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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschwächung eines polarisierten Strahls optischer Strahlung, insbesondere zur Abschwächung von linear polarisierter Laserstrahlung.
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Beispielsweise bei vielen Anwendungen von Lasern ist es erwünscht, die Leistung eines Laserstrahls, insbesondere dessen Intensität, auf ein bestimmtes Niveau abzuschwächen, ohne dabei andere Eigenschaften wie z. B. Frequenz der optischen Strahlung, Strahllage, Richtung, Durchmesser und Divergenz des polarisierten Strahls zu ändern.
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Es sind verschiedene Methoden und Anordnungen zur Abschwächung von Laserstrahlung bekannt. Manchmal besteht die Möglichkeit, die Abschwächung am Lasergerät selbst z. B. bei einer Laserdiode oder einem Gaslaser durch Verringerung des Stromflusses zu bewirken. In der Regel treten dann jedoch mehr oder weniger starke Änderungen verschiedener Laserstrahlparameter auf. Daher wird häufig eine externe Abschwächung verwendet, um so die Betriebsparameter des Lasers und damit die Strahleigenschaften konstant zu halten. Die bekannten Methoden zur externen Abschwächung von Laserstrahlung unterscheiden sich bezüglich des Leistungsbereiches, der Dynamik, der Einstellgeschwindigkeit, der Zuverlässigkeit und natürlich in den Kosten. Besonders unerwünscht sind Einflüsse auf die Strahleigenschaften und die Wellenlängenabhängigkeit.
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Zu den bekannte Methoden gehört z. B. die Verschiebung eines im Strahlengang befindlichen Neutralglasfilters mit linearem Verlauf der optischen Dichte. Diese Methode vermeidet weitgehend Änderungen der Strahleigenschaften, solange nur niedrige Leistungen verwendet werden. Bei höheren Leistungen bewirkt die Absorption im Material thermische Linseneffekte, welche die Strahleigenschaften jedoch ändern. Zudem ist die zulässige Laserleistung auf relative geringe Werte begrenzt, da das Neutralglasfilter sonst zerstört werden könnte.
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Ein in den Strahlengang gebrachter, drehbarer dielektrischer Spiegel mit winkelabhängiger Reflektivität vermeidet den Nachteil der Leistungsbegrenzung, bewirkt aber einen Strahlversatz und möglicherweise auch eine Strahlablenkung, die sich mit dem Abschwächungsgrad ändern. Durch einen zweiten, entgegengesetzt drehenden Spiegel kann die Strahlbewegung zwar weitgehend kompensiert werden, der damit verbundene Aufwand ist jedoch relativ hoch. Außerdem ist die Einfügedämpfung dieser Methode ist relativ hoch und der erreichbare Dynamikumfang ist begrenzt.
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In
US6249379 wird eine in den Strahlengang eingebrachte, doppelbrechende Platte um eine Achse senkrecht zur Strahlrichtung gedreht und dabei die lineare Polarisation in eine elliptische Polarisation variabler Elliptizität umgewandelt. Ein als Analysator fungierender, dahinter angebrachter Polarisator stellt wieder eine lineare Polarisation her und sorgt durch die aus dem Strahlengang herausreflektierten unerwünschten Polarisationsanteile für eine variable resultierende Leistung. Wie bei der zuvor beschriebenen Anordnung müssen hier Strahlversatz und Strahlablenkung durch entsprechende Maßnahmen aufwändig kompensiert werden.
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In
US2008/0101424A1 wird die Polarisationsebene eines linear polarisierten Laserstrahls mit Hilfe einer in den Strahlengang eingebrachten Halbwellenplatte um die Strahlrichtung gedreht. Als Analysator dient hier ein nichtlinearer Kristall, der den durch die Kristallachsenorientierung festgelegten Polarisationsanteil in die gewünschte konvertierte Laserstrahlung umwandelt. Die Auswirkungen der Drehbewegung auf die Strahllage und Strahlrichtung sind bei dieser Anordnung durch die Wahl der Drehachse relativ gering, können aber dennoch durch eine nichtideale Planparallelität der Halbwellenplatte entstehen.
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Generell erfordern alle Methoden, die eine motorische Bewegung eines optischen Bauteils beinhalten, einen nicht unbedeutenden Aufwand. Außerdem haben durch die bewegliche Mechanik ein gewisses Ausfallrisiko und damit eine begrenzte Zuverlässigkeit.
