DE102008003575B4

DE102008003575B4 - Verfahren und Hybrid-Lasersystem zum Erzeugen wahlweise eines Ultrakurzpulses oder eines Kurzpulses

Info

Publication number: DE102008003575B4
Application number: DE102008003575.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Sutter; Malte Kumkar
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2028-01-10
Also published as: DE102008003575A1

Abstract

Verfahren zum Erzeugen wahlweise eines ersten Laserpulses (2) in Form eines Ultrakurzpulses oder eines zeitlich längeren zweiten Laserpulses (3) mit einer gegenüber dem ersten Laserpuls (2) anderen Pulsform, mit folgenden Schritten: – Erzeugen eines einzelnen Ultrakurzpulses (5); und – wahlweise entweder Verwenden des einzelnen Ultrakurzpulses (5) als ersten Laserpuls (2) oder Erzeugen einer Gruppe (7) von Ultrakurzpulsen (8) aus dem einzelnen Ultrakurzpuls (5), wobei die gewünschte Pulsform des zweiten Laserpulses (3) durch die Gruppe (7) von Ultrakurzpulsen (8) nachgebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Hybrid-Lasersystem zum Erzeugen wahlweise eines ersten Laserpulses in Form eines Ultrakurzpulses oder eines zeitlich längeren zweiten Laserpulses mit einer gegenüber dem ersten Laserpuls anderen Pulsform.
In der Materialbearbeitung werden unterschiedliche Laserpulse entsprechend unterschiedlicher Bearbeitungsschritte, wie bspw. zur Grob- und Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen eingesetzt. Analog zum „Schruppen und Schlichten” kann eine effiziente Präzisionsbearbeitung Grob- und Feinbearbeitungsschritte kombinieren. Schruppen und Schlichten zählen zu den abtragenden Fertigungsverfahren und werden über die Abtragrate definiert: Bei der Laserbearbeitung erfolgt das Schruppen über einen Volumenabtrag, während zum Schlichten Kaltablation eingesetzt wird. Zum Schruppen einer Werkstückoberfläche dienen beispielsweise Kurzpulse (< ca. 0,5 ns) mit hoher Pulsenergie und zum Schlichten Ultrakurzpulse (< ca. 50 ps) mit hoher Spitzenintensität. Die Ultrakurzpulse werden mit einem separaten Ultrakurzpulslaser und die Kurzpulse mit einem separaten Kurzpulslaser erzeugt, was einen hohen Material- und Kostenaufwand bedeutet.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Ultrakurzpulse und Kurzpulse mit möglichst geringerem Material- und Kostenaufwand zu erzeugen und ein zugehöriges Lasersystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Hybrid-Lasersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Der erste Laserpuls weist vorzugsweise eine Pulsdauer von kleiner als ca. 50 ps, bevorzugt kleiner als ca. 10 ps, auf. Vorzugsweise ist die Gesamtdauer der Gruppe von Ultrakurzpulsen kleiner als ca. 0,5 ns, bevorzugt höchstens ca. 0,1 ns, und sind die Pulsdauern der Ultrakurzpulse der Gruppe jeweils kleiner als ca. 50 ps, bevorzugt kleiner als ca. 10 ps.
Erfindungsgemäß wird ein System aus Kurz- und Ultrakurzpulslasern durch einen einzigen Ultrakurzpulslaser mit einer zuschaltbaren Pulsgruppenerzeugungseinrichtung ersetzt, wobei die gewünschte Pulsform des längeren zweiten Laserpulses (Kurzpulses) durch eine Gruppe von Ultrakurzpulsen nachgebildet bzw. simuliert wird. Zum Schruppen einer Werkstückoberfläche dient der Kurzpuls (bzw. Ultrakurzpuls-Zug) des Ultrakurzpulslasers, der eine höhere mittlere Leistung bzw. Gesamtenergie als der einzelne Ultrakurzpuls aufweist. Zum Schlichten der Werkstückoberfläche wird dann durch Ausschalten der Pulsgruppenerzeugungseinrichtung auf den einzelnen Ultrakurzpuls umgeschaltet.
