DE102012104958A1

DE102012104958A1 - Laserverstärkersystem und Verfahren zur Frequenzstabilisierung

Info

Publication number: DE102012104958A1
Application number: DE201210104958
Authority: DE
Inventors: Peter Mahnke; Jochen Speiser; Adolf Giesen
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-06-09
Also published as: DE102012104958B4

Abstract

Es wird ein Laserverstärkersystem zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes mit einer Resonatoranordnung, in der ein Verstärkermedium angeordnet ist, vorgeschlagen, wobei die Resonatoranordnung mindestens einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel, einen dritten Resonatorspiegel, ein frequenzselektives Element, eine erste Translationseinheit zur Positionierung durch Verschiebung des zweiten Resonatorspiegels, eine zweite Translationseinheit zur Positionierung durch Verschiebung des dritten Resonatorspiegels und ein Abstimmelement zur Abstimmung eines Transmissionsgrads des frequenzselektiven Elements umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserverstärkersystem zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes mit einer Resonatoranordnung, in der ein Verstärkermedium angeordnet ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Frequenzstabilisierung.
Laserverstärkersysteme zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes mit einer Resonatoranordnung, in der ein Verstärkermedium angeordnet ist, weisen relativ breite Emissionslinien/Spektren des erzeugten Laserstrahlungsfeldes auf.
Ferner sind Laserverstärkersysteme aus dem Artikel von A. Baum, D. Grebner, W. Paa, W. Triebel, M. Larionov, A. Giesen, Axial mode tuning of a single frequency Yb:YAG thin disk laser, Appl. Phys. B81, 1091–1096 (2005) bekannt, bei denen eine Frequenzselektion durch ein kippbares Etalon erreicht wird. Diese haben den Nachteil, dass durch das Kippen des Etalons ein Parallelversatz verursacht wird, der die Resonatoranordnung dejustiert.
Aus dem Artikel von P. W. Smith, Single-Frequency Output from a Long Laser Cavity, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-1, No. 8, S. 343, November 1965, sind Laserverstärkersysteme bekannt, deren Frequenz auf einen externen Resonator stabilisiert wird.
Aus dem Artikel von Paulo S. F. de Matos, Niklaus U. Wetter und Gessé E. C. Nogueira, Single Frequency Oscilation in a Coupled Cavity ND:GYLF Laser by Interferometric Control of the Cavity’s Length, Revista de Física Aplicada e Instrumentação, vol. 16, no. 1, S. 18, März 2003 sind Laserverstärkersysteme bekannt, die durch Regelung der Resonatorlänge eine Frequenzstabilisierung erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Frequenzselektion und Stabilisierung eines Laserverstärkersystems der eingangs genannten Art zu erzielen, ohne dass durch die Frequenzselektion und Stabilisierung das Laserverstärkersystem dejustiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Resonatoranordnung mindestens einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel, einen dritten Resonatorspiegel, ein frequenzselektives Element, das zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel angeordnet ist, eine erste Translationseinheit zur Positionierung durch Verschiebung des zweiten Resonatorspiegels, eine zweite Translationseinheit zur Positionierung durch Verschiebung des dritten Resonatorspiegels und ein Abstimmelement zur Abstimmung eines Transmissionsgrads des frequenzselektiven Elements umfasst.
Durch die Positionierung der Resonatorspiegel kann die Resonatoranordnung beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Modenstruktur der Resonatoranordnung beeinflusst werden. Damit kann auf die Frequenz des erzeugten Laserstrahlungsfeldes Einfluss genommen werden, wodurch wiederum eine Stabilisierung der Frequenz des Laserstrahlungsfeldes möglich wird.
Resonatoren weisen eine Modenstruktur auf, das eine Vielzahl an Moden mit konstantem Abstand im Frequenzraum aufweist. Die einzelnen Moden haben wiederum eine gewisse Breite.
Insbesondere ist durch das Verschieben der Resonatorspiegel ein Beeinflussen der Modenstruktur der Resonatoranordnung möglich, ohne dabei einen Parallelversatz zu erzeugen, der zu einer Dejustierung der Resonatoranordnung führen würde.
Hierdurch kann beim Durchstimmen des Laserverstärkersystems eine Verschlechterung der Pointingstabilität vermieden werden, die beim Verkippen eines Etalons, welches in der Resonatoranordnung angeordnet ist, auftreten würde.
Durch das abstimmbare frequenzselektive Element kann zusätzlich die Schwingfähigkeit der einzelnen Moden beeinflusst werden.
Das frequenzselektive Element kann beispielsweise ein doppelbrechendes Filter, ein Prisma oder ein Gitter sein.
Um einen großen Frequenzbereich abzudecken, ist es vorteilhaft, wenn das Verstärkermedium ein breites Verstärkungsprofil aufweist. Beispielsweise kann das Verstärkermedium Laserfarbstoffe, Halbleiterlaserstrukturen oder laseraktive Feststoffe umfassen.
Eine günstige Lösung sieht vor, dass durch die erste Translationseinheit der zweite Resonatorspiegel zur Positionierung des zweiten Resonatorspiegels entlang einer optischen Achse des zweiten Resonatorspiegels verschiebbar ist. Somit wird lediglich eine Resonatorlänge verändert, ohne einen Parallelversatz zu erzeugen.
Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass durch die zweite Translationseinheit der dritte Resonatorspiegel zur Positionierung des dritten Resonatorspiegels entlang einer optischen Achse des dritten Resonatorspiegels verschiebbar ist. Auch hier kann der Abstand zwischen den Resonatorspiegeln beeinflusst werden, ohne die Resonatoranordnung zu dejustieren.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass ein erster Teilresonator durch den ersten Resonatorspiegel und den zweiten Resonatorspiegel gebildet ist, dass eine Resonatorlänge des ersten Teilresonators durch eine Position des ersten Resonatorspiegels und eine Position des zweiten Resonatorspiegels definiert ist, dass ein zweiter Teilresonator durch den zweiten Resonatorspiegel und den dritten Resonatorspiegel gebildet ist und dass eine Resonatorlänge des zweiten Teilresonators durch die Position des zweiten Resonatorspiegels und eine Position des dritten Resonatorspiegels definiert ist. So kann durch die Positionierung der Resonatorspiegel die Resonatorlängen der Teilresonatoren beeinflusst werden.
Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Resonatorlänge L1 des ersten Teilresonators und die Resonatorlänge L2 des zweiten Teilresonators unterschiedlich lang sind. Durch die unterschiedlichen Resonatorlängen der Teilresonatoren kann die Modenstruktur der Teilresonatoren aufeinander abgestimmt werden, so dass es möglich ist, eine einzelne schmalbandige Mode zum Schwingen anzuregen.
Bei einem langen Resonator liegen sehr schmalbandige Moden, nahe beieinander. Somit wird beim Einsatz in einem Laser mit einem breitbandigen Verstärkermedium mehrere beziehungsweise eine Vielzahl der Resonatormoden gleichzeitig oder kurz nacheinander schwingen.
Bei einem Resonator mit einer kurzen Resonatorlänge liegen die Resonatormoden weiter auseinander, so dass nur noch wenige oder eventuell auch nur eine Mode im Resonator anschwingen kann, allerdings weist diese dann eine sehr breite Linienbreite auf, so dass kein schmalbandiges Laserstrahlungsfeld erzeugt werden kann.
