DE102012008768B4

DE102012008768B4 - Verstärker-Anordnungen mit Modulatoren

Info

Publication number: DE102012008768B4
Application number: DE102012008768.3A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Du Keming Dr De
Priority date: 2012-05-06
Filing date: 2012-05-06
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2032-05-07
Also published as: DE102012008768A1

Abstract

Optische Verstärker-Anordnung aus mehreren Verstärkerstufen, wobei das Verstärkungsmedium (86) quaderförmig gebildet ist, wobei zwei gekrümmte Spiegel (81, 82) verwendet werden, wobei die beiden Spiegel so ausgelegt und so zu einander angeordnet werden, dass der zu verstärkende Strahl mehrfach durch das Verstärkungsmedium durchläuft und verstärkt wird, wobei der Querschnitt des Strahls nach jedem Durchgang vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung der verstärkten spontanen Emission und der parasitären Moden zwischen den beiden Spiegeln (81, 82) eine Modulatoranordnung (84) verwendet wird.

Description

Leistung und Pulsenergie eines Oszillators sind durch thermische Störungen und optische Beschädigungen limitiert. Zur Erhöhung der Leistung und Energie werden Oszillatoren mit Verstärker-Anordnungen verwendet. Dabei wird der Strahl von einem Oszillator in einen Verstärker bzw. eine Verstärkeranordnung eingekoppelt und dabei verstärkt.
Es gibt verschiedene Verstärkeranordnungen, wie z. B. Durchgangsverstärker und regenerative Verstärker (vgl. ). Bei einem einstufigen Durchgangsverstärker ist der erreichbare Verstärkungsfaktor limitiert. Um einen hohen Verstärkungsfaktor zu erzielen wird eine mehrstufige Verstärkeranordnung verwendet. Eine 3-stufige Verstärkeranordnung zeigt . Mit einem hohen Verstärkungsfaktor einhergehend entstehen die verstärkte spontane Emission sowie parasitäre Moden. Die verstärkte spontane Emission und parasitären Moden limitieren den erreichbaren Verstärkungsfaktor und haben negative Einflüsse auf die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften wie Pulsform und Strahlqualität.
Die verstärkte spontane Emission und die parasitären Moden ähneln im Wesentlichen dem cw-Betrieb und bilden eine Art Hintergrund (54, 55, 56). Somit unterscheiden sie sich vom definierten Pulsverlauf der zu verstärkenden Strahlen. Wie in bis verdeutlicht ist, steigt der Anteil der verstärkten spontanen Emission und der parasitären Moden (54, 55, 56) nach jeder Verstärkerstufe.
Die Druckschrift DE10116076 A1 beschreibt optische Anordnungen zur Verstärkung von Laserstrahlen. Dabei werden zwischen zwei Spiegeln optische Komponenten wie lambda/4 Platte, doppelbrechender Beam-Displacer verwendet. Zur Erhöhung der erreichbaren Energie werden Modulatoren verwendet. Dabei erzeugt die Beam-Displacer parallele Versätze. Solche Anordnungen funktionieren nur dann, wenn die beiden Spiegel plane Spiegel sind.
Die Druckschrift US 2011/0157671 A1 beschreibt eine optische Anordnung zur Verstärkung von Laserstrahlen, wobei ein optischer Modulator zur Unterdrückung der verstärkten spontanen Emission verwendet wird. Bei der Anordnung werden Faserverstärker in einem einzelnen Durchgang verwendet.
Die Druckschrift US 6654163 B1 beschreibt Verstärkeranordnungen, bei denen zwei Faltungsspiegel zur Erzeugung mehrfacher Durchgänge durch ein quaderförmiges Verstärkungsmedium verwendet werden. Vorzugsweise werden die beiden Faltungsspiegel so dimensioniert und ausgelegt, dass einen Off-Axis-Resonator in der Faltungsebene gebildet wird. Bei dieser Anordnung ist die erreichbare Verstärkung limitiert.
Die Druckschrift DE 10327260 A1 beschreibt eine optische Verstärkeranordnung, bei der zwei Faltungselemente verwendet werden. Mit den Faltungselementen wird der zu verstärkende Laserstrahl mehrfach durch das aktive Medium reflektiert. Zur Unterdrückung der unerwünschten Strahlung wird mindestens eines von den Faltungselementen so gestaltet, dass es richtungsabhängige Reflektivität aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung anzugeben, bei der die verstärkte spontane Emission und die parasitären Moden begrenzt bzw. weitestgehend eliminiert werden.
Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zwischen benachbarten Verstärkerstufen eine Modulatoranordnung verwendet wird, die die verstärkte spontane Emission und die parasitäre Strahlung durch ein angepasstes Zeitfenster ausschneidet.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
zeigt eine Oszillator/Verstärker-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der von einem gepulsten Seeder (11) emittierte Strahl (23) wird durch den ersten Verstärker (21), den zweiten Verstärker (31) und den dritten Verstärker (41) in Leistung/Energie verstärkt. Zwischen den benachbarten Verstärkern (21) und (31) und zwischen den benachbarten Verstärkern (31) und (41) wird ein Modulator (63) bzw. (64) verwendet. Die Modulatoren werden so angesteuert, dass der Hintergrund durch spontane Emission und parasitäre Moden weitestgehend ausgeschnitten werden und nur der gepulste Strahl verstärkt wird. bis zeigen die Pulsformen des Strahls an verschiedenen Stellen. Ein Vergleich der und der zeigt, dass der Hintergrund des Ausgangsstrahls (28) viel geringer ist als der des Ausgangsstrahls (16), wo keine Modulatoranordnung verwendet wird.
Eine kompakte und effiziente multistufige Verstärkeranordnung bildet der INNOSLAB-Verstärker. Wie in dargestellt ist, sind die Kernelemente bei einem INNOSLAB-Verstärker die beiden gekrümmten Spiegel (81) und (82) und das quaderförmige Verstärkungsmedium (86). Der zu verstärkende Strahl (91) wird in die Verstärkeranordnung eingekoppelt. Die beiden Spiegel werden so ausgelegt und so zu einander angeordnet, dass der zu verstärkende Strahl mehrfach durch das Verstärkungsmedium durchläuft und verstärkt wird und dass der Querschnitt des Strahls nach jedem Durchgang vergrößert wird. Vorzugsweise werden die beiden Spiegel so angeordnet, dass sich ein konfokaler Off-Axis Resonator in der Ebene der mehrfachen Durchgänge ergibt. Damit ist es möglich, einen hohen Verstärkungsfaktor und eine hohe Effizienz gleichzeitig zu erreichen. Darüber hinaus kann die Intensitiät konstant über das Verstärkungsmedium gehalten werden, um eine mögliche Beschädung des Verstärkungsmediums und der Spiegel zu vermeiden und die nichtlinearen Effekte wie Selbstfokussierung zu minimieren.
Auch bei der INNOSLAB-Verstärkeranordnung können die verstärkte spontane Emission und parasitäre Moden die erreichbare Verstärkung limitieren. Um die Einflüsse der verstärkten spontanen Emission und parasitären Moden zu begrenzen bzw. zu vermeiden, wird gemäß dieser vorliegenden Anmeldung mindestens ein Modulator (84) zwischen den beiden Spiegeln (81) und (82) angeordnet. Eine Ausführung der INNOSLAB-Verstärker-Anordnung zeigt . Der Modulator kann beispielsweise ein akkustooptischer Modulator oder elektrooptische Modulator sein.
zeigt eine bevorzugte Verstärker-Anordung, bei der ein elektooptischer Modulator verwendet wird. Bei einem elektrooptischen Modulator handelt es sich um eine Pockel-Zelle (87) und einen Polarisator (88). Vorzugsweise wird der Modulator so ausgebildet, dass er einen rechteckigen Querschnitt hat.
Es ist bekannt, dass bei vielen Anwendungen die Qualität und die Geschwindigkeit von den Pulseigenschaften und der Pulslänge abhängig sind. So ist z. B. bei der Materialbearbeitung die Bearbeitungsgeschwindigkeit mit einem gütegeschalteten Laser höher als die mit einem Ultrakurzpulslaser. Auf der anderen Seite ist die Bearbeitungsqualität mit einem Ultrakurzpulslaser höher als mit einem gütegeschalteten Laser. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, eine Verstärkeranordnung zu schaffen, die je nach Bedarf Pulse unterschiedlicher Pulslänge emittieren kann.
Eine derartige Verstärkeranordnung entsteht, indem der Modulator (84) als ein Güteschalter angesteuert wird. Wenn keine Eingangspulse (91) existieren, emittiert die Verstärkeranordnung Laserpulse (197), deren Pulslänge durch den Modulator (84) und den INNOSLAB-Verstärker bestimmt werden (vgl. und ). Ansonsten emittiert die Verstärkeranordnung Pulse (199), deren Pulseigenschaften durch die zu verstärkenden Eingangspulse (91) definiert sind.
Darüber hinaus ist mit der Verstärkeranordnung möglich, eine Art von gemischten Pulsen (198) aus verstärkten Pulsen und gütegeschalteten Pulsen zu erzeugen, indem die zeitliche Ansteuerung des Modulators/Güteschalters in Relation zu den zu verstärkenden Pulsen (91) entsprechend gestaltet und/oder die Amplitude der zu verstärkenden Pulse (91) angepasst wird. Auch die Eigenschaften der gemischten Pulse (198) können durch die Verstärkung des Verstärkungsmediums (86) eingestellt werden.