Das Lasersystem kann vorteilhaft auch bei der Frequenzkonversion eingesetzt werden. Die Auswahl und die Dimensionierung eines nichtlinearen optischen Kristalls zur Frequenzkonversion, wie z. B. LiNbO3 oder LBO, werden gezielt auf eine vorgegebene Pulsform, d. h. Pulsdauer und -intensität, abgestimmt. Ist der nichtlineare Kristall auf den einzelnen Ultrakurzpuls des Ultrakurzpulslasers abgestimmt, kann bei veränderten Bedingungen auf den Kurzpuls umgeschaltet werden, da die den Kurzpuls nachbildende Pulsgruppe den veränderten Bedingungen besser angepasst werden kann als ein Einzelpuls.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Ultrakurzpulse der Gruppe identisch. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist zumindest der erste Ultrakurzpuls der Gruppe eine von der Intensität der nachfolgenden Ultrakurzpulse der Gruppe unterschiedliche Intensität auf und kann in Betrag und Abstand derart gewählt werden, dass er eine günstige Konditionierung für die nachfolgenden Ultrakurzpulse darstellt.
Vorzugsweise weist die Pulsgruppenerzeugungseinrichtung eine optische Verzögerungseinrichtung mit mindestens einer Verzögerungsstrecke zur Verzögerung eines in einer ersten Polarisationsrichtung polarisierten Pulsanteils gegenüber einem in einer zweiten Polarisationsrichtung polarisierten Pulsanteil auf. Andere bekannte und ebenso einsetzbare Methoden zur Erzeugung geeigneter Pulszüge basieren auf unterschiedlichen Pulsausbreitungsgeschwindigkeiten in doppelbrechenden Kristallen oder akusto-optischen programmierbaren Filtern oder aber adaptiven Filtern basierend auf räumlicher Lichtmodulation („Spatial Light Modulators”), um nur einige Beispiele zu nennen.
Der erste und der zweite Laserpuls werden bevorzugt in einem (bevorzugt linearen) Faserverstärker oder in einem (bevorzugt) regenerativen Scheibenverstärker verstärkt, da so der erste und der zweite Laserpuls trotz ihres Leistungsunterschiedes keine unerwünschten unterschiedlichen Strahlparameter, sondern gleiche Strahlparameter aufweisen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines regenerativen Scheibenverstärkers, da dieser bei der für die Materialbearbeitung notwendigen Taktrate im ungesättigten, sog. transienten Regime betrieben werden kann (Alexander Killi, Dissertation Uni Heidelberg). Dabei ist der Pulsabstand deutlich kürzer als die Lebensdauer im angeregten Medium, und eine (gewollte) Energiefluktuation des Eingangspulszugs wird linear der Energie des Ausgangspulszuges aufgeprägt, während im gesättigten Betrieb bereits ein einzelner Puls die zur Verstärkung im Verstärkungsmedium gespeicherte Energie nahezu komplett abruft und für Folgepulse diese erst wieder über eine gewisse Zeit aufgebaut werden muss.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 schematisch das erfindungsgemäße Hybrid-Lasersystem zur Erzeugung wahlweise eines ersten Laserpulses oder eines zeitlich längeren zweiten Laserpulses mit einer gegenüber dem ersten Laserpuls unterschiedlichen Pulsform, wobei die gewünschte Pulsform des zweiten Laserpulses durch eine Gruppe von identischen Ultrakurzpulsen nachgebildet ist;
2 eine andere Pulsform des zweiten Laserpulses, der durch eine Gruppe von Ultrakurzpulsen nachgebildet ist, von denen der erste Ultrakurzpuls eine höhere Intensität als die nachfolgenden Ultrakurzpulse der Gruppe aufweist (2a), sowie den zugehörigen verstärkten zweiten Laserpuls (2b);
3 ein Ausführungsbeispiel der in 1 gezeigten Einrichtung zur Erzeugung einer Gruppe von Ultrakurzpulsen aus einem einzelnen Ultrakurzpuls mithilfe von zwei optischen Verzögerungsstrecken;
4 ein Ausführungsbeispiel des in 1 gezeigten Verstärkers zum Verstärken des ersten und zweiten Laserpulses; und
5 ein anderes Ausführungsbeispiel des in 1 gezeigten Verstärkers mit Frequenzverdopplung und Nutzung derselben zur Trennung von Eingangs- und Ausgangspuls(-zug).