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Elektrooptische Modulatoren weisen die zuvor beschriebenen Nachteile nicht auf und zeichnen sich vor allem durch eine sehr geringe Ansprechzeit aus, die im Nanosekundenbereich liegt. Ein elektrooptischer Modulator ist jedoch üblicherweise mit einer Spannung im kV-Bereich zu betreiben, was einen hohen Aufwand und damit hohe Kosten verursacht. Akustooptische Modulatoren haben dagegen eine hohe Einfügedämpfung, welche die zur Verfügung stehende resultierende Leistung erheblich herabsetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschwächung von Laserstrahlung anzugeben, bei dem angesehen von der optischen Leistung eine Beeinflussung anderer Strahleigenschaften weitgehend ausgeschlossen ist. Insbesondere soll eine geringe Einfügedämpfung sowie ein hoher Dynamikumfang gewährt sein. Insbesondere soll eine besonders hohe Zuverlässigkeit gewährleistet sein und es soll sich das Verfahren und die Vorrichtung sich kostengünstig realisieren lassen.
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Die Aufgabe betreffend das Verfahren wird durch die Erfindung mit einem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe betreffend die Vorrichtung wird durch die Erfindung mit einer Vorrichtung, insbesondere einem Abschwächen, des Anspruchs 8 gelöst.
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Das Konzept der Erfindung sieht zur Lösung der Aufgabe im wesentlichen vor, dass der Polarsationszustand des abzuschwächenden Strahls mit Hilfe eines doppelbrechenden Kristall so geändert wird, dass ein anschließender Polarisator die gewünschte Abschwächung herbeiführt. Erfindungsgemäß durch Änderung der Temperatur des doppelbrechenden Kristalls gelingt es dabei, den Polarisationszustand des Strahls derartig zu ändern, dass die Leistung des resultierenden Strahls vorteilhaft annähernd zwischen 0% und 100% der ursprünglichen Leistung eingestellt werden kann. Das Konzept der Erfindung basiert auf einem Orientieren der optischen Achse derart, dass ein Temperaturintervall zum Regeln einer Temperatur des doppelbrechenden Kristalls angegeben werden kann innerhalb dessen die Leistung des abgeschwächten Strahls eine monotone Funktion, insbesondere monoton steigend oder fallend, der Temperatur des doppelbrechenden Kristalls ist Dies hat erhebliche regeltechnische Vorteile, die bei nicht-monoton steigenden oder fallenden Funktionen, insbesondere bei unstetigen Funktionen, nicht gegeben wären. Insbesondere hat sich eine Funktion als vorteilhaft erwiesen, die zwischen den Randtemperaturen des Temperaturintervalls stetig ist und keine lokalen Extrema, insbesondere Minnima oder Maxima, aufweist.
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In der vorliegenden Erfindung werden keinerlei bewegliche Teile verwendet, daher ist die Zuverlässigkeit dieser Methode besonders hoch. Da außerdem keine absorbierenden Materialien verwendet werden, können auch z. B. Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung abgeschwächt werden. Auch die Einfügedämpfung kann unter 0.5% gehalten werden, so dass die zur Verfügung stehende Leistung durch den Abschwächer nur unwesentlich reduziert wird. Der erzielbare Abschwächfaktor liegt in der Regel über 100, so dass sich der Laserstrahl auf unter 1% seiner ursprünglichen Leistung abschwächen lässt. Die erreichbare Ansprechzeit der beschriebenen Anordnung liegen je nach Dimensionierung des Kristalls im Bereich Millisekunden bis Sekunden, was für eine große Zahl von Anwendungen ausreichend schnell ist.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, dass oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Vorteilhaft dient die Vorrichtung zur Abschwächung eines polarisierten, monochromatischen Laserstrahls. Die Vorrichtung weist insbesondere auf:
- – einen doppelbrechenden Kristall mit einer optischen Achse, der im Ausbreitungsweg des Laserstrahls angeordnet ist,
- – eine Vorrichtung zur Temperaturregelung des doppelbrechenden Kristalls und
- – einen Polarisationsanalysator, der im Strahlengang nach dem doppelbrechenden Kristall angeordnet ist und aus dem der abgeschwächte Laserstrahl austritt.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls annähernd senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls steht und so orientiert wird, dass ein Temperaturintervall angegeben werden kann, innerhalb dessen die Leistung des abgeschwächten Laserstrahls eine monotone Funktion der Temperatur des doppelbrechenden Kristalls ist und die anderen Strahleigenschaften im wesentlichen unverändert bleiben.
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Vorzugsweise wird die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls annähernd senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls stehend und mit der Polarisationsrichtung des Laserstrahls einen Winkel größer als Null Grad und kleiner als 90 Grad einschließend eingestellt.