Durch die Kombination eines Resonators mit einer langen Resonatorlänge und eines Resonators mit einer kurzen Resonatorlänge können wenige Moden aus dem Spektrum des Resonators mit der langen Resonatorlänge durch den Resonator mit der kurzen Resonatorlänge ausgeschnitten werden, so dass man Moden erhält, die eine schmale Bandbreite aufweisen und einen größeren Abstand voneinander haben. So kann die Anzahl der schwingfähigen Resonatormoden reduziert werden beispielsweise auf eine einzelne eingeschränkt werden.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der erste Teilresonator durch Positionierung des zweiten Resonatorspiegels abstimmbar ist oder abgestimmt ist. Somit kann der erste Teilresonator abgestimmt werden, ohne eine Dejustierung der Resonatoranordnung zu verursachen.
Um nur den ersten Teilresonator abzustimmen, ist es vorteilhaft, wenn beim Abstimmen des ersten Teilresonators der dritte Resonatorspiegel synchron mit dem zweiten Resonatorspiegel verschoben wird. Somit bleibt die Resonatorlänge des zweiten Teilresonators konstant.
Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass der zweite Teilresonator durch Positionierung des dritten Resonatorspiegels abstimmbar ist oder abgestimmt ist. Somit kann der zweite Teilresonator abgestimmt werden, ohne eine Dejustierung der Resonatoranordnung zu verursachen.
Eine günstige Lösung sieht eine Steuer-/Regeleinrichtung umfasst vor, wobei die Steuer-/Regeleinrichtung die erste Translationseinheit und die zweite Translationseinheit steuert und/oder nach einer Frequenz des Laserstrahlungsfeldes regelt.
Die Steuer-/Regeleinrichtung ermöglicht somit das automatische Steuern und/oder Regeln der Resonatorlängen und damit der Modenstruktur der Resonatoranordnung. Dadurch wird das Nachregeln der Frequenz des Laserstrahlungsfeldes möglich, insbesondere eine automatisierte Nachregelung der Frequenz des Laserstrahlungsfeldes.
Besonders günstig ist es, wenn die Steuer-/Regeleinrichtung ein Abstimmelement eines frequenzselektiven Elements steuert und/oder regelt. Dadurch dass die Steuer-/Regeleinrichtung das Abstimmelement des frequenzselektiven Elements steuert und/oder regelt, hat die Steuer-/Regeleinrichtung einen noch größeren Einfluss auf die Modenstruktur der Resonatoranordnung.
Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der zweite Resonatorspiegel und der dritte Resonatorspiegel auf einer gemeinsamen Resonatorachse angeordnet sind. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau der Resonatoranordnung.
Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass eine optische Achse des ersten Resonatorspiegels, eine optische Achse des zweiten Resonatorspiegels und eine optische Achse des dritten Resonatorspiegels mindestens näherungsweise parallel zueinander verlaufen.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei der Positionierung des zweiten Resonatorspiegels entlang seiner optischen Achse und bei der Positionierung des dritten Resonatorspiegels entlang seiner optischen Achse die Resonatoranordnung als solche nicht dejustiert wird.
Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Resonatorlänge des ersten Teilresonators durch den Abstand zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel definiert ist und dass die Resonatorlänge des zweiten Teilresonators durch den Abstand zwischen dem zweiten Resonatorspiegel und dem dritten Resonatorspiegel definiert ist.
Auf diese Weise können die Resonatorlängen einfach durch die Positionierung der Resonatorspiegel beeinflusst werden.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der zweite und der dritte Resonatorspiegel eine Teiltransparenz aufweisen und dass der erste Teilresonator und der zweite Teilresonator durch den zweiten Resonatorspiegel optisch miteinander gekoppelt sind.
Dadurch kann zum einen das Laserstrahlungsfeld aus der Resonatoranordnung ausgekoppelt werden, zum anderen werden dadurch, dass der erste und der zweite Teilresonator optisch miteinander gekoppelt sind die Modenstrukturen der beiden Teilresonatoren zu einer Modenstruktur des Gesamtresonators überlagert.
Unter Teiltransparenz ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen die Eigenschaft eines Gegenstandes zu verstehen, dass auftreffende elektromagnetische Strahlung teilweise transmittiert und teilweise reflektiert wird.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass der erste Teilresonator und der zweite Teilresonator durch einen Strahlteiler optisch miteinander gekoppelt sind. Auch durch die Kopplung mittels eines Strahlteilers überlagern sich die Modenstrukturen der Teilresonatoren zu einer Modenstruktur des Gesamtresonators.
Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass eine optische Achse des ersten Resonatorspiegels und eine optische Achse des zweiten Resonatorspiegels mindestens näherungsweise parallel zueinander verlaufen und dass die optische Achse des dritten Resonatorspiegels quer zu der optischen Achse des zweiten Resonatorspiegels verläuft. Dadurch kann ein kompakterer Aufbau der Resonatoranordnung erzielt werden.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Resonatorlänge des ersten Teilresonators durch den Abstand zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel definiert ist und dass die Resonatorlänge des zweiten Teilresonators durch den Abstand zwischen dem zweiten Resonatorspiegel und dem Strahlteiler und dem Abstand zwischen dem Strahlteiler und dem dritten Resonatorspiegel definiert ist. Dadurch können die Resonatorlängen einfach durch die Positionierung der Resonatorspiegel beeinflusst werden.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Frequenzstabilisierung bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines Laserstrahlungsfeldes eines Laserverstärkersystems umfassend: Bestimmung einer Frequenz des Laserstrahlungsfeldes, Ermittlung einer Abweichung der zuvor bestimmten Frequenz des Laserstrahlungsfeldes von einer Sollfrequenz; Durchführen eines ersten groben Frequenzabstimmungsvorgangs, durch Abstimmen eines frequenzselektiven Elements, wenn die Abweichung der Frequenz des Laserstrahlungsfeldes größer ist als ein oberer Grenzwert; Durchführen eines zweiten Frequenzabstimmungsvorgangs, wenn die Abweichung der Frequenz des Laserstrahlungsfeldes kleiner ist als der obere Grenzwert und größer ist als ein unterer Grenzwert; und Durchführen eines dritten feinen Frequenzabstimmungsvorgangs, wenn die Abweichung der Frequenz des Laserstrahlungsfeldes kleiner ist als der untere Grenzwert, wobei die genannten Schritte wiederholt durchgeführt werden.
Durch die Staffelung der Frequenzabstimmung in einen ersten groben Frequenzabstimmungsvorgang, einen alternativen zweiten Frequenzabstimmungsvorgang und einen alternativen dritten feinen Frequenzstabstimmungsvorgang, je nach Abstimmung der Frequenz von der Sollfrequenz, kann zum einen ein breiterer Spektralbereich abgedeckt werden, innerhalb welchem die Frequenz des Laserstrahlungsfeldes abstimmbar ist und zum anderen kann dadurch eine schmale Linienbreite des emittierten Laserstrahlungsfeldes erzielt werden.
Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Bestimmung der Frequenz des Laserstrahlungsfeldes mittels eines Wellenlängenmessgeräts erfolgt.
Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass das Abstimmen eines frequenzselektiven Elements durch Verkippen eines doppelbrechenden Filters oder eines Prismas erfolgt.
Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das Abstimmen eines frequenzselektiven Elements durch Anlagen eines elektrischen Feldes an ein doppelbrechendes Filter erfolgt.
