DE102012106948A1

DE102012106948A1 - Femtosekundenlaservorrichtung unter Verwendung eines optischen Laserdioden-Pumpmodul

Info

Publication number: DE102012106948A1
Application number: DE102012106948A
Authority: DE
Inventors: Guang Hoon Kim; Uk Kang; Ju Hee Yang; Elena Sall; Sergey Chizhov; Andrey Kulik
Original assignee: Korea Electrotechnology Research Institute KERI
Current assignee: Korea Electrotechnology Research Institute KERI
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2013-02-28
Also published as: US20130051411A1; KR101264225B1; CN102957082B; KR20130021188A; CN102957082A; US8594141B2; HK1183167A1

Abstract

Die vorliegend Erfindung betrifft eine Femtosekundenlaservorrichtung unter Verwendung von optischem Laserdiodenpumpen. Um stabile Modenkopplung bereitzustellen und die Leistungsstabilität und Strahlstabilität in einem ultraschnellen Laser wie einem Femtosekundenlaser zu verbessern, werden optische Montierungen, an denen optische Teile einer Diodenpumpeneinheit angebracht sind, mechanisch in Eingriff genommen durch Verwendung von Stangen mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, und bilden ein Pumpmodul, und das Pumpmodul wird maximal von einer Laserplattform oder einem Lasergehäuse getrennt.

Description

a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine dioden-gepumpte Laservorrichtung. Spezieller betrifft sie eine Femtosekundenlaservorrichtung unter Verwendung eines optischen LaserdiodenPumpmoduls, welches eine stabile Moden-Kopplung bereitstellen und die Leistungsstabilität und Strahlstabilität bei einem ultraschnellen Laser verbessern kann.
b) Stand der Technik
Im Allgemeinen hat ein ultraschneller Laserimpuls hervorragende Eigenschaften wie eine hohe Spitzenleistung, eine große Spektralbreite etc., wie auch eine kurze Impulszeitbreite.
Das ultraschnelle Lasersystem wurde aufgrund dieser Eigenschaften für die Ultrapräzisions-Mikrobearbeitung unterschiedlichster Materialien, nichtlineare Optiken, und biologische, chemische, physikalische und medizinische Anwendungen verwendet.
Beispielsweise kann ein ultraschneller Laserimpuls eines Femtosekundenbereichs aufgrund der Minimierung der thermischen Diffusion in einem Bearbeitungsbereich und da auf die Umgebung kein Restschaden verursacht wird, ein Material bearbeiten, welches zu hart zur mechanischen Bearbeitung ist. Und aufgrund eines nichtlinearen optischen Effekts wie auf hoher Spitzenleistung basierender Multi-Photonen-Absorption kann der ultraschnelle Laserimpuls eine Struktur von unterschiedlichen Nanogrößen sogar bei einem transparenten Material wie Glas, Polymer, etc. bearbeiten.
Die Laserstabilität gibt an, ob Elemente über die Zeit konstant gehalten werden, wobei die Elemente umfassen: die auf ein Objekt, auf das ein Laser angewandt wird, aufgebrachte Leistung, eine Position eines auf das Objekt angewandten Strahls, das räumliche Wandern des Strahls, ein Verteilungsmuster des Strahls usw.
Wenn ein Laser von einem entfernten Platz präzise auf ein Ziel angewendet werden soll, beispielsweise bei der Laserbearbeitung, ist die Laserstabilität sehr wichtig.
Im speziellen ist die Laserstabilität für einen ultraschnellen Laser wie einen Femtosekundenlaser bei der Ultrapräzisionsbearbeitung mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich noch wichtiger.
Die Strahlstabilität, welche anzeigt, ob der Strahl stabil zu einer vorherbestimmten Position und Winkel in räumlichen Begriffen zuläuft, ist eng mit Anwendungen wie der Laserbearbeitung verbunden.
Die Eigenschaften der Strahlstabilität können mit der Strahlpositionsstabilität, welche mit einem Positionswechsel in der Form eines Strahls auf ein Objekt verknüpft ist, und mit der Strahlwinkelstabilität, welche eine Winkeländerung wenn der Strahl auf das Objekt fokussiert ist, angegeben werden.
Die Strahlstabilität wird typischerweise als „Strahllagestabilität” bezeichnet.
Faktoren, die die Laserstabilität beeinflussen, können interne und externe Faktoren wie physikalische Vibrationen, mechanische Deformationen, eine Änderung in der Wärmeverteilung, Instabilität eines Resonators, einer Luftströmung etc. enthalten.
Ein ultraschneller Laser ist insbesondere empfindlich auf diese internen und externen Faktoren und deshalb wurden eine Vielzahl von Versuchen unternommen, um die Stabilität des Lasers zu verbessern.
Bei dem ultraschnellen Laser wie er durch einen Femtosekundenlaser repräsentiert wird, ist die Modenkopplung ein Verfahren zum Erhalten ultrakurzer Pulse von einem Femtosekundenoszillator. Da die Modenkopplung sehr empfindlich auf kleinste Änderungen in einem optischen Pfad reagiert, ist der Oszillator auch sehr empfindlich auf mechanische Deformationen optischer Montierungen, welche durch eine Änderung in der Umgebungstemperatur verursache werden, so dass sich die Ausgangseigenschaften des Oszillators entsprechend empfindlich ändern können.
Deshalb werden die meisten Femtosekundenlaser für ihren stabilen Betrieb in Reinräume mit Konstant-Temperatur-Einrichtungen zum stabilen Aufrechterhalten der Umgebungstemperatur innerhalb von +0,5°C installiert und dort betrieben.
Jedoch tritt um optische Montierungen, wie beispielsweise einer zum optischen Pumpen zugehörigen Montierung, einer Lasermedium-Montierung etc., auf die eine Hochleistungs-Pumplichtquelle appliziert wird, oder um einen Laserleistungsvorrichtung, eine Kühlvorrichtung etc., die aufgrund eines Kühlelement sehr viel Hitze nach außen emittieren, zwangsläufig eine lokale Temperaturänderung auf.
Das heißt, dass der Femtosekundenlaser bezüglich seiner Ausgangseigenschaften sowohl durch eine lokale Temperaturänderung um darin integrierte optische Teile als auch durch eine Änderung in der Umgebungstemperatur um den Raum, in dem der Laser installiert ist, stark beeinflusst wird.
Deshalb ist es sehr wichtig, dass ein Femtosekundenlasersystem mechanisch derart ausgebildet ist, um so wenig wie möglich empfindlich auf die Temperatur zu sein.
Ein herkömmlicher typischer Femtosekundenlaser ist ein Laser. der einen Ti-Saphir als Medium benutzt.
Das Ti-Saphir-Medium kann sehr kurze Pulse von bis zu einigen Femtosekunden erzeugen, da es ein großes Emissionsspektralband von 100 Nanometern hat.
