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Technisches Gebiet
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darstellung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1a,
b schematische Darstellungen des lösungsgemäßen
Regelungskonzeptes sowie
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2 Diagrammdarstellung
zur Illustration der Lichtaustrittsleistungen verdoppelter sowie
verdreifachter Strahlungsanteile eines Fundamentallaserstrahls mit
der Wellenlänge 1064 nm.
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Wege zur Ausführung der Erfindung,
gewerbliche Verwendbarkeit
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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