So kann ein Abstimmen des frequenzselektiven Elements erfolgen, bei dem kein Versatz des Laserstrahlungsfeldes erfolgt.
Eine günstige Lösung sieht vor, dass der zweite Frequenzabstimmungsvorgang durch Abstimmen eines zweiten Teilresonators erfolgt, wenn eine Resonatorlänge des zweiten Teilresonators kleiner ist als eine Resonatorlänge eines ersten Teilresonators oder durch Abstimmen des ersten Teilresonators erfolgt, wenn die Resonatorlänge des zweiten Teilresonators größer ist als die Resonatorlänge des ersten Teilresonators.
Somit erfolgt der zweite Frequenzabstimmungsvorgang durch Abstimmen desjenigen Teilresonators, der eine kürzere Resonatorlänge aufweist als der andere Teilresonator.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der dritte feine Frequenzabstimmungsvorgang durch Abstimmen eines ersten Teilresonators erfolgt, wenn eine Resonatorlänge eines zweiten Teilresonators kleiner ist als eine Resonatorlänge des ersten Teilresonators oder durch Abstimmen des zweiten Teilresonators erfolgt, wenn die Resonatorlänge des zweiten Teilresonators größer ist als die Resonatorlänge des ersten Teilresonators.
Somit wird bei dem dritten feinen Frequenzabstimmungsvorgang derjenige Teilresonator abgestimmt, dessen Resonatorlänge größer ist als die Resonatorlänge des anderen Teilresonators.
Besonders günstig ist es, wenn das Abstimmen des zweiten Teilresonators durch Positionierung des dritten Resonatorspiegels erfolgt.
Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das Abstimmen des ersten Teilresonators durch Positionierung des zweiten Resonatorspiegels erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Positionierung des dritten Resonatorspiegels der zweite Resonatorspiegel und der dritte Resonatorspiegel synchron verschoben werden. Dadurch kann der erste Teilresonator abgestimmt werden, ohne den zweiten Teilresonator zu beeinflussen.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass der obere Grenzwert kleiner als ein freier Spektralbereich des zweiten Teilresonators ist, wenn eine Resonatorlänge des zweiten Teilresonators kleiner ist als eine Resonatorlänge eines ersten Teilresonators oder kleiner als ein freier Spektralbereich des ersten Teilresonators ist, wenn die Resonatorlänge des zweiten Teilresonators größer ist als die Resonatorlänge eines ersten Teilresonators.
Somit richtet sich der obere Grenzwert nach dem Spektralbereich desjenigen Teilresonators, der die kleinere Resonatorlänge und damit den größeren freien Spektralbereich aufweist.
Viele frequenzselektive Elemente wie beispielsweise Resonatoren oder doppelbrechende Filter weisen eine periodische Frequenzabhängigkeit einer Eigenschaft auf. So weist beispielsweise ein doppelbrechendes Filter eine Vielzahl an Transmissionsmaxima auf, die einen konstanten Frequenzabstand voneinander aufweisen. Die Periodenlänge der periodischen Frequenzabhängigkeit ist in dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen als freier Spektralbereich bezeichnet.
Die spektrale Breite eines solchen Maximums, die durch den Frequenzabstand der beiden Punkte, bei der die Transparenz oder Schwingungsstärke auf die Hälfte abgefallen ist, wird in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen als Halbwertsbreite bezeichnet.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der untere Grenzwert kleiner als ein freier Spektralbereich eines ersten Teilresonators ist, wenn eine Resonatorlänge eines zweiten Teilresonators kleiner ist als die Resonatorlänge des ersten Teilresonators oder kleiner ist als ein freier Spektralbereich des zweiten Teilresonators, wenn eine Resonatorlänge L2 des zweiten Teilresonators größer ist als die Resonatorlänge des ersten Teilresonators.
Somit richtet sich der untere Grenzwert nach dem freien Spektralbereich desjenigen Teilresonators, der die größere Resonatorlänge aufweist und damit den kleineren freien Spektralbereich aufweist.
So ist die Frequenzabstimmung optimal auf die geometrischen Gegebenheiten des Laserverstärkersystems angepasst.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsformen der Erfindung.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer Ausführungsform einer Ausführungsform eines Laserverstärkersystems mit einer Frequenzselektions- und Stabilisierungseinrichtung;
2 eine Prinzipskizze einer Resonatoranordnung der Ausführungsform gemäß 1;
3 eine Prinzipskizze einer Resonatoranordnung einer zweiten Ausführungsform eines Laserverstärkersystems;
4 ein Ablaufschema gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Frequenzselektion und Stabilisierung;
5 ein Diagramm der Modenstruktur einer Resonatoranordnung, wobei auf der x-Achse die Frequenz f und auf der y-Achse die Amplitude A jeweils in willkürlicher Skalierung dargestellt sind; und
6 ein Diagramm zur Darstellung einer Abweichung, wobei auf der x-Achse die Frequenz f und auf der y-Achse die Amplitude A jeweils in willkürlicher Skalierung dargestellt sind.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein in den 1 und 2 dargestelltes als Ganzes mit 10 bezeichnetes Laserverstärkersystem umfasst eine Resonatoranordnung 12, ein Wellenlängenmessgerät 14 und eine Steuer-/Regeleinrichtung 16.
Das Laserverstärkersystem 10 dient zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes 18 mit einer Frequenz 19, das sich im Wesentlichen entlang einer Resonatorachse 20 ausbreitet.
Die Resonatoranordnung 12 umfasst einen ersten Resonatorspiegel 22 mit einer optischen Achse 23, dessen spiegelnde Oberfläche 24 im Wesentlichen senkrecht zu der Resonatorachse 20 und seiner optischen Achse 23 verläuft. Ferner läuft die Resonatorachse 20 durch die spiegelnde Oberfläche 24 des ersten Resonatorspiegels 22.
Der Körper 26 des ersten Resonatorspiegels 22 umfasst ein wärmeleitfähiges Material, beispielsweise Kupfer, Silber oder andere wärmeleitfähige Metalle oder Nichtmetalle.
An der spiegelnden Oberfläche 24 ist ein Verstärkermedium 28 angeordnet, so dass das Laserstrahlungsfeld 18 durch das Verstärkermedium 28 verläuft.
Das Verstärkermedium 28 liegt flächig an der spiegelnden Oberfläche 24 des ersten Resonatorspiegels 22 an.
Dadurch wird ein gasspaltfreier Weg zur Wärmeübertragung zwischen dem Verstärkermedium 28 und dem ersten Resonatorspiegel 22 bereitgestellt.
Das Verstärkermedium 28 umfasst ein breitbandiges laseraktives Material, beispielsweise Ytterbium dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Yb:YAG).
Das Verstärkermedium 28 ist als Festkörper bereitgestellt, welcher insbesondere eine plättchenförmige Gestalt hat, wobei die erste der beiden großen Flachseiten 30 an der spiegelnden Oberfläche 24 des ersten Resonatorspiegels 22 anliegt und die zweite große Flachseite 32, die im Wesentlichen parallel zur ersten großen Flachseite 30 verläuft, optisch transparent ist.
Beispielsweise ist die zweite große Flachseite 32 poliert und mit einer Antireflexbeschichtung beschichtet.