Um Energie von außen zu pumpen, wird eine grüne Lichtquelle von einem Nd:YVO-Laser, der durch eine Hochleistungslaserdiode gepumpt wird, mit einer Amplitude von einigen 10 bis einigen 100ten von Mikrometern auf einen Ti-Saphir-Laserkristall stark fokussiert.
Die Pumplichtquelle ist von dem Ti-Saphir strukturell um einige Meter entfernt, um so den Ti-Saphirlaser stabil zu betreiben, weshalb die Stabilität der Ausgangseigenschaften der Pumplichtquelle sehr wichtig ist.
Beispielsweise ändert sich bei einer schlechten Pumpstabilität der Pumplichtquelle eine Spot-Position der mit einer Amplitude von einigen 10 bis einigen 100 Mikrometern auf den Ti-Saphirlaserkristall stark fokussierten Pumplichtquelle, unbeständig, so dass eine Modenkopplung zwischen der Pumpenlichtquelle und dem Laserstrahl sich ständig ändert, wodurch die Laserleistungsstabilität abnimmt.
Wenn beispielsweise Eigenschaften wie Ausgangsleistung, Ausgangsstrahlrichtung usw. sich verschlechtern, wird sich die Qualität des diese Eigenschaften verwendenden Laserbearbeitungsprodukts ebenso verschlechtern.
Um dieses oben genannten Problem zu beheben, wird ein Reflexionsspiegel an einer optischen Montierung installiert, an der eine Steuervorrichtung zum Feinjustieren einer Strahlrichtung angebracht ist. Folglich kann die Strahlrichtung der Pumplichtquelle durch den Reflexionsspiegel kontrolliert werden, wodurch die Leistungsstabilität kontrolliert wird.
Jedoch wird ein System, wenn optische Teile gleichzeitig zur Optimierung der Stabilität kontrolliert werden, groß und komplex im Aufbau und der Preis des Systems steigt ebenso.
Deshalb wird eine Steuervorrichtung üblicherweise lediglich bei ein oder zwei optischen Elementen angebracht.
Andererseits kann, falls ein ultraschneller Impuls durch Applizieren eines Hochleistungs-Strahlausgangs einer Halbleiterlaserdiode direkt auf einen Laserkristall erhalten werden, kann das Problem, dass ein herkömmlicher Ti-Saphirlaser einen teuren Pumplaser benötigt, beseitigt werden. Dann können derartige Probleme wie Preis, Größe und Stabilität, welche Nachteile des Ti-Saphirlasers sind, einfacher gelöst werden.
Vorliegend kann, falls eine Hochleistungslaserdiode, welche eine Pumplichtquelle ist, nahe am Laserkristall innerhalb von einigen zehn Zentimetern oder einigen Zentimetern vom Laserkristall entfernt angeordnet werden kann, die Stabilität des ultraschnellen Lasers weiter verbessert werden.
Falls ein für die Verbesserung der Ausgangsleistung des ultraschnellen Lasers verwendetes Verstärkerteil durch Verwendung der Hochleistungslaserdiode in einem kontinuierlichen Wellenmodus anstatt in einem Impulsmodus gepumpt werden kann, dann kann der Laser zusätzlich stabil betrieben werden.
Wenn ein Femtosekundenimpuls zuerst in Modenkopplung in einem Femtosekundenoszillator erzeugt wird, ist die Energie des Impulses mit etwas um die nano-Joule (nJ) sehr gering, und somit ist der Impuls nicht für Anwendungen wie Laserbearbeitung und ähnliches geeignet.
Um die Energie des Femtosekundenimpulses zu erhöhen, kann die Technik der Chirped Pulse Amplification (CPA) verwendet.
Ein Impulsausgabe von einem Femtosekundenoszillator wird temporär gestreckt und dann auf einen Verstärker appliziert, um somit als ein seeding pulse verwendet zu werden.
In einem Laserkristall des Femtosekundenverstärkers ist die stabile Kopplung zwischen dem seeding pulse und einer Verstärker/Resonator-Mode sehr wichtig für die Stabilität des Femtosekundenverstärkers.
Deshalb wird die Stabilität eines Oszillators in einem System mit einer Verstärker im Femtosekundenlaser immer wichtiger.
Ein anderer Weg zur Verbesserung des Stabilität des Femtosekundenlasers ist die Herstellung einer Lasergehäuses durch Aushöhlen der Innenseite eines einzelnen Aluminiumblocks, wobei andere Teile als eine obere Abdeckung integral als ein Stück hergestellt werden, um mechanische Deformationen des Gehäuses aufgrund von Temperaturänderungen zu minimieren.
Ebenso wird, in einem Versuch zur Reduktion der Temperaturänderung ein Modul mit darin angeordneter Hochleistungsdiode oder ein Modul mit einem darin installierten Laserkristall aus Kupfer mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit hergestellt, und es wird Kühlwasser einer konstanten Temperatur durchströmen gelassen.
Um die Stabilität weiter zu verbessern, können eine Kühlwasserleitung, wie auch die oben beschriebenen Module, im Lasergehäuse vorgesehen werden, um das Kühlwasser strömen zu lassen, um auf diese Weise die Temperaturänderungen zu minimieren.
Es kann jedoch beispielsweise oft festgestellt werden, dass, falls der Laser betrieben und verwendet und nachdem er ausgeschaltet wird, der Laser zum Betrieb am nächsten Tag wieder eingeschaltet wird und die Eigenschaften des Lasers verschlechtert sind.
Dies rührt daher, dass während des abgeschaltet Seins auftretende mechanische Deformationen selbst nach dem Einschalten nicht vollständig durch die Kühlvorrichtung wieder beseitigt werden können.
Um dieses Problem zu beseitigen, wird bei manchen herkömmlichen Femtosekundenlasersystemen empfohlen, das Lasersystem, beispielsweise die Pumplichtquelle, eine Kühlvorrichtung enthaltend Kühlwasser, etc., 24 Stunden durchbetrieben werden, um einen stabilen Zustand zu erhalten.
Es ist jedoch nicht einfach, optische Montierungen eines Laseresonators auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Um eine Änderung in der Leistung des Femtosekundenlasers im Laufe der Zeit zu reduzieren, sollten eine räumliche Änderung eines Strahls einschließlich der Lagestabilität oder ähnliches, Modenkopplung für räumliches Übereinstimmen der von der Außenseite auf den Strahl im Laserkristall innerhalb des Resonators applizierten Pumplichtquelle stabil gehalten werden.
Falls die von außen aufgebrachte Pumplichtquelle weit von dem Laserkristall entfernt ist, ist es aufgrund der Strahlstabilität der Pumplichtquelle nicht einfach, die Modenkopplung stabil zu halten.
Deshalb ist es zur Herstellung eines Femtosekundenlasers hoher Stabilität wünschenswert, eine Laserdiode als Pumplichtquelle direkt auf den Laserkristall in sehr nahem Bereich anzuwenden.