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Vorzugsweise schließt die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls mit Polarisationsrichtung des Laserstrahls einen Winkel von annähernd 45° Grad ein.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass der Polarisationsanalysator eine Kombination aus Polarisator und Wellenplatte ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
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1: eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Abschwächers;
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2: eine beispielhafte Transmissionsfunktion einer bevorzugten Ausführungsform eines Abschwächers;
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3: eine bevorzugte Halterung und Temperaturstabilisierung für einen doppelbrechenden Kristall bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Abschwächers;
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4: eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Abschwächers.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist in 1 dargestellt. Ein vorzugsweise einachsiger doppelbrechender Kristall (2) ist so im Ausbreitungsweg des linear polarisierten Laserstrahls (1) angeordnet, dass seine optische Achse (7) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls steht und mit der Polarisationsrichtung des Laserstrahls einen Winkel von 45° einschließt. Wie bei einer Wellenplatte durchlaufen die ordentliche und die außerordentliche Komponente des Strahls den Kristall mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, so dass sich nach Durchlaufen des Kristalls eine Phasenverschiebung der beiden Komponenten von Δφ = 2π / λ·d·(ne – no) ergibt, wobei d die Länge des Kristalls in Ausbreitungsrichtung des Strahls ist, λ die Wellenlänge und ne bzw. no die Brechungsindizes von außerordentlichem bzw. ordentlichem Strahl sind. Je nach Phasenverschiebung vereinigen sich die beiden Komponenten beim Austritt aus dem Kristall zu einem linear, elliptisch oder zirkular polarisierten Strahl (3). Ist die Phasenverschiebung genau π oder ein ungeradzahliges Vielfaches von π, so ist der austretende Strahl (3) linear polarisiert, wobei die Polarisationsebene um 90° gegenüber der Polarisationsebene des einfallenden Strahls (1) gedreht ist. Der doppelbrechende Kristall hat in diesem Fall die Funktion einer Halbwellenplatte. Beträgt die Phasenverschiebung Δφ = n·π + π/2 (n = 0, 1, 2 ...), so ist der austretende Strahl zirkular polarisiert. Bei allen anderen Phasenverschiebungen ist der austretende Strahl elliptisch polarisiert. Der aus dem Kristall austretende Strahl (3) durchläuft dann einen Polarisator (4) – vorliegend ein polarisierender Strahlteiler in Form eines Strahlteilenwürfels – der so angeordnet ist, dass die zur Polarisationsrichtung des ursprünglichen Strahls (1) senkrechte Polarisationskomponente als Verluststrahl (6) aus dem Strahlengang herausreflektiert wird. M glich ist jedoch auch grundsätzlich ein anderer polarisierender Strahlteiler, z. B. von einem Glan-Thompson-Typ. Der resultierende Strahl (5) hat wieder die gleiche Polarisationsrichtung wie der ursprüngliche Strahl (1), ist jedoch bezüglich der Leistung abgeschwächt. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ = n·π + π/2 beträgt die Leistung des resultierenden Strahls (5) etwa 50% des ursprünglichen Strahls (1). Bei einer Phasenverschiebung von Δφ = (2n + 1)·π wird der resultierende Strahl nahezu ausgelöscht, bei einer Phasenverschiebung von Δφ = n·2π dagegen durchläuft der Strahl die Anordnung nahezu ungeschwächt. Die Phasenverschiebung Δφ ist eine Funktion der Temperatur des doppelbrechenden Kristalls (2) ist, da die Brechungsindizes ne und no verschiedene Temperaturkoeffizienten besitzen. Geht man in erster Näherung von einer linearen Temperaturabhängigkeit der Differenz der Brechungsindizes aus, so ergibt sich für die Transmission der in 1 gezeigten Anordnung als Funktion der Kristalltemperatur ϑ: T(ϑ) = cos2( Δφ / 2) = cos2( π / λ·d·Δn(ϑ)) = cos2( π / λ·d·Δn0·(1 + αn·Δϑ))