Das in 1 gezeigte Hybrid-Lasersystem 1 dient zur Erzeugung wahlweise eines ersten Laserpulses 2 in Form eines Ultrakurzpulses oder einer Pulsgruppe 7 aus Einzelpulsen 8, die einen zeitlich längeren zweiten Puls 3 simulieren. Der erste Laserpuls 2 hat beispielsweise eine Pulsdauer von kleiner als 10 ps und der zweite Laserpuls beispielsweise eine Pulsdauer von kleiner als 0,5 ns.
Das Lasersystem 1 umfasst einen Ultrakurzpulslaser 4 zum Erzeugen eines einzelnen Ultrakurzpulses 5 und eine in dessen Strahlengang – z. B. über geeignete optische Weichen bzw. Schalter – zuschaltbare Pulsgruppenerzeugungseinrichtung 6, die im nicht zugeschalteten Zustand den einzelnen Ultrakurzpuls 5 als den ersten Laserpuls 2 (im Wesentlichen unverändert) durchlässt und im zugeschalteten Zustand aus dem einzelnen Ultrakurzpuls 5 die Gruppe 7 von identischen Ultrakurzpulsen 8 erzeugt, wobei die gewünschte Pulsform des zweiten Laserpulses 3 durch die Gruppe 7 von Ultrakurzpulsen 8 nachgebildet ist. Die Ultrakurzpulse 8 haben beispielsweise Pulsdauern von jeweils kleiner als 10 ps. Im Strahlengang des ersten und zweiten Laserpulses 2, 3 hinter der Pulsgruppenerzeugungseinrichtung 6 ist ein Verstärker 9 angeordnet, um die beiden Laserpulse 2, 3 jeweils zu verstärken. Der verstärkte erste Laserpuls, also der verstärkte einzelne Ultrakurzpuls, ist mit 2' und der verstärkte zweite Laserpuls, also die Gruppe 7' von verstärkten Ultrakurzpulsen 8', mit 3' bezeichnet.
In 2a ist eine andere Pulsform des zweiten Laserpulses 3 gezeigt, der durch eine Gruppe von Ultrakurzpulsen 8 nachgebildet ist, von denen der erste Ultrakurzpuls 8a eine höhere Intensität als die nachfolgenden Ultrakurzpulse 8 der Gruppe 7 aufweist. Mit anderen Worten ist die zugehörige Pulsgruppenerzeugungseinrichtung 6 ausgebildet, aus dem einzelnen Ultrakurzpuls 5 des Ultrakurzlasers 4 eine Gruppe von Ultrakurzpulsen 8 zu erzeugen, von denen der erste Ultrakurzpuls 8a eine höhere Intensität als die nachfolgenden Ultrakurzpulse aufweist. Entsprechend weist auch der erste verstärkte Ultrakurzpuls 8a' eine höhere Intensität als die nachfolgenden verstärkten Ultrakurzpulse 8' der Gruppe 7' auf, wie in 2b gezeigt ist. Der erste verstärkte Ultrakurzpuls 8a' wird bevorzugt in Betrag und Abstand derart gewählt, dass er eine günstige Konditionierung für die nachfolgenden verstärkten Ultrakurzpulse 8' darstellt. Entsprechend kann es in anderen Anwendungen vorteilhaft sein, wenn der erste Ultrakurzpuls eine geringere Energie aufweist als die folgenden. Auch die Aufprägung von Energie-Rampen, bei denen die Energie der Ultrakurzpulse innerhalb eines Pulszuges zunächst ansteigt und dann wieder abfällt oder nur ansteigt oder nur abfällt, kann vorteilhaft sein. Ferner muss der zeitliche Abstand der Ultrakurzpulse innerhalb eines Pulszuges nicht zwingend gleich sein, sondern kann auch von Ultrakurzpuls zu Ultrakurzpuls variieren. Entscheidend ist, dass die maximale Ultrakurzpulsenergie der Eingangspulse in den Verstärker die maximal zulässige Eingangsenergie des Verstärkers nicht übersteigt.