Da die Hochleistungspumplichtquelle von außen appliziert wird und der Hochleistungslaserstrahl innerhalb des Laserresonators erzeugt wird, wird die Hochleistung in Form von Hitze an die optischen Montierungen, mit denen sich die optischen Teile, beispielsweise der Laserkristall, der optische Spiegel etc. in Eingriff befinden, und ebenso an einer Laserplattform und dem Laser abgegeben.
Die abgegebene Hitze verursacht Deformationen einer optischen Montierung oder ähnlichem, und die mechanische Deformation ändert ganz wenig die Richtung eines optischen Teils, so dass die Anordnung des Laserresonators gestört wird, wodurch sich die Ausgangseigenschaften des Lasers verschlechtern.
Insbesondere wird bei ultraschnellen Laser wie Femtosekundenlasern ein Moden-Kopplungsphänomen zur Erzeugung eines Femtosekundenimpulses verwendet, und da die Modenkopplung sehr empfindlich gegenüber der Deformation des Resonators ist, verschlechtert sich die Stabilität des Femtosekundenimpulses, und schlussendlich wird die Modenkopplung nicht aufrecht erhalten, so dass der Femtosekundenimpuls nicht mehr länger erzeugt werden kann.
Beispielhaft wird die Form eines als Test implementierten Femtosekundenlasers in einem optischen Konzeptdiagramm in 1 gezeigt.
In 1 bezeichnet LC einen Laserkristall, M1 bis M6 bezeichnen Reflektionsspiegel, SAM bezeichnet einen sättigbaren Absorberspiegel, DM bezeichnet einen dichroitischen Spiegel, OC bezeichnet einen Ausgangskoppler, LD bezeichnet eine Laserdiode, WP bezeichnet eine Halbwellenplatte, CL bezeichnet eine Kollimatorlinse und FL bezeichnet eine entsprechende Fokussierungslinse.
In 1 kennzeichnet ein strichlierter Block eine optische Pumpeinheit einer Laserdiode.
Üblicherweise werden, um das optische Konzeptdiagramm in dieser Form zu realisieren, optische Teile wie die jeweiligen Reflektionsspiegel unabhängig voneinander an optischen Montierungen angebracht und an der Laserplattform befestigt.
2 zeigt im Detail eine Vorrichtung, welche den strichliert gezeichneten Block aus 1 realisiert, wobei Energie optisch von der Außenseite des Laserresonators zu dem Laserkristall in dem Resonator durch Verwenden der Hochleistungslaserdiode bereitgestellt wird.
Dabei bezeichnet die Referenznummer 100 eine optische Faser, Bezugsziffern 110a bis 110f bezeichnen jeweilige Montierungen zur Befestigung der optischen Faser, der Halbwellenplatte, der Kollimatorlinse, der Fokussierungslinse und des dichroitischen Spiegels daran, und Bezugsziffern 120a bis 120g bezeichnen an einer Laserplattform 130 installierte Montierungsblöcke zum Halten der jeweiligen Montierungen.
Wenn ein Ausgangsstahl der Hochleistungsdiode durch die verschiedenen optischen Teile hindurchgeht, wird ein Teil davon reflektiert und trifft auf die Vielzahl mechanischer Teile oder ein Lasergehäuse.
Daraufhin, wenn der Hochleistungspumpstrahl in einigen optischen Montierungen absorbiert wird, wird die Hitzeverteilung im Laser ungleichmäßig, was in lokaler Wärme resultiert, so dass sich die jeweiligen Montierungen unabhängig voneinander deformieren und folglich die Anordnung des Resonators des Lasers schlecht wird.
Folglich, falls sehr viel Deformationen auftreten, kann die Modenkopplung zur Erzeugung des Femtosekundenlaserimpulses im Femtosekundenlaser nicht aufrecht erhalten werden, und folglich wird der Femtosekundenimpuls nicht mehr erzeugt und eine kontinuierliche Welle sehr niedriger Spitzenleistung wird erzeugt.
In diesem Fall muss ein Modenkopplungsstarter betrieben werden, um die Modenkopplung neu zu erzeugen, so dass die Modenkopplung erzeugt wird und der Femtosekundenlaserimpuls wieder erzeugt wird.
Falls der Laser, obwohl er modengekoppelt war, längere Zeit ausgeschaltet bleibt, wird der Laser thermisch heruntergekühlt und kehrt zum thermischen Gleichgewichtszustand zurück.
Falls der Laser jedoch wieder eingeschaltet wird, treten wieder thermische Ungleichgewichte auf, welche mechanische Deformation erzeugen.
Da der Laser jedoch nicht vollständig zu seinem vorherigen Zustand zurückkehrt, bricht die Modenkopplung jedoch oft zusammen.
3 zeigt eine Änderung in der Leistung über der Zeit, wenn der Femtosekundenlaser den Betrieb in einem Zustand startet, in dem die optischen Montierungen einer optischen Pumpeinheit voneinander unabhängig montiert sind.
3 zeigt den Fall wenn der Laser wieder angeschaltet wird nachdem der Laser, der vorher zum stabilen Erzeugen des Femtosekundenlaserimpulses betrieben wurde, zum vollständigen Auskühlen ausgeschaltet war.
Wie dabei festgestellt werden kann, wird, auch wenn die Modenkopplung für den Femtosekundenlaser stabil war, die Modenkopplung oft abgebrochen, wenn der Laser wieder eingeschaltet wird, und folglich wird eine kontinuierliche Welle (CW) erzeugt. Als Folge muss der Modenkopplungsstarter zur Modenkopplung des Lasers betrieben werden.
Die oben offenbarten Informationen in diesem Abschnitt zum Hintergrund der Erfindung dient nur zur Verbesserung des Verständnisse des Hintergrundes der Erfindung und mag Informationen enthalten, die keinen einem Fachmann in diesem Staat bekannten Stand der Technik darstellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Folglich wurde die vorliegende Erfindung gemacht, um die oben beschriebenen mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen, und stellt eine Vorrichtung bereit, bei der stabilen Modenkopplung in einem ultraschnellen Laser bereitgestellt und die Leistungsstabilität und Strahlstabilität verbessert wird, wobei daran angeordnete optische Montierungen, die daran angeordnete optische Teile der Diodenpumpeneinheit haben, mechanisch unter Verwendung von Stangen niedriger thermischer Expansionskoeffizienten in Eingriff gelangen, und ein Pumpmodul bilden, und das Pumpmodul maximal von einer Laserplattform oder einem Lasergehäuse getrennt sind.
Um diese Aufgabe zu lösen, hat die in der vorliegenden Erfindung vorgesehene Femtosekundenlaservorrichtung, die ein optisches LaserdiodenPumpmodul verwendet, die folgenden Eigenschaften.
