fundamentalwellenlänge konvertiert wird und als Frequenz-konvertierter Laserstrahl aus der nichtlinear optischen Anordnung austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleistung des Ausgangslaserstrahls konstant gehalten wird, und dass eine der nichtlinear optischen Anordnung zuordenbare Temperatur variiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlinear optische Anordnung wenigstens einen nichtlinear optisch doppelbrechenden Kristall aufweist, dessen Kristallachse zur optischen Achse, längs der sich der Fundamentallaserstrahl ausbreitet, derart orientiert wird, so dass eine nichtkritische oder zumindest nahezu nichtkritische Phasenanpassung vorherrscht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Frequenzverdreifachung oder höher harmonischen Konversion der Fundamentalwellenlänge wenigstens zwei nichtlinear optisch doppelbrechende Kristalle verwendet werden, von denen wenigstens ein Kristall derart variabel temperiert wird, dass die Lichtleistung des frequenzkonvertierten Laserstrahls geregelt wird.
  4. Vorrichtung zur Regelung der Lichtleistung eines mittels einer nichtlinear optischen Anordnung gewonnenen, Frequenz-konvertierten Laserstrahls, bei der ein Fundamentallaserstrahl mit einer Fundamentalwellenlänge durch die nichtlinear optische Anordnung gerichtet ist, so dass ein Teil des die nichtlinear optische Anordnung durchdringenden Ausgangslaserstrahls in einen Laserstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge als die Fundamentalwellenlänge konvertierbar ist und als Frequenz-konvertierter Laserstrahl aus der nichtlinear optischen Anordnung austritt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinheit vorgesehen ist, die mit einer mit der nichtlinear optischen Anordnung in thermischen Kontakt stehenden Temperiereinheit verbunden ist, dass die Regeleinheit unter Vorgabe einer Soll-Lichtleistung für den Frequenz-konvertierten Laserstrahl die Temperiereinheit zur Einstellung eines bestimmten Temperaturniveaus ansteuert.
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