Das Hybrid-Lasersystem 1 kann zum Beispiel in der Materialbearbeitung zur Grob- und Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen, insbesondere zum Schruppen und Schlichten, eingesetzt werden. Zum Schruppen einer Werkstückoberfläche wird durch Zuschalten der Pulsgruppenerzeugungseinrichtung 6 auf den aus Ultrakurzpulsen 8' nachgebildeten Kurzpuls („Burst”) 3' umgeschaltet, der nach der Verstärkung eine höhere Gesamtenergie aufweist und bei selber Taktrate mit entsprechend höherer mittlerer Leistung generiert werden kann. Zum Schlichten der Werkstückoberfläche wird dann die Pulsgruppenerzeugungseinrichtung 6 deaktiviert. Die verstärkten einzelnen Ultrakurzpulse 2' weisen eine entsprechend reduzierte mittlere Intensität als der verstärkte Kurzpuls 3' auf und werden zum möglichst schmelzfreien Präzisionsabtrag verwendet.
3 zeigt schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Pulsgruppenerzeugungseinrichtung 6 mit zwei optischen Verzögerungsstrecken. Der in die Pulsgruppenerzeugungseinrichtung 6 linear polarisiert eintretende Ultrakurzpuls 5 wird an einem Umlenkspiegel 10 um 90° umgelenkt und durchläuft ein erstes λ/4-Plättchen 11, wodurch der Ultrakurzpuls 5 zirkular polarisiert wird, wie durch den Pfeil 12 angedeutet ist. Dieser zirkular polarisierte Puls trifft auf einen ersten polarisationsabhängigen Strahlteiler 13, der den s-polarisierten Pulsanteil (Pfeilspitze 14) um 90° reflektiert und den p-polarisierten Pulsanteil (Pfeil 15) durchlässt. Die beiden s- und p-polarisierten Pulse 14, 15 werden jeweils an zwei Umlenkspiegeln 16 bzw. 17 um 180° umgelenkt und treffen auf einen zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler 18, der den p-polarisierten Puls 15 durchlässt und den s-polarisierten Puls 14 in Richtung des p-polarisierten Pulses 15 um 90° umlenkt. Indem die optische Weglänge zwischen den beiden Strahlteilern 13 und 18 für den p-polarisierten Puls 15 größer als für den s-polarisierten Puls 14 gewählt ist, ist nunmehr der p-polarisierte Puls 15 gegenüber dem s-polarisierten Puls 14 entsprechend verzögert. Das λ/4-Plättchen 11, die Strahlteiler 13, 18 und die Umlenkspiegel 16, 17 bilden somit eine erste optische Verzögerungsstrecke 35a zur Verzögerung eines in einer ersten Polarisationsrichtung polarisierten Pulsanteils gegenüber einem in einer zweiten Polarisationsrichtung polarisierten Pulsanteil. Die beiden zeitversetzten s- und p-polarisierten Pulse 14, 15 durchlaufen ein zweites λ/4-Plättchen 19, wodurch sie zirkular polarisiert werden, wie durch die Pfeile 20, 21 angedeutet ist. Diese beiden zeitversetzten Pulse 20, 21 treffen auf einen dritten polarisationsabhängigen Strahlteiler 22, der die s-polarisierten Pulsanteile (Pfeilspitzen 23) der beiden zeitversetzten