Die optische Laserdiodenpumpe verwendende Femtosekundenlaservorrichtung nimmt mechanisch die optischen Montierungen, an denen optische Teile der Diodenpumpeneinheit befestigt sind, durch Verwendung von Stangen mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten in Eingriff, wodurch die Pumpmodul gebildet wird, und trennt das gebildete Pumpmodul von der Laserplattform oder den Lasergehäuse maximal, wodurch stabile Modenkopplung bei dem ultraschnellen Laser bereitgestellt wird und die Leistungsstabilität und Strahlstabilität verbessert wird.
Im Detail werden die optischen Montierungen, welche durch lokale Erhitzungen aufgrund der Hochleistungspumplichtquelle im Femtosekundenlaser deformiert werden, zur Modularisierung in integrierter Weise mechanisch in Eingriff genommen.
Für die Modalisierung wird Invar verwendet, dessen mechanischer Wärmeausdehnungskoeffizient bezüglich Temperaturänderungen fast null ist.
Zusätzlich wird durch die Minimierung des Kontakts zwischen dem Modul und der Laserplattform oder dem Lasergehäuse die Übertragung externer thermischen Deformationen auf das Modul minimiert.
Weiter wird die Modenkopplung zwischen der auf den Laserkristall fokussierten Pumpenlichtquelle und dem Laserresonatormodus stabil aufrechterhalten durch mechanisches Stabilisieren des optischen Pumpmoduls bezüglich Temperaturänderungen, wodurch die Leistungsstabilität und die Strahlstabilität des Lasers verbessert wird.
Invar ist allgemein als FeNi36 bzw. 64FeNi in den USA bekannt und eine Legierung aus Nickel, Eisen, etc., die für ihre niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt ist.
Der Name „Invar” rührt von „Invariant” her, was bedeutet, dass es sich, was Temperaturänderungen angeht, nicht sonderlich ausdehnt oder zusammenzieht.
Invar hat bei Raumtemperatur einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 1,2 × 10^–6/K oder weniger.
Solch ein Koeffizient bedeutet, dass sich ein mechanischer Wert nur um ein 1/1000000 bezüglich einer Temperaturänderung von 1°C ändert.
Wegen der oben beschriebenen thermischen Eigenschaften wird Invar verwendet, wenn eine hohe Formbeständigkeit benötigt wird, wie in Präzisionswerkzeugen, Präzisionsuhren usw.
Es sind eine Vielzahl Arten von Invarmaterialien im Markt verfügbar, beispielsweise Invar, Superinvar, Kovar, etc., wobei es einige Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten im Hinblick auf die chemischen Zusammensetzungen gibt.
Andere Aspekte und bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend diskutiert.
Die obigen und anderen Merkmale der Erfindung werden nachfolgend diskutiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben und anderen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail mit Bezug auf einige beispielhafte Ausführungsbeispiele, welche in den nachfolgenden Zeichnungen beschrieben sind, rein beispielhaft beschrieben, und begrenzen somit nicht die vorliegende Erfindung. Es zeigen:
1 ist ein schematisches Diagramm eines optischen Konzepts eines Femtosekundenlasers;
2 zeigt eine Vorderansicht und eine Draufsicht einer optischen Pumpeneinheit, bei der herkömmliche optische Montierungen voneinander unabhängig montiert. sind;
3 ist ein Graph, der eine Änderung in der Leistung über der Zeit beim Start des Betriebs eines Femtosekundenlasers zeigt, bei dem eine optische Pumpeneinheit unabhängig montierte herkömmliche optische Montierungen aufweist.
4 zeigt eine Vorderansicht und eine Draufsicht auf eine optische Pumpeneinheit, bei der die optischen Montierungen, entsprechend der vorliegenden Erfindung, als ein Stück modularisiert sind;
5 ist eine perspektivische Ansicht, welche unterschiedliche Modulkoppler in einer optischen Pumpeneinheit, bei der die optischen Montierungen entsprechend der vorliegenden Erfindung, als ein Stück modularisiert sind, zeigt;
6 ist eine perspektivische Ansicht welche einen Eingriffstyp einer optischen Montierung in einer optischen Pumpeneinheit, in welcher optische Montierungen entsprechend der vorliegenden Erfindung als ein Stück modularisiert, zeigt.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Reflektionsstrahlblocker in einer optischen Pumpeneinheit, bei der die optischen Montierungen entsprechend der vorliegenden Erfindung als ein Stück modularisiert sind, zeigt;
8 ist ein Graph, der ein Merkmal (Pulsbreite) eines Femtosekundenimpulses entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist ein Graph, der ein Merkmal (Spektrum) eines Femtosekundenimpulses entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Graph, der eine Änderung in der Ausgangsleistung über der Zeit beim Beginn des Betriebs eines Femtosekundenlasers, bei dem eine optische Pumpeneinheit, bei der die optischen Montierungen entsprechend der vorliegenden Erfindung daran als ein Stück modularisiert sind, angewendet wird, zeigt.
11 ist ein Graph, der eine relative Änderung in der Strahlposition über der Zeit entsprechende der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist ein Graph, der eine Strahllageänderung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
Es wird verstanden, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu sind, und eine vereinfachte Repräsentation von vielen bevorzugten Merkmalen zur illustrativen Darstellung der Grundprinzipien der Erfindung vorstellen. Die speziellen Ausbildungsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie hier offenbart enthalten beispielsweise spezielle Dimensionen, Orientierungen, Anordnungen und Formen, welche in Teilen durch die speziellen vorgesehenen Anwendungen und Benutzungsumgebungen bestimmt werden.
In den Zeichnungen beziehen sich Bezugsziffern auf gleiche oder ähnliche Teile der vorliegenden Erfindungen durch sämtliche Figuren der Zeichnungen hindurch.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hier und im nachfolgenden wird im Detail Bezug genommen auf ein Aufführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei Beispiele hiervon in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt und nachfolgend beschrieben werden. Auch wenn die Erfindung mit Bezug auf das beispielhafte Ausführungsbeispiel beschrieben wird, wird davon ausgegangen, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu gedacht ist, die Erfindung auf das beispielhafte Ausführungsbeispiel zu begrenzen. Ganz im Gegenteil ist die Erfindung vorgesehen, nicht nur das beispielhafte Ausführungsbeispiel, sondern auch zahlreiche Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Beispiele und Ausführungen zu umfassen, welche innerhalb des Geistes und Umfangs der Erfindung wie in den beigefügten Ansprüchen definiert enthalten ist.
Hier und im nachfolgendem wird die vorliegende Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
4 zeigt eine Vorderansicht und eine Draufsicht auf eine optische Pumpeneinheit. bei der die optischen Montierungen entsprechend der vorliegenden Erfindung als ein Stück modularisiert sind.
Wie in 4 gezeigt, kann eine Femtosekundenlaservorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ein optisches Pumpmodul umfassen, bei dem eine Diodenpumpeneinheit bildende optische Teile und Montierungen zum Montieren der optischen Teile als ein Stück modularisiert sind, durch Verwendung von Stangen mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, also einer Vielzahl von Modulkopplungsstäben 18, und einer minimalen Anzahl von Modulkopplern 19, so dass das optische Pumpmodul von einer Laserplattform 16 beabstandet installiert ist, d. h., in einer durch einen vorgegebenen Abstand (Höhe) von der Laserplattform 16 entfernten Position.