Das Verstärkermedium 28 ist optisch gepumpt, beispielsweise wie in einer Scheibenlaseranordnung durch den mehrfachen Durchgang der Strahlung eines Pumplasers, insbesondere eines Diodenlasers.
Ferner umfasst die Resonatoranordnung 12 ein frequenzselektives Element 34, das auf der Resonatorachse 20 angeordnet ist.
Das frequenzselektive Element 34 weist einen frequenzabhängigen Transmissionsgrad 36 auf.
Das frequenzselektive Element 34 weist einen oder mehrere Durchlassbereiche 70 auf, die eine Halbwertsbreite 72 aufweisen und bei mehreren Durchlassbereichen 70 über einen freien Spektralbereich 74 voneinander beabstandet sind.
Die Frequenzabhängigkeit des Transmissionsgrads 36 des frequenzselektiven Elements 34 ist feststellbar einstellbar, beispielsweise durch Verkippen des oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das frequenzselektive Element 34.
Beispielsweise weist das frequenzselektive Element 34 ein doppelbrechendes Filter auf.
Ein doppelbrechendes Filter weist einen sich wiederholenden Transmissionsgrad auf, der mittels eines Abstimmelements 35, beispielsweise durch Verkippen des doppelbrechenden Filters oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes in der Frequenz verschoben werden kann.
Zur Bildung eines ersten Teilresonators 38 mit einer Resonatorlänge L1 weist die Resonatoranordnung 12 einen zweiten Resonatorspiegel 40 mit einer optischen Achse 41 auf. Der erste Teilresonator 38 erstreckt sich von dem ersten Resonatorspiegel bis zum zweiten Resonatorspiegel 40. Die Resonatorlänge L1 wird durch den Abstand zwischen der spiegelnden Oberfläche 24 des ersten Resonatorspiegels 22 und einer spiegelnden Oberfläche 42 des zweiten Resonatorspiegels 40 definiert.
Der zweite Resonatorspiegel 40 ist vom ersten Resonatorspiegel 22 aus gesehen auf der Resonatorachse 20 hinter dem frequenzselektiven Element 34 angeordnet.
Somit liegt das frequenzselektive Element 34 innerhalb des ersten Teilresonators 38 und zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 22, 40.
Die spiegelnde Oberfläche 42 des zweiten Resonatorspiegels 40 weist eine Reflexivität auf, die für das Laserstrahlungsfeld 18 kleiner als 1 ist, das heißt das Laserstrahlungsfeld 18 wird nicht vollständig an der spiegelnden Oberfläche 42 reflektiert, sondern kann teilweise durch die spiegelnde Oberfläche 42 durchtreten.
Somit kann ein Teil des Laserstrahlungsfeldes 18 aus dem ersten Teilresonator 38 durch die spiegelnde Oberfläche 42 austreten.
Die Resonatorlänge L1 des ersten Teilresonators 38 bestimmt eine Modenstruktur 76 des ersten Teilresonators 38, welcher mehrere um einen freien Spektralbereich 78 beabstandete Moden 80 mit einer Halbwertsbreite 82 aufweist.
Beispielsweise weist die spiegelnde Oberfläche 42 eine Reflexivität von 50 % für das Laserstrahlungsfeld 18 auf.
Gegenüber der spiegelnden Oberfläche 42 weist der zweite Resonatorspiegel 40 eine optische Oberfläche 44 auf, die beispielsweise poliert und mit einer Antireflexbeschichtung beschichtet ist.
Um einen stabilen ersten Teilresonator 38 zu bilden, weist die optische Oberfläche 44 eine konkave Fläche auf und die spiegelnde Oberfläche 42 weist eine konvexe Fläche auf.
Der zweite Resonatorspiegel 40 ist auf der Resonatorachse 20 angeordnet, so dass das Laserstrahlungsfeld 18 durch die optische Oberfläche 44 tritt und auf die spiegelnde Oberfläche 42 trifft, wo das Laserstrahlungsfeld teilweise reflektiert wird und teilweise transmittiert wird.
Die Bereiche, in denen das Laserstrahlungsfeld durch die optische Oberfläche 44 tritt, sind mindestens näherungsweise senkrecht zur Resonatorachse 20 und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlungsfeldes und mindestens näherungsweise parallel zu der spiegelnden Oberfläche 24 des ersten Resonatorspiegels 22.
Der Bereich, durch den das Laserstrahlungsfeld durch die spiegelnde Oberfläche 42 des zweiten Resonatorspiegels 40 tritt, ist mindestens näherungsweise senkrecht zur Resonatorachse und im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahlungsfeldes 18 und mindestens näherungsweise parallel zu der spiegelnden Oberfläche 24 des ersten Resonatorspiegels 22.
Der zweite Resonatorspiegel 40 ist an einer ersten Translationseinheit 46 gehalten. Die Translationseinheit 46 ist in Richtung der Resonatorachse 20 verschiebbar. Durch das Verschieben der Translationseinheit 46 wird entsprechend der daran gehaltene zweite Resonatorspiegel 40 entlang seiner optischen Achse 41 verschoben.
Dementsprechend wird dadurch die Resonatorlänge L1 des ersten Teilresonators 38 verändert.
Die Verschiebung der Translationseinheit 46 in Richtung der Resonatorachse 20 ist durch die Steuer-/Regeleinrichtung 16 steuerbar. Zur Erzielung der Steuerbarkeit umfasst die Translationseinheit 46 einen Aktuator, beispielsweise einen Piezoaktuator.
Um einen zweiten Teilresonator 50 mit einer Resonatorlänge L2 zu bilden, umfasst die Resonatoranordnung 12 einen dritten Resonatorspiegel 52 mit einer optischen Achse 53.
Der zweite Teilresonator 50 erstreckt sich zwischen der spiegelnden Oberfläche 42 des zweiten Resonatorspiegels und einer spiegelnden Oberfläche 54 des dritten Resonatorspiegels 52.
Die Resonatorlänge L2 ist durch den Abstand zwischen der spiegelnden Oberfläche 54 des dritten Resonatorspiegels 52 und der spiegelnden Oberfläche 42 des zweiten Resonatorspiegels 40 definiert.
Die Resonatorlänge L2 des zweiten Teilresonators 50 bestimmt eine Modenstruktur 84 des zweiten Teilresonators 50, welche mehrere um einen freien Spektralbereich 86 beabstandete Moden 88 mit einer Halbwertsbreite 90 aufweist.
Die Resonatorlänge L2 des zweiten Teilresonators 50 unterscheidet sich von der Resonatorlänge L1 des ersten Teilresonators 38. Insbesondere ist die Resonatorlänge L2 kleiner als die Resonatorlänge L1.
Damit unterscheiden sich auch die freien Spektralbereiche 78 und 86 und die Halbwertsbreiten 82 und 90 der Moden 80 und 88 der beiden Teilresonatoren 38 und 50.
Die spiegelnde Oberfläche 54 ist an der dem zweiten Resonatorspiegel 40 zugewandten Seite des dritten Resonatorspiegels 52 angeordnet. Um einen stabilen zweiten Teilresonator zu erzielen weist die spiegelnde Oberfläche 54 eine konkave Fläche auf.
Um ein Auskoppeln des Laserstrahlungsfeldes 18 aus der Resonatoranordnung 12 zu ermöglichen, weist die spiegelnde Oberfläche 54 des dritten Resonatorspiegels 52 eine Reflexivität für das Laserstrahlungsfeld 18 auf, die kleiner als 1 ist.