Pulse 20, 21 um 90° reflektiert und die p-polarisierten Pulsanteile (Pfeile 24) durchlässt. Diese s- und p-polarisierten Pulse 23, 24 werden jeweils an zwei Umlenkspiegeln 25 bzw. 26 um 180° umgelenkt und treffen auf einen vierten polarisationsabhängigen Strahlteiler 27, der die p-polarisierten Pulse 24 durchlässt und die s-polarisierten Pulse 23 in Richtung der p-polarisierten Pulse 24 um 90° umlenkt. Indem die optische Weglänge zwischen den beiden Strahlteilern 22 und 27 für die p-polarisierten Pulse 24 größer als für die s-polarisierten Pulse 23 gewählt ist, sind nunmehr die beiden p-polarisierten Pulse 24 gegenüber den beiden s-polarisierten Pulsen 23 entsprechend verzögert. Das λ/4-Plättchen 19, die Strahlteiler 22, 27 und die Umlenkspiegel 25, 26 bilden somit eine zweite optische Verzögerungsstrecke 35b zur Verzögerung eines in einer ersten Polarisationsrichtung polarisierten Pulsanteils gegenüber einem in einer zweiten Polarisationsrichtung polarisierten Pulsanteil.
Die vier zeitversetzten s- und p-polarisierten Pulse 23, 24 durchlaufen ein drittes λ/4-Plättchen 28, wodurch sie zirkular polarisiert werden, wie durch die Pfeile 29, 30 angedeutet ist. Diese zeitversetzten Pulse 29, 30 treffen auf einen vierten polarisationsabhängigen Strahlteiler 31, der die vier zeitversetzten s-polarisierten Pulsanteile (Pfeilspitzen 32) um 90° reflektiert und die vier zeitversetzten p-polarisierten Pulsanteile (Pfeile 33) zu einer Diagnoseeinrichtung oder einem Absorber 34 durchlässt. Die vier zeitversetzten s-polarisierten Pulse 33 treten als Gruppe 7 von vier Ultrakurzpulsen 8 aus der Pulsgruppenerzeugungseinrichtung 6 aus. Die Pulsgruppenerzeugungseinrichtung 6 erzeugt also eine linear polarisierte Pulsgruppe, die insbesondere für einen polarisationssensitiven Verstärker wie den regenerativen Scheibenverstärker geeignet ist. Bei einem nicht polarisationssensitiven Verstärker wie dem Faser-Linearverstärker können Pulse 3 mit beiden Polarisationsanteilen verwendet werden, so dass dann der polarisationsabhängige Strahlteiler 31 nicht erforderlich ist, sofern die Bearbeitung nicht bevorzugt linear polarisiertes Licht erfordert. Selbstverständlich können auch andere, dem Fachmann bekannte Methoden zur Pulsgruppenerzeugung Verwendung finden, inklusive solcher, bei denen die Form der Pulsgruppe frei wählbar und rasch veränderbar ist.
Der Verstärker 9 ist in 4 beispielhaft als regenerativer Verstärker ausgeführt, dessen Funktionsweise im Folgenden anhand des zweiten Laserpulses 3 beschrieben wird. Alle Ultrakurzpulse 8 der den zweiten Laserpuls 3 bildenden Gruppe 7 werden im regenerativen Verstärker 9 gemeinsam durch mehrfache Umläufe verstärkt und gemeinsam als Gruppe 7' von verstärkten Laserpulsen 8' ausgekoppelt.