An diesem Ende sind eine Laserdiode 10 als Pumplichtquelle, eine Halbwellenplatte 11 zum Einstellen einer Polarisationsrichtung einer Pumplichtquelle, eine Kollimatorlinse 13 und eine Fokussierungslinse 14 zum Effizienten Applizieren eines Ausgangsstrahls der Laserdiode 10 auf einen Laserkristall 12 und Verbessern der Modenkopplung, der Laserkristall 12 zum Fokussieren der Pumpenlichtquelle und dichroitische Spiegel 15a und 15b zum Reflektieren eines Laserstrahls und Durchtreten der Pumpenlichtquelle hierdurch vorgesehen sind, und diese optischen Teile sind in einer aufeinanderfolgenden Linie in der Reihenfolge Halbwellenplatte 11, Kollimatorlinse 13, Fokussierungslinse 14 und dann Laserkristall 12 angeordnet, und die dichroitischen Spiegel 15a und 15b sind vor und hinter dem Laserkristall 12 angeordnet.
Im Speziellen werden jeweilige optische Teile, beispielsweise die Halbwellenplatte 11, die Kollimatorlinse 13, die Fokussierungslinse 14 und die dichroitischen Spiegel 15a und 15b an der und gehalten durch die jeweilige Montierung 17a bis 17e montiert, und die jeweiligen Montierungen 17a bis 17e sind als ein Stück durch die Vielzahl von Modulkupplungsstäben 18 gekuppelt, bevorzugt durch zwei bis vier Modulkupplungsstäbe 18.
Das bedeutet, dass die Modulkupplungsstäbe 18 durch horizontales Durchdringen durch die jeweiligen Montierungen 17a bis 17e zugleich miteinander in Eingriff sind, sodass alle der Montierungen 17a bis 17e, die optische Teile daran montiert haben, als ein Stück gekuppelt sind.
Die Modulkopplungsstäbe 18 können aus Invar, Superinvar oder Kovar bestehen, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Alle Modulkupplungsstäbe 18 einschließlich die optischen Teile und jeweilige Montierungen 17a bis 17e sind in Eingriff und gehalten von mindestens einem Modulkuppler 19, welcher an der Laserplattform 16 installiert ist.
Dabei kann jede der Montierungen 17a bis 17e wie in 6 gezeigt in der Form eines ringförmigen Blocks mit einer optischen Teil-Halteabschnitt 29 zur Aufnahme eines optischen Teils und einer Positionseinstellschraube 23 zum präzisen und exakten Anpassen einer Position der in dem optischen Teil-Halteabschnitt 29 aufgenommenen optischen Teils haben. Jede der Montierungen 17a bis 17e ist mit zwei bis vier Löchern zum Durchstecken der Modulkupplungsstäbe 18 dadurch bereitgestellt.
Der Modulkoppler 19 kann eine Vielzahl von Formen haben, und beispielsweise wie in 5 gezeigt, können sie vielfältige Formen mit einem Montierungssitzabschnitt 28 vom offenen oder geschlossenen Typ und zwei bis vier Durchgangslöcher 26 zum Durchstecken der Modulkopplungsstäbe 18 dadurch haben.
Dabei bezeichnet eine nicht beschriebene Bezugsziffer 27 ein Schraubenloch, welches zur Montierung des Modulkopplers 19 auf der Laserplattform 16 verwendet wird.
Das optische Pumpmodul kann ganz allgemein betrachtet eine asymmetrische Form haben, da optische Teile konzentriert an einer Vorderendseite positioniert werden, und um dieses Problem zu lösen, das bedeutet, um das optische Pumpmodul global zu stabilisieren, wird ein Hilfsadapter 20 vorgesehen, welcher an der Modulkopplungsstange 18 auf einem zu der Halbwellenplatte 11 entgegengesetzten Ende mittels einer Schraubeneingriffsstruktur oder ähnlichem gekuppelt ist.
Der zwischen den dichroitischen Spiegeln 15a und 15b angeordnete Laserkristall 12 wird mittels einer Laserkristallmontierung 21 direkt auf der Laserplattform 16 installiert.
Dies bedeutet, dass die Laserkristallmontierung 21 des Laserkristalls 12 direkt auf der Laserplattform 16 installiert ist, anstatt mit der Modulkupplungsstange 18 gekoppelt zu sein.
An einem rückseitigem Ende der Halbwellenplatte 11 ist ein Reflektionsstrahlblocker 22 angeordnet, der verhindert, dass die Montierung 17a, an welcher die Halbwellenplatte 11 angeordnet ist, durch einen durch die dichroitischen Spiegel 15a und 15b reflektierten Hochleistungsstrahl aufgeheizt wird. Der Reflektionsstrahlblocker 22 ist auf der Laserplattform 16 installiert.
Im Speziellen wird eine optische Faser 25 bereitgestellt, welche sich von der Laserdiode 10 ausgeht und zu der Halbwellenplatte 11 verbunden ist, und wobei ein Endabschnitt der optischen Faser 25 derart verbunden und installiert ist, um durch eine an den Modulkopplungsstangen 18 gekoppelte optische Fasermontierung 24 gehalten zu werden.
<Modus zum Ausführen der Erfindung>
Die Form des implementierten Femtosekundenlasers als ein Test zum Ausführen der vorliegenden Erfindung ist in dem optischen Konzeptdiagramm von 1 gezeigt.
Ein bei diesem Test verwendeter Laserkristall LC verwendet Yb:KYW mit 5% dotierten Ytterbium-Ionen, Yb³⁺-Ionen und einer Größe von 3 × 3 × 3 mm³.
Yb:KYW, as ein anisotropischer Laserkristall ist, hat unterschiedliche Absorption entsprechend der Durchgangsrichtung und Polarisationsrichtung eines Pumpstrahls.
Um die Absorption einer Pumplichtquelle zu maximieren, wurde der Laserkristall so geschnitten, dass die Polarisationsrichtung der Pumplichtquelle parallel zur einer A-Achse des Laserkristalls gemacht wurde und die Pumplichtquelle sich in Richtung der B-Achse des Laserkristalls bewegt, und der Laserkristall war auf seinen beiden Oberflächen antireflektionsbeschichtet, um Reflektionen bezüglich einer Wellenlänge der Pumplichtquelle und des Lasers zu minimieren.
Ein konkaver dichroitischer Spiegel DM mit einem Krümmungsradius von 100 mm wurde zur Reflektion des Laserstrahls und zum Durchlassen der Pumplichtquelle angeordnet.
Um für einen Femtosekundenlaserresonator Impulse kleiner als eine Piko-Sekunde zu erzeugen, muss die in einem in dem Laserresonator enthaltenen optischen Teil auftretende Dispersion korrigiert werden.
