DE102014017568B4

DE102014017568B4 - Master-Oszillator-Leistungsverstärker

Info

Publication number: DE102014017568B4
Application number: DE102014017568.5A
Authority: DE
Inventors: Keming Du; Daijun Li; Bingsong Qi
Original assignee: EDGEWAVE GmbH
Current assignee: EDGEWAVE GmbH
Priority date: 2014-11-30
Filing date: 2014-11-30
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2034-12-01
Also published as: DE102014017568A1

Abstract

Master-Oszillator-Leistungsverstärker, bestehend aus einem Master-Oszillator, einem Pulspicker und einem Leistungsverstärker, wobei der Pulspicker aus einem Modulator und einem Treiber besteht, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass mit dem Treiber und dem Modulator mindestens 3 Niveaus für unterschiedliche Pulsamplituden nach dem Pulspicker gemäß einer Vorgabe eingestellt werden können, wobei die 3 Niveaus sind: V0: das Off-Niveau, wobei idealerweise keine Pulse vom Pulspicker zum Verstärker weitergeleitet werden, wodurch der Verstärker die Inversion und dadurch die Verstärkung für eine Zeitspanne von Δtc aufbaut, wobei bei einer nominalen Pulswiederholrate von fnom gilt Δtc <≈ 1/fnom; V1: das Balance-Niveau, wobei der Pulspicker Pulse (pn) mit einer vordefinierten und geringen Amplitude durchlässt, so dass die mittlere Leistung, die aus dem Verstärker extrahiert wird, annäherungsweise konstant ist; V2: das On-Niveau, bei dem gemäß Vorgabe ein Puls (Pn) oder ein Pulsburst mit einer möglichst hohen Amplitude zur Verstärkung durchgelassen wird.