Vor Eintritt in einen Verstärkerresonator 40 des regenerativen Verstärkers 9 geht die Gruppe 3 von Ultrakurzpulsen 8 durch einen Pulsseparator 41, umfassend einen polarisationsabhängigen Strahlteiler 42, einen Faraday-Rotator 43 und ein λ/2-Plättchen 44, welche dazu dienen, die in den Verstärkerresonator 40 eintretende Gruppe 3 von Ultrakurzpulsen 8 von der aus dem Verstärkerresonator 40 austretenden Gruppe 3' von verstärkten Ultrakurzpulsen 8' zu trennen, wie nachfolgend noch im einzelnen beschrieben wird.
Nach Durchlaufen des Pulsseparators 41 wird die Gruppe 3 von Ultrakurzpulsen 8 über einen zum Verstärkerresonator 40 gehörenden polarisationsabhängigen Strahlteiler (Kopplungseinrichtung) 45 gemeinsam in den Verstärkerresonator 40 eingekoppelt, welcher endseitig jeweils einen hochreflektierenden Rückspiegel 46, 47 aufweist. Die eingekoppelte Gruppe von Laserpulsen durchläuft anschließend ein λ/4-Plättchen 48 sowie eine noch nicht unter Hochspannung stehende Pockelszelle 49, trifft auf den Rückspiegel 46 und läuft durch Pockelszelle 49 und λ/4-Plättchen 48 zurück zum Strahlteiler 45. Durch den Doppeldurchgang durch das λ/4-Plättchen 48 ist die Polarisation der Laserpulse um 90° gedreht, so dass die Gruppe von Laserpulsen vom Strahlteiler 45 zum Verstärkungselement (z. B. Scheibenlaserkristall) 50 des regenerativen Verstärkers 9 durchgelassen wird. Nach Durchlauf durch das Verstärkerelement 50 wird die Gruppe von Laserpulsen am Rückspiegel 47, der durch die verspiegelte Rückseite des Verstärkungselements 50 gebildet sein kann, reflektiert und durchläuft erneut das Verstärkerelement 50. Zwischenzeitlich ist an die Pockelszelle 49 eine derartige Hochspannung angelegt, dass für alle folgenden Umläufe der Gruppe von Laserpulsen im Verstärkerresonator 40 die vom λ/4-Plättchen 48 bewirkte Polarisationsdrehung von der Pockelszelle 49 kompensiert wird. Die Gruppe von Laserpulsen mit um 90° gedrehter Polarisation läuft so lange im Verstärkerresonator 40 um, wie die Hochspannung an der Pockelszelle 49 anliegt. Je nach geforderter Gesamtverstärkung durchläuft die ursprünglich eingekoppelte Gruppe 7 von Ultrakurzpulsen 8 z. B. mehr als 100mal den Verstärkerresonator 40 und wird dabei verstärkt, wobei die Gesamtdauer der im Verstärkerresonator 40 umlaufenden Gruppe von Ultrakurzpulsen kleiner als die Umlaufzeit eines einzelnen Ultrakurzpulses im Verstärkerresonator 40 ist. Nach Abschalten der Hochspannung tritt eine erneute 90°-Drehung der Polarisation der Laserpulse durch das λ/4-Plättchen 48 ein, so dass die Laserpulse nun über den polarisationsabhängigen Strahlteiler 45 gemeinsam als Gruppe 3' von verstärkten Ultrakurzpulsen 8' aus dem Verstärkerresonator 40 ausgekoppelt werden. Die so ausgekoppelte Gruppe 3' von verstärkten Laserpulsen 8' durchläuft den Pulsseparator 41, wird an dessen polarisationsabhängigem Strahlteiler 42 reflektiert und kann, wie oben ausgeführt, beispielsweise zur Materialbearbeitung eines Werkstücks genutzt werden („Burst Machining”). Die Pumpleistung des Verstärkers wird bevorzugt zwischen den Pulsgruppen und den Einzelpulsen derart reduziert, dass die zum Schruppen verwendeten Pulsgruppen die zulässige Maximalenergie des Verstärkers genausowenig überschreiten wie die zum Schlichten verwendeten Einzelpulse. Zur Vermeidung einer von der mittleren Verstärkerleistung abhängigen Strahlgeometrie wird bevorzugt eine dünne Laserscheibe im Verstärker eingesetzt, welche sich durch eine sehr effiziente Kühlung und daher vernachlässigbare thermische Linsenwirkung auszeichnet.