Im Allgemeinen wird eine Prismenverzögerungslinie oder ein Chirpspiegel zur Kompensation der Dispersion verwendet. Anders als bei einer Prismenverzögerungslinie, welche zwei Prismen zusammen als Paar verwendet, wird die Dispersionskompensation im Fall des Chirpspiegels durch einen Dispersionswert des Chirpspiegels selbst bestimmt, und nicht durch eine Entfernung zu einem optischen Teil, sodass der Femtosekundenlaser kompakt aufgebaut werden kann.
In diesem Fall wurden zwei Chirpreflektionsspiegel im Resonator verwendet und eine totale Gruppengeschwindigkeitsdispersion in einem Einzeldurchgang war GVD = –1350 fs².
Um den durch eine kontinuierliche Welle CW angeregten Femtosekundenlaser in einen Laser, der einen modemgekoppelten Femtosekundenimpuls erzeugt, umzuwandeln, war ein halbleitersaturierbarer Absorberspiegel SAM an Endabschnitten des Laserresonators angeordnet.
Um eine Stärke, die eine saturierbare Stärke eines Absorbers übersteigt, zu erhalten, wurde ein konkaver Reflektionsspiegel mit einem Krümmungsradius von 300 mm verwendet und der Strahl wurde auf die Oberfläche des Halbleiter-saturierbaren Absorberspiegels SAM fokussiert.
Eine Absorption des verwendeten Halbleiter-saturierbaren Absorberspiegels SAM war 3%.
Als Pumplichtquelle wurde eine Laserdiode mit einer maximalen Leistung von 8 W verwendet.
Die Laserdiode war auf einem Kupferblock mit einer daran angebrachten thermoelektrischen Peltiervorichtung angebracht, und der Kupferblock wurde derart kontrolliert, das seine Temperatur durch einen Kühler, in welchem Kühlwasser einer vorgegebenen Temperatur zirkuliert, konstant gehalten wurde.
Somit wurde die Temperatur der Laserdiode derart kontrolliert, dass die Wellenlänge die maximale Absorption der Pumplichtquelle im Laserkristall ermöglicht.
Um die Pumpeffizienz zu verbessern, war die Länge der mit der Laserdiode in Eingriff kommenden optischen Faser kurz und um die 80 bis 120 mm, vorzugsweise um die 100 mm, wodurch ein linear polarisierter Strahl mit einer Depolarisationsrate von etwa 7% erreicht wurde.
Um einen Ausgangsstrahl der Hochleistungslaserdiode effizient zu applizieren, wurde eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 100 bis 110 μm, vorzugsweise 105 μm, und eine numerische Apertur von 0.11 angewendet. Um die Modenkopplung zu verbessern, wurden eine Kollimatorlinse CL und eine Fokussierungslinse FL, welche jeweils Brennweiten von 60 mm haben, für die Optimierung verwendet.
Ein Transversalstrahl der in dem Laserkristall fokussierten Pumplichtquelle weist einen Durchmesser von etwa 100 μm auf, um somit gut an die Größe der im Laserkristall gemachten Resonatormode angepasst zu sein.
Da die Absorption der Pumplichtquelle in dem aktuellen Laserkristall mit der Polarisationsrichtung der Pumplichtquelle variiert, wurde eine auf einer Rotationsmontierung montierte Halbwellenplatte WP hinter dem Ende der optischen Faser zur sehr genauen Anpassung der Polarisationsrichtung der Pumplichtquelle angeordnet, um somit die optische Pumpeffizienz zu maximieren.
Bei dem vorliegenden Test gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die optische Pumpeneinheit ein Laserdiodenende, die Halbwellenplatte WP, die Kollimatorlinse CL, die Fokussierungslinse FL, den dichroitischen Spiegel DM und den Reflektionsspiegel M3.
Während in 2 die optischen Montierungen, an denen die optischen Teile der optischen Pumpeinheit angebracht sind, unabhängig voneinander an der Laserplattform befestigt sind, sind in 4 die optischen Montierungen, an denen die optischen Teile der optischen Pumpeinheit angebracht sind, mechanisch durch die Modulkopplungsstangen verbunden.
Wenn das Montierungsmodul durch mechanisches Zusammenwirken wie in 4 ausgebildet ist, um das Montierungsmodul unabhängig von mechanischen Deformationen auf einer Außenseite der Laserplattform zu machen, wird ein Modulkoppler hergestellt und die Modulkupplungsstange wird damit in Eingriff gebracht, und Montierungen vom Eingriffstyps sind in der Form wie in 5 gezeigt zum in Eingriffnehmen der Modulkupplungsstange an der Laserplattform montiert.
Der Modulkoppler ist ein Werkzeug zum Verbinden der optischen Pumpmodule des Integrationstyps mit der Laserplattform, und die Anzahl der Modulkoppler ist mit Rücksicht auf die Stabilität der optischen Pumpmodule vorzugsweise minimal.
Im vorliegenden Beispiel wurden zwei Modulkoppler wie in 4 gezeigt verwendet.
Im vorliegenden Beispiel wurden die Montierungen des Eingriffstyps des Laserdiodenendabschnitts, der Halbwellenplatte, der Kollimatorlinse, der Fokussierungslinse, des dichroitischen Spiegels und des Reflektionsspiegels der optischen Pumpeinheit montiert.
Für die weitere globale Stabilisation der asymmetrischen Disposition des optischen Pumpmoduls vom Integrationstyp mit Bezug auf den Laserresonator wurde der Hilfsadapter zusätzlich am entgegengesetzten Ende angeordnet.
Dabei wurden die meisten Anteile des Diodenpumpstrahls im Laserkristall absorbiert, und die verbleibenden Anteile wurden in Form von Wärme an die Laserkristallmontierung abgegeben, so dass die Laserkristallmontierung vom optischen Pumpmodul separiert und direkt auf der Laserplattform montiert wurde.
Da viel Wärme abgegeben wird, wird die Laserkristallmontierung dadurch gekühlt, dass ein auf eine vorgegebenen Temperatur gekühltes Kühlwasser durch einen mit dem Laser verbundenen Kühler strömt.
Da ein Hochleistungsstrahl von dem dichroitischen Spiegel des Resonators des Lasers reflektiert wird, trifft er die Montierung des Eingriffstyps der Halbwellenplatte und folglich tritt lokale Erhitzung auf, was in schlechter mechanischer Stabilität mit Bezug auf thermische Deformation resultiert.
Um solch ein Phänomen zu vermeiden, ist der Reflektionsstrahlblocker wie in 7 gezeigt, separat hergestellt und direkt auf der Laserplattform montiert, eher als an dem optischen Pumpmodul.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der vorliegenden Erfindung zur Bereitstellung stabiler Modenkopplung in dem ultraschnellen Laser und Verbesserung der Leistungsstabilität und Strahlstabilität, Montierungen mit daran angeordneten optischen Teilen der Diodenpumpeneinheit mechanisch mittels Stangen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Eingriff genommen wurden, um das optische Pumpmodul zu bilden, und das optische Pumpenmodell wurde maximal von der Laserplattform oder dem Lasergehäuse getrennt.