Beispielsweise weist die spiegelnde Oberfläche 54 eine Reflexivität für das Laserstrahlungsfeld 18 von 90 % auf.
Gegenüber der spiegelnden Oberfläche 54 des dritten Resonatorspiegels 52 ist an dem dritten Resonatorspiegel 52 eine optische Oberfläche 56 angeordnet. Die optische Oberfläche 56 weist eine im Wesentlichen ebene Fläche auf.
Der dritte Resonatorspiegel 52 ist auf der Resonatorachse 20 angeordnet, so dass das Laserstrahlungsfeld 18 auf die spiegelnde Oberfläche 54 trifft, dort teilweise reflektiert und teilweise transmittiert wird, so dass der transmittierte Teil auf die optische Oberfläche 56 trifft und diese durchtritt.
Die optische Oberfläche 56 weist beispielsweise eine polierte Oberfläche und/oder eine Antireflexbeschichtung auf.
In dem Bereich, in dem das Laserstrahlungsfeld 18 durch die spiegelnde Oberfläche 54 tritt, ist die spiegelnde Oberfläche 54 im Wesentlichen parallel zu der spiegelnden Oberfläche 24 des ersten Resonatorspiegels 22 und im Wesentlichen parallel zur optischen Oberfläche 56 des dritten Resonatorspiegels.
Der dritte Resonatorspiegel 52 ist auf einer zweiten Translationseinheit 58 angeordnet. Die zweite Translationseinheit 58 ist in Richtung der Resonatorachse 20 verschiebbar gelagert. Durch eine Verschiebung der zweiten Translationseinheit 58 wird der dritte Resonatorspiegel 52 in Richtung seiner optischen Achse 53 verschoben.
Durch die Verschiebung des dritten Resonatorspiegels 52 wird die Resonatorlänge L2 des zweiten Teilresonators 50 variiert.
Die Resonatorlänge L2 des zweiten Teilresonators 50 wird auch durch eine Verschiebung des zweiten Resonatorspiegels 40 variiert.
Durch gleichartiges Verschieben der ersten Translationseinheit 46 und der zweiten Translationseinheit 58 wird die Resonatorlänge L2 des zweiten Teilresonators nicht variiert.
Die Verschiebung der zweiten Translationseinheit 58 ist durch die Steuer-/Regeleinrichtung 16 steuerbar.
Um eine Steuerbarkeit der zweiten Translationseinheit 58 zu erzielen, umfasst die zweite Translationseinheit 58 einen Aktuator, beispielsweise einen Piezoaktuator auf.
Das aus der Resonatoranordnung austretende Laserstrahlungsfeld trifft auf einen Strahlteiler 60, der auf einer Verlängerung der Resonatorachse 20 angeordnet ist. Der Strahlteiler 60 lenkt einen Teil des Laserstrahlungsfeldes ab, um es zu dem Wellenlängenmessgerät 14 zu leiten.
Das Wellenlängenmessgerät 14 bestimmt die Wellenlänge des Laserstrahlungsfeldes 18, und damit die Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18.
Das Wellenlängenmessgerät 14 ist mittels einer ersten Signalleitung 62 mit der Steuer-/Regeleinrichtung 16 verbunden. Über die erste Signalleitung 62 können beispielsweise Messwerte und/oder Steuerbefehle in beiden Richtungen übertragen werden.
Die erste Signalleitung 62 kann beispielsweise Bus-Leitungen, wie RS232 oder USB, oder Glasfaserkabel, Netzwerkkabel oder ähnliches umfassen.
Die Steuer-/Regeleinrichtung 16 ist mit einer ersten Steuerleitung 64 mit dem Abstimmelement 35 des frequenzselektiven Elements 34 verbunden, so dass die Steuer-/Regeleinrichtung 16 das frequenzselektive Element 34 steuern kann.
Die erste Steuerleitung 64 weist beispielsweise ein elektrisches Kabel, ein Glasfaserkabel oder eine Busleitung wie zum Beispiel ein RS232 oder eine USB-Busleitung auf.
Die Steuer-/Regeleinrichtung 16 ist mittels einer zweiten Steuerleitung 66 mit der ersten Translationseinheit 46 verbunden, so dass die Steuer-/Regeleinrichtung 16 die erste Translationseinheit 46 steuern kann.
Die zweite Steuerleitung 66 weist beispielsweise ein elektrisches Kabel, ein Glasfaserkabel oder eine Busleitung wie zum Beispiel ein RS232 oder eine USB-Busleitung auf.
Die Steuer-/Regeleinrichtung 16 ist mittels einer dritten Steuerleitung 68 mit der zweiten Translationseinheit 58 verbunden, so dass die Steuer-/Regeleinrichtung 16 die zweite Translationseinheit 58 steuern kann.
Die dritte Steuerleitung 68 weist beispielsweise ein elektrisches Kabel, ein Glasfaserkabel oder eine Busleitung wie zum Beispiel ein RS232 oder eine USB-Busleitung auf.
Das Verstärkermedium 28 liegt in dem ersten Teilresonator 38. Da das Verstärkermedium 28 ein breites Verstärkungsprofil aufweist, liegt eine große Zahl der Moden 80 des ersten Teilresonators 38 innerhalb des Verstärkungsprofils.
Somit stehen diese Moden, die innerhalb des Verstärkungsprofils des Verstärkermediums 28 liegen, in Konkurrenz zueinander und schwingen statistisch nacheinander an, so dass zeitlich gemittelt ein breites Frequenzspektrum des Laserstrahlungsfeldes 18 erzeugt werden würde.
Durch die Teiltransparenz des zweiten Resonatorspiegels 40 kann sich das Laserstrahlungsfeld 18 von innerhalb des ersten Teilresonators 38 in den zweiten Teilresonator 50 und zurück ausbreiten. Dadurch entsteht eine Kopplung zwischen dem ersten Teilresonator 38 und dem zweiten Teilresonator 50.
Durch die Koppelung mit dem zweiten Teilresonator 50 werden einzelne Moden 80 des ersten Teilresonators 38 ausgeschnitten, da der zweite Teilresonator einen größeren freien Spektralbereich 86 aufweist als der erste Teilresonator 38.
Die resultierenden Moden weisen allerdings eine ähnlich kleine Halbwertsbreite 82 auf wie die Moden 80 des ersten Teilresonators 38 allerdings mit dem freien Spektralbereich 86 der Modenstruktur 84 des zweiten Teilresonators 50.
Von den übriggebliebenen Moden liegen allerdings immer noch mehrere innerhalb des Verstärkungsbereichs des Verstärkungsmediums 28, so dass immer noch mehrere Moden in Konkurrenz zueinander stehen. Dadurch weist das Laserstrahlungsfeld 18 im zeitlichen Mittel weiterhin ein relativ breites Emissionsspektrum auf.
Durch das frequenzselektive Element 34, das im ersten Teilresonator 38 angeordnet ist, werden nun wiederum einzelne der übriggebliebenen Moden ausgeschnitten, die weiterhin die kleine Halbwertsbreite 82 der Modenstruktur 76 des ersten Teilresonators 38 aufweisen aber einen freien Spektralbereich 74 des frequenzselektiven Elements 34 aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass nur noch eine schwingfähige Mode innerhalb des Verstärkungsbereichs des Verstärkermediums 28 liegt. Somit wird auch das Laserstrahlungsfeld 18 nur noch in einer Mode schwingen und dadurch eine schmale Frequenzbreite aufweisen.