Zur Bearbeitung gewisser Materialien (wie z. B. Kupfer, Silizium und viele mehr) eignen sich bekanntlich besonders frequenzkonvertierte Laserpulse, wie sie üblicherweise in einer dem Pulsseparator eines Verstärkers auf Grund der Intensitätsabhängigkeit der Frequenzkonversion nachgeschalteten Frequenzkonversionseinheit erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Möglichkeit, Gruppen von Pulsen mit kontrolliert gleichbleibender Maximalintensität zu erzeugen, führt zu einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die beispielhaft in 5 dargestellt ist. Der nun nichtlinear-optische Strahlseparator 41' kommt ohne Faraday-Rotator und Halbwellenplättchen aus, was insbesondere wegen der thermischen Linseneigenschaft des Faraday-Rotators vorteilhaft ist. Der verstärkte Puls wird vielmehr in einem Frequenzkonverter 51 in Wellenlänge und/oder Polarisation geändert. Der Frequenzkonverter kann aus einem nichtlinear-optischen Kristall 52 und ggfs. zusätzlichen Linsen 53 zur Strahlanpassung bestehen. Während die intensiven, hochenergetisch verstärkten Pulse konvertiert werden, durchlaufen die niederenergetischen Eingangspulse den Konverter in umgekehrter Richtung wegen der Intensitätsabhängigkeit des nichtlinearen Prozesses, ohne konvertiert zu werden. Die Strahltrennung erfolgt durch einen dichroitischen Spiegel 42' (oder falls das nichtlineare Element nur die Polarisation dreht, nicht aber die Wellenlänge verändert, wiederum durch einen polarisationsabhängigen Strahlteiler). Sowohl der dichroitische Spiegel 42' als auch der Konverter 51 werden bei einem frequenzkonvertierten Verstärker ohnehin eingesetzt und verursachen somit keine Zusatzkosten/-anforderungen. Das nicht-konvertierte Licht der Grundwellenlänge hat bei guter Auslegung des Konverters höchstens noch ein Drittel der originalen mittleren Leistung, so dass auch die thermischen Effekte im ggfs. zur Isolation des Oszillators weiterhin in einer optischen Diode 42' notwendigen Rotator deutlich reduziert werden. Für Pulszüge mit unterschiedlichen Energien der individuellen Pulse entsprechend 2a wäre der frequenzkonvertierte Pulszug zwar nicht mehr linear, aber dennoch deterministisch vom Eingangspulszug abhängig und die Isolation der verstärkten Pulse dann auf die energetischten des Pulszuges auszulegen, so dass zwar die weniger energetischen weniger effizient konvertiert werden und eher zum Oszillator zurückkehren, wobei sie den Oszillator aber auch wegen ihrer geringeren Energie weniger beeinflussen (bzw. ggfs. bei Verwendung einer optischen Diode 42' gar nicht).