Im Spezielleren sind die Montierungen, welche mechanisch durch lokale Erhitzung durch den Hochleistungspumplichtquelle im Femtosekundenlaser deformiert werden, mechanisch für die Modularisierung vom Integrationstyp mechanisch in Eingriff gelangt, und für die Modularisierung wurde Invar, dessen mechanischer Wärmeausdehnungskoeffizient fast Null mit Bezug auf Temperaturänderungen ist, verwendet.
Zusätzlich wurde durch Minimierung des Kontakts zwischen dem Modul und der Laserplattform oder dem Lasergehäuse die Übertragung externer thermischer Deformation auf das Modul ebenso minimiert.
Darüber hinaus wird die Modenkopplung der in dem Laserkristall fokussierten Pumpenlichtquelle und der Laserresonatormode durch mechanische Stabilisierung des optischen Pumpmoduls bezüglich Temperaturänderungen stabil aufrecht erhalten, wodurch die Leistungsstabilität und die Strahlstabilität des Laser verbessert wurde.
Die folgenden Effekte können durch das optische Pumpmodul erzielt werden.
Um den Femtosekundenlaser anzuregen wurde erstens ein totaler Reflektionsspiegel anstelle eines Halbleiter-saturierbaren Absorbers zum Anregen des Lasers als eine kontinuierliche Welle angeordnet, und die optische Anordnung wurde optimiert, wobei nach dem Anregen des Femtosekundenimpuls der totale Reflektionsspiegel durch den Halbleiter-saturierbaren Absorber ersetzt und somit Modenkopplung erzeugt wurde.
Der Femtosekundenimpuls wurde bei einer Wiederholungsrate von 87,8 MHz betrieben, und die Energie pro Impuls war 10 nano-Jule oder mehr, und eine durchschnittliche Leistung war rund 1 W.
Die 8 bis 12 zeigen Messergebnisse von Ausgangscharakteristiken des Femtosekundenimpulses, wenn die thermische Deformation durch die Modularisierung vom Integrationstyp der optischen Pumpeinheit im Femtosekundenlaser minimiert wird.
8 zeigt ein Messergebnis einer Zeitweite eines Femtosekundenlaserimpulses bei dem eine volle Weite bei einem halben Maximum (FWHM) 91,4 Femtosekunden war und ein Spektrum von einem FWHM (full width at half maximum) von 14,5 Nanometer mit einer zentralen Wellenlänge von 1043 Nanometer war, wie in 9 gezeigt.
Ein Pulsweitenbandbreitenprodukt, das die Eigenschaften des Femtosekundenimpulses kennzeichnet, wurde zu ΔμΔτ = 0,372 bemessen.
Falls der Femtosekundenimpuls in der Form einer hyperbolischen Funktion in einer sech²-Form ist, ist das Produkt 0,315.
10 zeigt eine Änderung in der Ausgangsleistung über der Zeit beim Start eines Laserbetriebs eines Femtosekundenlaser bei dem ein optischen Pumpmodul verwendet wird, bei dem Montierungen einer optischen Pumpeinheit in integrierter Weise durch Verwendung von Modulkupplungsstangen modularisiert werden.
10 zeigt wie 3 den Fall, wenn der Laser wieder eingeschaltet wird, wobei er vorher zur stabilen Erzeugung des Femtosekundenlaserimpulses betrieben wurde, nachdem er zur vollständigen Abkühlung ausgeschaltet wurde.
Es kann festgestellt werden, dass das Ergebnis von 10, bei dem die modularisierte optische Pumpeneinheit vom Integrationstyp verwendet wird, sehr stabil arbeitet, anders als in 3, bei der die Montierungen unabhängig voneinander montiert sind.
In 3 wird die Modenkopplung unterbrochen, so dass der Modenkopplungsstarter betrieben werden muss; in 10 hingegen ist der Laser, selbst wenn er wieder eingeschaltet wird, innerhalb weniger Minuten stabilisiert und somit wird die Modenkopplung aufrecht erhalten.
Zusätzlich ist eine Änderung in der Ausgangsleistung über der Zeit bei 10 stabiler als bei 3.
Das beim vorliegenden Test implementierte optische Pumpmodul vom Integrationstyp verwirklicht optisches Pumpen in einer Längsrichtung mit Bezug auf den Laserkristall durch Verwendung einer einzelnen Laserdiode.
Ausgehend von diesem Merkmal kann eine höhere Leistung symmetrisch in unterschiedlichen Richtungen mit Bezug auf den Laserkristall durch Verwendung zweier Laserdioden angewendet werden.
In diesem Fall kann eine optische Pumpeneinheit als optisches Pumpmodul ausgebildet sein, so dass zwei optische Pumpmodule auf beiden Seiten des Laserkristalls angeordnet sein können, oder es können Modulkupplungsstangen zur Bildung eines optischen Pumpmoduls mit zwei optischen Pumpeneinheiten verlängert werden.
Zur mechanischen Stabilität der Laserplattform kann ein zusätzlicher Modulkoppler angeordnet werden.
Wenn der Laser durch Verwendung von zwei oder mehr Laserkristallen gebildet wird, kann eine größere Anzahl von optischen Pumpmodulen verwendet werden oder ein optisches Pumpmodul vom Integrationstyp kann erweitert werden.
Im vorliegenden Test nach der vorliegenden Erfindung wurde die Stabilität des Femtosekundenlaserstrahls genauer gemessen.
Die Strahlstabilität kann durch die Strahlpositionsstabilität und die Strahllagestabilität repräsentiert werden.
Die Strahlpositionsstabilität kennzeichnet wie stark die Position eines Laserstrahls auf einer Oberfläche sich ändert, wenn ein Ziel positioniert wird, wenn der Laserstrahl zum Ziel übertragen wird.
Die Strahllagestabilität kennzeichnet, wie stark die Richtung der Fokussierung sich ändert, wenn der Laserstrahl in kleiner Größe durch Verwendung einer Linse mit einer kurzen Fokuslänge fokussiert wird.
Die Strahllagestabilität ist von Bedeutung, da sie ein Kennzeichen ist, das die Präzision eines Laserbearbeitungsergebnisses beeinflusst, wenn ein Hochleistungsstrahl auf ein zu bearbeitendes Produkt, beispielsweise ein Metallmaterial, ein nichtmetallisches Material etc. bei der Laserbearbeitung fokussiert wird.
Das Zentrum des Laserstrahls wird als Zentroid einer Leistungsdichteverteilung oder eines Primärraummoments definiert.