Das Laserstrahlungsfeld 18 wird innerhalb der Resonatoranordnung 12 durch stimulierte Emission im Verstärkermedium 28 erzeugt. Das bedeutet, die Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 muss innerhalb des Verstärkungsbereichs des Verstärkermediums 28 liegen, sie muss innerhalb eines Durchlassbereichs 70 des frequenzselektiven Elements 34 liegen und sie muss resonant mit dem ersten Teilresonator 38 und resonant mit dem zweiten Teilresonator 50 sein.
Dies begrenzt den Frequenzbereich der erzeugbaren Frequenzen des Laserstrahlungsfeldes 18.
Die geringste Einschränkung dieses Frequenzbereichs ist durch den Verstärkungsbereich des Verstärkermediums 28 gegeben. Dieser Bereich wird eingeschränkt durch den Durchlassbereich 70 des frequenzselektiven Elements 34. Der so entstehende Bereich wird weiter eingeschränkt durch die Halbwertsbreite 90 einer Mode 88 des zweiten Teilresonators 50 und der daraus resultierend Frequenzbereich wird wiederum durch die Halbwertsbreite 82 einer Mode 80 des ersten Teilresonators 38 begrenzt.
Durch diese Staffelung der Durchlassbereiche 70 beziehungsweise Verstärkungsbereiche und Halbwertsbreiten 82, 90 der Moden 80, 88 kann erreicht werden, dass nur eine einzelne schmalbandige Mode schwingen kann.
Durch Verstimmen des frequenzselektiven Elements 34 können verschiedene Moden 88 des zweiten Teilresonators 50 ausgewählt werden, die schwingen können. Auf diese Weise kann ein erster grober Frequenzabstimmungsvorgang erfolgen 92.
Der erste grobe Frequenzabstimmungsvorgang 92 kann über einen Frequenzbereich erfolgen, der ungefähr dem freien Spektralbereich 74 des frequenzselektiven Elements 34 entspricht. Das liegt daran, dass die Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 auf den benachbart liegenden Durchlassbereich 70 des frequenzselektiven Elements springen kann.
Durch Verschieben des dritten Resonatorspiegels 52 wird die Länge L2 des zweiten Teilresonators 50 variiert und damit werden die Frequenzen der Moden 88 des zweiten Teilresonators 50 verschoben. Auf diese Weise kann ein zweiter Frequenzabstimmungsvorgang 94 erfolgen.
Der zweite Frequenzabstimmungsvorgang 94 weist einen Frequenzabstimmbereich auf, der etwa dem freien Spektralbereich 86 des zweiten Teilresonators 50 entspricht. Beim Abstimmen des zweiten Teilresonators 50 ist der Abstimmbereich dadurch begrenzt, dass die Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 auf eine Nachbarmode des zweiten Teilresonators 50 springen kann, wenn der zweite Teilresonator 50 zu weit verstimmt wird.
Dadurch ergibt sich ein Abstimmbereich des zweiten Teilresonators 50, der der Größe des freien Spektralbereichs 86 des zweiten Teilresonators 50 etwa entspricht.
Durch gemeinsames Verschieben des zweiten Resonatorspiegels 40 und des dritten Resonatorspiegels 52 wird die Resonatorlänge L2 des zweiten Teilresonators nicht variiert, während die Resonatorlänge L1 des ersten Teilresonators variiert wird. Dadurch verschieben sich die Frequenzen der Moden 80 des ersten Teilresonators 38, wodurch ein dritter feiner Frequenzabstimmungsvorgang 96 erfolgen kann.
Der dritte feine Frequenzabstimmungsvorgang 96 ermöglicht das Abstimmen der Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 über einen Bereich, der etwa dem freien Spektralbereich 78 des ersten Teilresonators 38 entspricht. Das liegt daran, dass wenn die Frequenz weiter als der freie Spektralbereich 78 verschoben wird, wird die Nachbarmode des ersten Teilresonators 38 aktiv und die Frequenz springt um den freien Spektralbereich 78 zurück.
Um die Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 auf eine Sollfrequenz 98 einzustellen werden folgende Schritte wiederholt durchgeführt. Laserfrequenzmessung 100 der Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 mittels des Wellenlängenmessgeräts 14.
Übermittlung 102 der Frequenz 19 an die Steuer-/Regeleinrichtung 48.
Ermittlung 104 einer Abweichung 106 der Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 von der Sollfrequenz 98.
Die Abweichung 106 wird bestimmt durch die Differenz zwischen der Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 und der Sollfrequenz 98.
Vergleich 108 der Abweichung 106 mit einem oberen Grenzwert 110 und einem unteren Grenzwert 112. Durch den Vergleich wird zwischen drei Frequenzregelungsvarianten entschieden. Ist die Abweichung 106 größer als der obere Grenzwert 110, wird der erste grobe Frequenzabstimmungsvorgang 92 durchgeführt. Ist die Abweichung 106 kleiner als der obere Grenzwert 110 und größer als der untere Grenzwert 112, wird der zweite Frequenzabstimmungsvorgang 94 durchgeführt. Ist die Abweichung 106 kleiner als ein unterer Grenzwert 112, wird der dritte feine Frequenzabstimmungsvorgang 96 durchgeführt.
Die Wahl des oberen Grenzwertes 110 richtet sich nach dem freien Spektralbereich 86 des zweiten Teilresonators 50 und damit nach dem Abstimmbereich des zweiten Frequenzabstimmungsvorgangs 94, da bei Abweichungen 106, die größer sind als der Abstimmbereich des zweiten Frequenzfeinabstimmungsvorgangs 94 die Abweichung 106 durch den zweiten Frequenzfeinabstimmungsvorgang 94 nicht ausgeglichen werden kann.
Somit muss die Abweichung 106 zunächst mit Hilfe des ersten groben Frequenzabstimmungsvorgangs 92 verringert werden.
Der untere Grenzwert 112 richtet sich im Wesentlichen nach dem freien Spektralbereich 78 des ersten Teilresonators 38 und damit nach dem Abstimmbereich des dritten feinen Frequenzabstimmungsvorgangs 96.
Da bei Abweichungen 106, die größer sind als der Abstimmbereich des dritten feinen Frequenzabstimmungsvorgangs 96 die Abweichung 106 nicht durch den dritten feinen Frequenzabstimmungsvorgang 96 ausgeglichen werden kann, muss zunächst mit Hilfe des zweiten Frequenzabstimmungsvorgangs 94 die Abweichung 106 verringert werden.
Nachdem einer der drei Schritte, Durchführen des ersten groben Frequenzabstimmungsvorgangs 92, Durchführen des zweiten Frequenzabstimmungsvorgangs 94 oder Durchführen des dritten feinen Frequenzfeinstabstimmungsvorgangs 96 durchgeführt wurde, wird durch das Messen der Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 wieder mit dem ersten Schritt begonnen.
Durch wiederholtes Durchführen der Regelschleife kann eine ausgezeichnete Regelungsstabilität der Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 erzielt werden.
Eine in der 2 dargestellte zweite Ausführungsform eines Laserverstärkersystems 10 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform des Laserverstärkersystems 10 dadurch, dass der dritte Resonatorspiegel 52 nicht auf der Resonatorachse 20 angeordnet ist, sondern seitlich neben dem ersten Teilresonator 38 und quer zu dem zweiten Resonatorspiegel 40 angeordnet ist und dadurch, dass in dem ersten Teilresonator 38 ein Strahlteiler 114 angeordnet ist.