Claims

Optische Verstärker-Anordnung aus mehreren Verstärkerstufen, wobei das Verstärkungsmedium (86) quaderförmig gebildet ist, wobei zwei gekrümmte Spiegel (81, 82) verwendet werden, wobei die beiden Spiegel so ausgelegt und so zu einander angeordnet werden, dass der zu verstärkende Strahl mehrfach durch das Verstärkungsmedium durchläuft und verstärkt wird, wobei der Querschnitt des Strahls nach jedem Durchgang vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung der verstärkten spontanen Emission und der parasitären Moden zwischen den beiden Spiegeln (81, 82) eine Modulatoranordnung (84) verwendet wird.
Optische Verstärker-Anordnung aus mehreren Verstärkerstufen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spiegel so angeordnet sind, dass sich ein konfokaler Off-Axis Resonator in der Ebene der mehrfachen Durchgänge ergibt.
Optische Verstärker-Anordnung aus mehreren Verstärkerstufen nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulatoranordnung ein elekrooptischer Modulator ist, der aus einer Pockels-Zelle (87) und einem Polarisator (88) besteht.
Optische Verstärker-Anordnung aus mehreren Verstärkerstufen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulatoranordnung so angesteuert wird, dass zu einer vordefinierten Zeit entweder ein verstärkter Puls (199) oder ein gütegeschalteter Puls (197) entsteht.
Optische Verstärker-Anordnung aus mehreren Verstärkerstufen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulatoranordnung so angesteuert wird, dass überlagerte Pulse (198) von verstärkten Eingangspulsen (91) und gütegeschalteten Pulsen (197) entstehen.