Die Verlaufsrichtung des Strahls, eine Z-Achse, ist eine gerade Linie, welche zwei zur gleichen Zeit in zwei Ebenen eines homogenen Mediums gemessene Zentroiden verbindet. Die Strahlstabilität kann in Form von Merkmalen mit Strahlpositionsstabiltät, welche die Transversal-Verschiebung der X-Achse und Y-Achse mit Bezug auf die Strahlausbreitungsrichtung, der Z-Achse, kennzeichnet, und der Strahlwinkelstabilität, welche die Winkeländerung kennzeichnet, beschrieben werden.
Ein Strahlanalysierer mit darin eingebetteter CCD ist 1000 mm von dem Laser entfernt angeordnet, und eine Änderung im Strahlzentroid wird gemessen, so dass eine relative Strahlpositionsstabilität Δ_rel als Δ_rel = 2Σ/D mit einem Strahldurchmesser D und einer Positionsstandardabweichung Σ gekennzeichnet wird.
Eine Linse mit einer Brennweite von 12 mm ist in einer Position 750 mm entfernt vom Laser angeordnet, und ein Strahlanalysierer mit darin eingebetteter CCD ist auf einer Fokusierungsoberfläche angeordnet, und eine Änderung im Strahlzentroid wird gemessen, so dass die relative Strahllagestabilität δ_rel als δ_rel = 2σ/d mit einem Strahldurchmesser d und einer Positionsstandardabweichung σ gekennzeichnet ist.
11 zeigt ein Ergebnis einer experimentellen Messung einer Änderung in der relativen Strahlposition über der Zeit, d. h., Strahlpositionsstabilität, wobei festgestellt werden kann, dass eine Strahlpositionsstabilität kleiner als 0,1% ist.
Dies bedeutet, dass in einer Position weit vom Laser entfernt die Strahlpositionsänderung 0,1% oder kleiner mit Bezug auf die Strahlgröße ist.
12 zeigt das Ergebnis einer experimentellen Messung einer Änderung in der Strahllage über der Zeit, d. h. der Strahllagestabilität, wobei festgestellt werden kann, dass eine Strahllagestabilität sehr gering, etwa 0,4 μrad in der X-Achsenrichtung und etwa 0,7 μrad in der Y-Achsenrichtung, ist.
Wenn berücksichtigt wird, dass ein herkömmlicher Laser mit einer sehr guten Strahllagestabilität eine Strahllagestabilität von 2 bis 5 μrad hat, ist das mit der Ausführung der vorliegenden Erfindung realisierte Testergebnisse hervorragend.
Die Femtosekundenlaservorrichtung, welche das optische Laserdioden-Pumpmodul nach der vorliegenden Erfindung verwendet, hat folgende Vorteile.
Optische Montierungen zur Montierung optischer Teile sind in integrierter Weise modularisiert und zugleich wird das modularisierte optische Pumpmodul von der Laserplattform oder dem Lasergehäuse zur Minimierung von Kontakten zwischen dem Modul und der Laserplattform oder dem Lasergehäuse getrennt, wodurch an das optische Pumpmodul übertragene externe thermische Deformationen minimiert werden und folglich das optische Pumpmodul stabilisiert wird, wodurch die Stabilität der Laserleistung und die Stabilität des Strahls verbessert wird.
Zudem werden durch die mechanische Ineingriffnahme unter Verwendung von Stangen mit niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten zur Integration in das optische Pumpmodul mechanische Deformationen aufgrund des Einflusses von Temperaturänderungen minimiert.
Die Erfindung wurde im Detail mit Bezug auf eines ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Fachleute werden jedoch verstehen, dass, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, Änderungen des Ausführungsbeispiels gemacht werden können, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente definiert wird.

Claims

Femtosekundenlaservorrichtung verwendend ein optisches Laserdiodenpumpmodul, wobei die Femtosekundenlaservorrichtung umfasst: eine Laserdiode zum Pumpen einer Lichtquelle; eine Halbwellenplatte zum Anpassen der Polarisationsrichtungen von in Reihe angeordneten Pumplichtquellen; eine Kollimatorlinse und eine Fokussierungslinse zum effizienten Applizieren eines Ausgangsstrahls der Laserdiode auf einen Laserkristall und zur Verbesserung der Modenkopplung; den Laserkristall zum Fokussieren der Pumplichtquellen; und dichroitische Spiegel, welche vor und hinter dem Laserkristall zur Reflexion eines Laserstrahls und Übertragung der Pumplichtquellen dadurch angeordnet sind, wobei die Halbwellenplatte, die Kollimatorlinse, die Fokussierungslinse, und die dichroitischen Spiegel als ein Stück in Form eines optischen Pumpmoduls durch mechanische Ineingriffsnahme integriert sind, so dass das optische Pumpenmodul in separierter Weise von einer Laserplattform installiert ist.
Femtosekundenlaservorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische Pumpenmodul umfasst: Montierungen zum daran Montieren der Halbwellenplatte, der Kollimatorlinse, der Fokussierungslinse bzw. der dichroitischen Spiegel; eine Vielzahl von Modulkupplungsstangen zum Kuppeln der Montierungen in einer integrierten Weise durch horizontales Durchdringen der Montierungen; und mindestens einen an der Laserplattform installierten Modulkuppler, der mit den Modulkupplungsstangen zum Halten der Modulkupplungsstangen in Eingriff ist.
Femtosekundenlaservorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend einen an den Modulkupplungsstangen an einem der Halbwellenplatte entgegengesetzten Ende gekuppelten Hilfsadapter zur globalen Stabilisierung des optischen Pumpenmoduls in Zusammenhang mit asymmetrischer Anordnung des optischen Pumpenmoduls.
Femtosekundenlaservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Laserkristall durch eine Laserkristallmontierung direkt auf der Laserplattform installiert ist.
Femtosekundenlaservorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend einen hinter einer rückseitigen Endseite der Halbwellenplatte angeordneten und an der Laserplattform installierten Reflektionsstrahlblockers, um die Erwärmung der Montierung, an der die Halbwellenplatte montiert ist, durch einen von den dichroitischen Spiegeln reflektierten Hochleistungsstrahl zu verhindern.
Femtosekundenlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jede der Vielzahl von Modulkopplungsstangen aus Invar, Superinvar oder Kovar, welche niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, gebildet sind.
Femtosekundenlaservorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine optische Faser, welche zwischen der Laserdiode und der Halbwellenplatte verbunden ist und deren Endabschnitt durch eine an den Modulkupplungsstangen gekuppelte optische Fasermontierung gehalten wird, und wobei die optische Faser aus einer optischen Faser mit einer Länge von 80 bis 120 mm, einem Kerndurchmesser von 100 bis 110 μm und einer numerischen Apertur von 0,11 gebildet ist.
Femtosekundenlaservorrichtung nach Anspruch 1, wobei bei Verwendung von zwei Laserdioden eine optische Pumpeinheit ein optisches Pumpmodul bildet und zwei solcherart gebildeter optischer Pumpmodule zur Verwendung auf beiden Seiten des Laserkristalls angeordnet werden.