Der Strahlteiler 114 ist auf der Resonatorachse 20 angeordnet. Der Strahlteiler 114 ist gegenüber dem ersten Resonatorspiegel 22 und dem zweiten Resonatorspiegel 40 verkippt.
Weiter weist der Strahlteiler 114 eine Reflexivität von kleiner als 1 auf, so dass das Laserstrahlungsfeld 18 teilweise reflektiert und teilweise transmittiert wird.
Beispielsweise weist der Strahlteiler 114 eine Reflexivität von 50 % auf.
Durch die Verkippung des Strahlteilers 114 wird ein Querabschnitt 115 des Laserstrahlungsfeldes 18 quer zu der Resonatorachse 20 geführt.
Die Anordnung des Strahlteilers 114 und des dritten Resonatorspiegels 52 ist derart, dass das Laserstrahlungsfeld 18 auf eine spiegelnde Oberfläche 54 des dritten Resonatorspiegels 52 trifft.
Das Laserstrahlungsfeld 18 trifft im Wesentlichen senkrecht auf die spiegelnde Oberfläche 54 des dritten Resonatorspiegels 52, so dass das Laserstrahlungsfeld 18 auf sich selbst zurückreflektiert wird. Dadurch entsteht ein zweiter Teilresonator 50, der ein gewinkelter/gefalteter Resonator 116 ist.
Die Kopplung zwischen dem ersten Teilresonator 38 und dem zweiten Teilresonator 50 erfolgt durch den Strahlteiler 114.
Der dritte Resonatorspiegel 52 ist auf einer zweiten Translationseinheit 58 angeordnet, die quer zu der Resonatorachse 20 verschiebbar angeordnet ist.
Die zweite Translationseinheit 58 und der dritte Resonatorspiegel 52 sind im Wesentlichen in einer Richtung parallel zu dem Querabschnitt 115 des Laserstrahlungsfeldes 18 verschiebbar.
Die spiegelnde Oberfläche 54 des dritten Resonatorspiegels 52 ist an der dem Strahlteiler 114 zugewandten Seite des dritten Resonatorspiegels 52 angeordnet.
In dieser zweiten Ausführungsform ist eine Teiltransparenz der Resonatorspiegel nicht notwendig, da das Laserstrahlungsfeld 18 mittels des Strahlteilers 114 quer zur Resonatorachse 20 ausgekoppelt werden kann.
Die Resonatorlänge L2 des zweiten Teilrsonators 50 ergibt sich aus dem Abstand 118 zwischen dem zweiten Resonatorspiegel 40 und dem Strahlteiler 114 und dem Abstand 120 zwischen dem Strahlteiler 114 und dem dritten Resonatorspiegel 52.
Die Resonatorlänge L2 kann durch die Verschiebung des zweiten Resonatorspiegels 40 und durch die Verschiebung des dritten Resonatorspiegels 52 variiert werden. Damit entspricht dies den Variationsmöglichkeiten des zweiten Teilresonators 50 aus der ersten Ausführungsform.
Das Verfahren zur Regelung der Frequenz 19 des Laserstrahlungsfeldes 18 kann auch auf diese zweite Ausführungsform angewendet werden.
Im Übrigen stimmt die in der 2 dargestellte zweite Ausführungsform des Laserverstärkersystems 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Bezugszeichenliste

L1: Resonatorlänge
L2: Resonatorlänge
10: Laserverstärkersystem
12: Resonatoranordnung
14: Wellenlängenmessgerät
16: Steuer-/Regeleinrichtung
18: Laserstrahlungsfeld
19: Frequenz
20: Resonatorachse
22: Erster Resonatorspiegel
24: Spiegelnde Oberfläche
26: Körper
28: Verstärkermedium
30: Erste große Flachseite
32: Zweite große Flachseite
34: Frequenzselektives Element
35: Abstimmelement
36: Transmissionsgrad
38: Erster Teilresonator
40: Zweiter Resonatorspiegel
41: Optische Achse
42: Spiegelnde Oberfläche
44: Optische Oberfläche
46: Translationseinheit
48: Steuereinrichtung
50: Zweiter Teilresonator
52: Dritter Resonatorspiegel
53: Optische Achse
54: Spiegelnde Oberfläche
56: Optische Oberfläche
58: Zweite Translationseinheit
60: Strahlteiler
62: Erste Signalleitung
64: Erste Steuerleitung
66: Zweite Steuerleitung
68: Dritte Steuerleitung
70: Durchlassbereich
72: Halbwertsbreite
74: Freier Spektralbereich
76: Modenstruktur
78: Freier Spektralbereich
80: Moden
82: Halbwertsbreite
84: Modenstruktur
86: Freier Spektralbereich
88: Moden
90: Halbwertsbreite
92: Erster grober Frequenzabstimmungsvorgang
94: Zweiter Frequenzabstimmungsvorgang
96: Dritter feiner Frequenzabstimmungsvorgang
98: Sollfrequenz
100: Laserfrequenzmessung
102: Übermittlung
104: Ermittlung
106: Abweichung
108: Vergleich
110: Oberer Grenzwert
112: Unterer Grenzwert
114: Strahlteiler
115: Querabschnitt
116: Gewinkelter Resonator
118: Abstand
120: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Baum, D. Grebner, W. Paa, W. Triebel, M. Larionov, A. Giesen, Axial mode tuning of a single frequency Yb:YAG thin disk laser, Appl. Phys. B81, 1091–1096 (2005) [0004]
P. W. Smith, Single-Frequency Output from a Long Laser Cavity, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-1, No. 8, S. 343, November 1965 [0005]
Paulo S. F. de Matos, Niklaus U. Wetter und Gessé E. C. Nogueira, Single Frequency Oscilation in a Coupled Cavity ND:GYLF Laser by Interferometric Control of the Cavity’s Length, Revista de Física Aplicada e Instrumentação, vol. 16, no. 1, S. 18, März 2003 [0006]

Claims

Laserverstärkersystem (10) zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes (18) mit einer Resonatoranordnung (18), in der ein Verstärkermedium (28) angeordnet ist, wobei die Resonatoranordnung (12) mindestens einen ersten Resonatorspiegel (22), einen zweiten Resonatorspiegel (40), einen dritten Resonatorspiegel (52), ein frequenzselektives Element (34), das zwischen dem ersten Resonatorspiegel (22) und dem zweiten Resonatorspiegel (40) angeordnet ist, eine erste Translationseinheit (46) zur Positionierung durch Verschiebung des zweiten Resonatorspiegels (40), eine zweite Translationseinheit (58) zur Positionierung durch Verschiebung des dritten Resonatorspiegels (52) und ein Abstimmelement (35) zur Abstimmung eines Transmissionsgrads (36) des frequenzselektiven Elements (34) umfasst.
Laserverstärkersystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die erste Translationseinheit (46) der zweite Resonatorspiegel (40) zur Positionierung des zweiten Resonatorspiegels (40) entlang einer optischen Achse (41) des zweiten Resonatorspiegels (40) verschiebbar ist.
Laserverstärkersystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zweite Translationseinheit (58) der dritte Resonatorspiegel (52) zur Positionierung des dritten Resonatorspiegels (52) entlang einer optischen Achse (53) des dritten Resonatorspiegels (52) verschiebbar ist.
Laserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilresonator (38) durch den ersten Resonatorspiegel (22) und den zweiten Resonatorspiegel (40) gebildet ist, dass eine Resonatorlänge (L1) des ersten Teilresonators (38) durch eine Position des ersten Resonatorspiegels (22) und eine Position des zweiten Resonatorspiegels (40) definiert ist, dass ein zweiter Teilresonator (50) durch den zweiten Resonatorspiegel (49) und den dritten Resonatorspiegel (52) gebildet ist und dass eine Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) durch die Position des zweiten Resonatorspiegels (40) und eine Position des dritten Resonatorspiegels (52) definiert ist.
Laserverstärkersystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorlänge (L1) des ersten Teilresonators (38) und die Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) unterschiedlich lang sind.
Laserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilresonator (38) durch Positionierung des zweiten Resonatorspiegels (40) abstimmbar oder abgestimmt ist.
Laserverstärkersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilresonator (50) durch Positionierung des dritten Resonatorspiegels (52) abstimmbar oder abgestimmt ist.
Laserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gekennzeichnet durch eine Steuer-/Regeleinrichtung (16), wobei die Steuer-/Regeleinrichtung (16) die erste Translationseinheit (46) und die zweite Translationseinheit (58) steuert und/oder nach einer Frequenz (19) des Laserstrahlungsfeldes (18) regelt.
Laserverstärkersystem (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (16) das Abstimmelement (35) des frequenzselektiven Elements (34) steuert und/oder nach einer Frequenz (19) des Laserstrahlungsfeldes (18) regelt.
Laserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Resonatorspiegel (40) und der dritte Resonatorspiegel (52) auf einer gemeinsamen Resonatorachse (20) angeordnet sind.
Laserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Achse (23) des ersten Resonatorspiegels (22), eine optische Achse (41) des zweiten Resonatorspiegels (40) und eine optische Achse (53) des dritten Resonatorspiegels (52) mindestens näherungsweise parallel zueinander verlaufen.
Laserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorlänge (L1) des ersten Teilresonators (38) durch den Abstand zwischen dem ersten Resonatorspiegel (22) und dem zweiten Resonatorspiegel (40) definiert ist und dass die Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) durch den Abstand zwischen dem zweiten Resonatorspiegel (40) und dem dritten Resonatorspiegels (52) definiert ist.
Laserverstärkersystem (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite und der dritte Resonatorspiegel (40, 52) eine Teiltransparenz aufweisen und dass der erste Teilresonator (38) und der zweite Teilresonator (50) durch den zweiten Resonatorspiegel (40) optisch miteinander gekoppelt sind.
Laserverstärkersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilresonator (38) und der zweite Teilresonator (50) durch den einen Strahlteiler (114) optisch miteinander gekoppelt sind.
Laserverstärkersystem (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Achse (23) des ersten Resonatorspiegels (22) und eine optische Achse (41) des zweiten Resonatorspiegels (40) mindestens näherungsweise parallel zueinander verlaufen und dass eine optische Achse (53) des dritten Resonatorspiegels (52) quer zu der optischen Achse (41) des zweiten Resonatorspiegels (40) verläut.
Laserverstärkersystem (10) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorlänge (L1) des ersten Teilresonators (38) durch den Abstand zwischen dem ersten Resonatorspiegel (22) und dem zweiten Resonatorspiegel (40) definiert ist und dass die Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) durch den Abstand zwischen dem zweiten Resonatorspiegel (40) und dem Strahlteiler (114) und dem Abstand zwischen dem Strahlteiler (114) und dem dritten Resonatorspiegel (52) definiert ist.
Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines Laserstrahlungsfeldes (18) eines Laserverstärkersystems (10) insbesondere gemäß einem der voranstehenden Ansprüche umfassend: Bestimmung (100) einer Frequenz (19) des Laserstrahlungsfeldes (18), Ermittlung (104) einer Abweichung (106) der zuvor bestimmten Frequenz (19) des Laserstrahlungsfeldes (18) von einer Sollfrequenz (98), Durchführen eines ersten groben Frequenzabstimmungsvorgangs (92) durch Abstimmen eines frequenzselektiven Elements (34), wenn die Abweichung (106) der Frequenz (19) des Laserstrahlungsfeldes (18) größer ist als ein oberer Grenzwert (110), Durchführen eines zweiten Frequenzabstimmungsvorgangs (94), wenn die Abweichung (106) der Frequenz (19) des Laserstrahlungsfeldes (18) kleiner ist als der obere Grenzwert (110) und größer ist als ein unterer Grenzwert (112), und Durchführen eines dritten feinen Frequenzabstimmungsvorgang (96), wenn die Abweichung (106) der Frequenz (19) des Laserstrahlungsfeldes (18) kleiner ist als der untere Grenzwert (112), wobei die genannten Schritte wiederholt durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung (100) der Frequenz (19) des Laserstrahlungsfeldes (18) mittels eines Wellenlängenmessgeräts erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmen des frequenzselektiven Elements durch Verkippen eines doppelbrechenden Filters und/oder durch Anlegen eines elektrischen Feldes an ein doppelbrechendes Filter erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Frequenzabstimmungsvorgang (94) durch Abstimmen eines zweiten Teilresonators (50) erfolgt, wenn eine Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) kleiner ist als eine Resonatorlänge (L1) eines ersten Teilresonators (38) oder durch Abstimmen des ersten Teilresonators (38) erfolgt, wenn die Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) größer ist als die Resonatorlänge (L1) des ersten Teilresonators (38).
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte feine Frequenzabstimmungsvorgang (96) durch Abstimmen eines ersten Teilresonators (38) erfolgt, wenn eine Resonatorlänge (L2) eines zweiten Teilresonators (50) kleiner ist als eine Resonatorlänge (L1) des ersten Teilresonators (38) oder durch Abstimmen des zweiten Teilresonators (50) erfolgt, wenn die Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) größer ist als die Resonatorlänge (L1) des ersten Teilresonators (38).
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmen des zweiten Teilresonators (50) durch Positionierung des dritten Resonatorspiegels (52) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstimmen des ersten Teilresonators (38) durch Positionierung des zweiten Resonatorspiegels (40) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Positionierung des dritten Resonatorspiegels (52) der zweite Resonatorspiegel (40) und der dritte Resonatorspiegel (52) synchron verschoben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert (110) kleiner als ein freier Spektralbereich (86) eines zweiten Teilresonators (50) ist, wenn eine Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) kleiner ist als eine Resonatorlänge (L1) eines ersten Teilresonators (38) oder kleiner als ein freier Spektralbereich (78) des ersten Teilresonators (38) ist, wenn die Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) größer ist als die Resonatorlänge (L1) eines ersten Teilresonators (38).
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert (112) kleiner als ein freier Spektralbereich (78) eines ersten Teilresonators (38) ist, wenn eine Resonatorlänge (L2) eines zweiten Teilresonators (50) kleiner ist als eine Resonatorlänge (L1) des ersten Teilresonators (38) oder kleiner ist als ein freier Spektralbereich (86) des zweiten Teilresonators (50), wenn die Resonatorlänge (L2) des zweiten Teilresonators (50) größer ist als die Resonatorlänge (L1) des ersten Teilresonators (38).