Claims

Verfahren zum Erzeugen wahlweise eines ersten Laserpulses (2) in Form eines Ultrakurzpulses oder eines zeitlich längeren zweiten Laserpulses (3) mit einer gegenüber dem ersten Laserpuls (2) anderen Pulsform, mit folgenden Schritten: – Erzeugen eines einzelnen Ultrakurzpulses (5); und – wahlweise entweder Verwenden des einzelnen Ultrakurzpulses (5) als ersten Laserpuls (2) oder Erzeugen einer Gruppe (7) von Ultrakurzpulsen (8) aus dem einzelnen Ultrakurzpuls (5), wobei die gewünschte Pulsform des zweiten Laserpulses (3) durch die Gruppe (7) von Ultrakurzpulsen (8) nachgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserpuls (2) eine Pulsdauer von kleiner als ca. 50 ps, bevorzugt kleiner als ca. 10 ps, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdauer der Gruppe (7) von Ultrakurzpulsen (8) kleiner als ca. 0,5 ns, bevorzugt höchstens ca. 0,1 ns, ist und die Pulsdauern der Ultrakurzpulse (8) der Gruppe (7) jeweils kleiner als ca. 50 ps, bevorzugt kleiner als ca. 10 ps, sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ultrakurzpulse (8) der Gruppe (7) identisch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Ultrakurzpuls (8a) der Gruppe (7) eine von der Intensität der nachfolgenden Ultrakurzpulse der Gruppe (7) unterschiedliche Intensität aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse (2, 3), insbesondere regenerativ, verstärkt werden.
Hybrid-Lasersystem (1) zur Erzeugung wahlweise eines ersten Laserpulses (2) in Form eines Ultrakurzpulses oder eines zeitlich längeren zweiten Laserpulses (3) mit einer gegenüber dem ersten Laserpuls (2) anderen Pulsform, mit einem Ultrakurzpulslaser (4) zum Erzeugen eines einzelnen Ultrakurzpulses (5) und mit einer in den Strahlengang des einzelnen Ultrakurzpulses (5) zuschaltbaren Pulsgruppenerzeugungseinrichtung (6), die im nicht zugeschalteten Zustand den einzelnen Ultrakurzpuls (5) des Ultrakurzlasers (4) als den ersten Laserpuls (2) unverändert durchlässt und im zugeschalteten Zustand aus dem einzelnen Ultrakurzpuls (5) des Ultrakurzlasers (4) eine Gruppe (7) von Ultrakurzpulsen (8) erzeugt, wobei die gewünschte Pulsform des zweiten Laserpulses (3) durch die Gruppe (7) von Ultrakurzpulsen (8) nachgebildet ist.
Hybrid-Lasersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserpuls (2) eine Pulsdauer von kleiner als ca. 50 ps, bevorzugt kleiner als ca. 10 ps, aufweist.
Hybrid-Lasersystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdauer der Gruppe (7) von Ultrakurzpulsen (8) kleiner als ca. 0,5 ns, bevorzugt höchstens ca. 0,1 ns, ist und die Pulsdauern der Ultrakurzpulse (8) der Gruppe (7) jeweils kleiner als ca. 50 ps, bevorzugt kleiner als ca. 10 ps, sind.
Hybrid-Lasersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsgruppenerzeugungseinrichtung (6) ausgebildet ist, aus dem einzelnen Ultrakurzpuls (5) des Ultrakurzlasers (4) eine Gruppe (7) von identischen Ultrakurzpulsen (8) zu erzeugen.
Hybrid-Lasersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsgruppenerzeugungseinrichtung (6) ausgebildet ist, aus dem einzelnen Ultrakurzpuls (5) des Ultrakurzlasers (4) eine Gruppe (7) von Ultrakurzpulsen (8), von denen zumindest der erste Ultrakurzpuls (8a) eine von der Intensität der nachfolgenden Ultrakurzpulse unterschiedliche Intensität aufweist, zu erzeugen.
Hybrid-Lasersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des ersten und zweiten Laserpulses (2, 3) hinter der Pulsgruppenerzeugungseinrichtung (6) ein Verstärker (9), insbesondere ein Faserverstärker oder ein regenerativer Verstärker angeordnet ist.
Hybrid-Lasersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (9) nicht im gesättigten, sondern im transienten Regime betrieben wird.
Hybrid-Lasersystem nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (9) einen Strahlseparator (41') aufweist, der einen intensitätsabhängigen Prozess ausnützt.