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Dabei ist αn der lineare Temperaturkoeffizient der Brechungsindexdifferenzfunktion, Δn0 die Brechungsindexdifferenz bei einer Referenztemperatur ϑ0 und Δϑ = ϑ – ϑ0. Die Transmissionsfunktion ist in 2 schematisch dargestellt. Im gewählten Beispiel ist bei einer Kristalltemperatur von ϑ1 = 30°C: T = 0, bei einer Kristalltemperatur von ϑ2 = 40°C: T = 1. Im Temperaturbereich von 30°C bis 40°C lässt sich somit jeder beliebige Abschwächungsgrad zwischen 0 und 100% realisieren und die Abschwächung ist in diesem Intervall eine monotone Funktion der Temperatur. Die Temperaturdifferenz, die benötigt wird, um den vollen Dynamikbereich des Abschwächers zu durchlaufen, hängt von der Wellenlänge λ, der Kristalllänge d, der Brechungsindexdifferenz Δn0 und dem linearen Temperaturkoeffizient αn der Brechungsindexdifferenzfunktion Δn(ϑ) ab. Mit üblichen doppelbrechenden Kristallmaterialien, wie z. B. KTP, LBO oder BBO, lassen sich mit einigen Millimeter Kristalllänge gut handhabbare Temperaturdifferenzen im Bereich von 10 Grad Celsius leicht realisieren. Die Absoluttemperatur ϑ1, bei der eine komplette Auslöschung vorliegt, hängt ebenso von den genannten Parametern ab und ist bei den üblichen Herstellungsverfahren von Kristallen zufällig gegeben. Um definierte Absoluttemperaturen zu realisieren, müsste der Kristall mit einer Länge hergestellt werden, die eine Absolutgenauigkeit im Sub-Mikrometerbereich hat. Wesentlich einfacher ist es, bei einem Kristallexemplar die Absoluttemperaturen für Auslöschung bzw. volle Transmission zu messen und den Kristall damit zu charakterisieren. Für eine bestimmte, feste Wellenlänge des abzuschwächenden Laserstrahls stellen diese Temperaturen dann feste Grenzen für die Stellgröße des Abschwächers dar, mit dem die Leistung des Laserstrahls zwischen annähernd 0% und 100% eingestellt werden kann. Der tatsächlich erreichbare Dynamikumfang der Anordnung wird durch verschiedene Faktoren begrenzt Der Polarisationsgrad des Laserstrahls sowie das Auslöschungsvermögen des Polarisators (4) stellen obere Grenzen für den Dynamikumfang dar. Da die oben definierte Transmissionsfunktion T(ϑ) auch wellenlängenabhängig ist, kann der Dynamikumfang auch durch die Linienbreite des Laserstrahls begrenzt werden. Generell gilt, dass längere Kristalle eine geringere Linienbreitenakzeptanz haben als kürzere Kristalle. Dies ist bei der Dimensionierung der Kristalllänge d zu beachten. Die Kristalllänge beeinflusst gleichzeitig die Ansprechzeit des Abschwächers, da bei längeren Kristallen geringere Temperaturänderungen benötigt werden und damit die Zieltemperatur schneller erreicht werden kann. Die Ansprechzeit lässt sich zudem durch die technischen Ausführung, wie z. B. optimale Wärmeanbindung, Verringerung der Wärmekapazität usw. optimieren. Die Einfügedämpfung der Anordnung wird im wesentlichen durch die Transmissionseigenschaften des doppelbrechenden Kristalls und des Polarisators bestimmt. Bei geeigneter Wahl des Kristallmaterials und Verwendung von Antireflexbeschichtungen auf den Oberflächen lässt sich die Einfügedämpfung unter 0.5% halten.
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3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform zur Halterung und Temperaturstabilisierung des doppelbrechenden Kristalls (2). Der Kristall wird mit möglichst gutem Wärmekontakt in eine Metallfassung (11) eingefasst. Die Temperatur der Metallfassung und damit des Kristalls kann mit Hilfe eines Peltierelementes (9) auf einer Wärmesenke (10) als Stellglied und einem Temperatursensor (8) als Istwert-Geber auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 4 dargestellt. Der Polarisator (4) aus 1 ist hier durch einen Frequenzkonverter (12) ersetzt worden. Der Frequenzkonverter konvertiert den vom doppelbrechenden Kristall (2) emittierten Strahl (3) teilweise in einen frequenzkonvertierten Strahl (14), der die resultierende Nutzstrahlung der Anordnung darstellt. Der Frequenzkonverter ist im allgemeinen eine Anordnung, die einen zur Frequenzkonversion des Laserstrahls geeigneten nichtlinearen Kristall enthält Der nichtlineare Kristall setzt eine bestimmte Polarisationskomponente des einfallenden Strahls teilweise in einen Laserstrahl mit veränderter Frequenz um. Der nichtkonvertierte Anteil des Strahls (3) wird durch ein Filter (13) blockiert. Der Frequenzkonverter (12) stellt in dieser Anordnung einen Polarisationsanalysator dar. Durch Temperaturänderung des doppelbrechenden Kristalls (2) kann die Leistung des resultierenden frequenzkonvertierten Strahls (14) gesteuert werden.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind denkbar. So kann z. B. anstelle eines Polarisators oder eines Frequenzkonverters eine Kombination aus einem Polarisator und einer Viertelwellenplatten als Polarisationsanalysator dienen. Mit dieser Anordnung kann ein zirkularpolarisierter Laserstrahl abgeschwächt werden, ohne dass sich sein Polarisationszustand dabei ändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6249379 [0006]
- US 2008/0101424 A1 [0007]