Description

Master-Oszillator-Leistungsverstärker (auch MOPA genannt) werden zunehmend zur Erhöhung der Leistung bzw. Energie von Lasern u. a. von kurzen und ultrakurzen Pulslasern mit besonderen Eigenschaften wie Pulslänge, Spektrum und Strahlqualität verwendet, da die hohe erforderliche Leistung/Energie allein mit einem Oszillator nicht zu erreichen ist. Der Master-Oszillator wird in der folgenden Beschreibung als Seeder bezeichnet. Die am häufigsten verwendeten Seeder sind modegelockte oder gütegeschaltete Faserlaser, Festkörperlaser oder Diodenlaser. Solche Laser finden u. a. Anwendung in der Materialbearbeitung. Dabei sind neben Eigenschaften wie Pulslänge und Pulsenergie die Steuerbarkeit und Flexibilität der Pulse von zentraler Bedeutung. So müssen bei Materialbearbeitungsanlagen mit variabler Geschwindigkeit die Pulse sowohl mit der Anlage synchronisierbar als auch in der Pulswiederholrate einstellbar sein. Dabei sollen Laserparameter wie die Pulsenergie und auch Strahlqualität konstant bleiben.
Die Pulsenergie und der Strahlparameter hängen von der Pulswiederholrate ab, da eine hohe Pulswiederholrate zu einer niedrigen Pulsenergie und zu einer erhöhten Extraktion/Sättigung der im Verstärkungsmedium gespeicherten Energie führt. Des Weiteren führt eine variierende Extraktion der gespeicherten Energie zu einer Variation der thermischen Linsen und damit der Strahlpropagationsparameter wie Strahlgröße und -divergenz.
Es ist essentiell, die Extraktion/Sättigung im Verstärkungsmedium, insbesondere im Verstärker, zeitlich gemittelt konstant zu halten.
Im Folgenden wird die Erläuterung am Beispiel eines ps-Lasers vorgenommen.
Ein typischer Aufbau eines Hochleistungs-ps-Lasers ist in dargestellt. Er besteht aus einem Seeder, einem Pulspicker, einem Verstärker, einem Modulator und eventuell einer Frequenzkonversionseinheit. Der modegelockte Seeder hat eine Pulswiederholrate von einigen 10 MHz. Eine typische Anwendung erfordert eine Wiederholrate um einige 100 kHz. Der Pulspicker ist dafür da, die Pulswiederholrate von einigen 10 MHz auf einige 100 kHz zu reduzieren. Die kontinuierliche Pulsfolge mit einer konstanten Wiederholrate von einigen 100 kHz läuft durch den nachgeschalteten Verstärker. Danach erhält man eine kontinuierliche Pulsfolge mit erhöhter Pulsenergie bei einer reduzierten Pulswiederholrate. Dabei ist es wichtig, dass die Pulsfolge kontinuierlich ist und eine konstante Wiederholrate hat, damit das Verstärkungsmedium zeitlich und räumlich konstant gesättigt wird und die Pulse weiterhin eine stabile Pulsenergie und ein konstantes Propagationsparameter haben. Für Anwendungen wird noch ein Modulator nachgeschaltet, um die Pulse bei Bedarf in der Wirkungszone freizuschalten bzw. aus der Wirkungszone fernzuhalten.
Der Laser verhält sich zeitlich gesehen wie ein Master, läuft mit einer Pulswiederholrate durch und die Pulse können nicht extern getriggert werden. Das steht in Widerspruch zu vielen Anwendungen, wo die Pulse durch Prozessgegebenheiten/Prozessereignisse getriggert werden müssen. Dabei sollen die Laserparameter wie Pulsenergie, Pulsbreite und Strahlausbreitungsparameter noch konstant bleiben. Strahlausbreitungsparameter sind u. a. die Divergenz, die Strahlqualität und die Strahltaillenposition.
Die DE 10 2009 011 599 A1 beschreibt Oszillator-Verstärker-Anordnungen mit Amplitudeneinstellung. Eine solche Oszillator-Verstärker-Anordnung besteht aus mindestens einem Oszillator und mindestens einer Verstärkerstufe. Zur Veränderung der Leistung bzw. Pulsenergie des Strahls aus dem Oszillator-Verstärker wird eine optische Komponente zwischen dem Oszillator und dem Verstärker angeordnet, die die Strahleigenschaften von mindestens einem Teil des Strahls aus dem Oszillator gezielt ändert. Nach dem Verstärker ist mindestens eine Komponente in dem Strahlengang angeordnet, die den verstärkten Strahl nach den Strahleigenschaften gruppiert bzw. aufteilt. Es ist vorgesehen, dass die optische Komponente die Polarisation des zu verstärkenden Strahls ändert und die Komponente hinter dem Verstärker ein polarisierendes Element ist. Als optische Komponente kann eine Pockel-Zelle und als polarisierendes Element kann ein Polarisations-Strahlteiler eingesetzt werden.
Die WO 2013/185 792 A1 beschreibt einen Kurzpuls-Laser mit einem Seed-Laseroszillator, mit einem steuerbaren Pulspicker zum Auskoppeln eines Laserpulses oder einer Sequenz von Laserpulsen und mit einer dem Pulspicker nachgeschalteten Verstärkereinheit zum Verstärken der ausgekoppelten Laserpulse. Die Verstärkereinheit umfasst wenigstens eine erste Steuerstufe und einen steuerbaren ersten Pumplaser. Über eine Steuereinheit wird der Pulspicker und/oder der erste Pumplaser zum Erreichen einer vorgegebenen Energie der nachverstärkten Laserpulse gesteuert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, optische Anordnungen anzugeben, mit denen konstante Laserparameter auch bei einer beliebig zeitlichen Abfolge von Pulsen erzielt werden können. Damit kann ein freies Triggern realisiert werden.
Die Lösung der Aufgabe besteht in der Verwendung eines Pulspickers, der aus einem Modulator und einem Treiber besteht, mit dem mindestens 3 Niveaus (V0, V1, V2 in ) für unterschiedliche Pulsamplituden nach dem Pulspicker gemäß einer Vorgabe eingestellt werden können.
Als Modulator kann vorzugsweise ein elektrooptischer Modulator oder ein akkustooptischer Modulator verwendet werden. Bei den 3 Niveaus handelt es sich um:
V0 – Dies ist das Grundniveau, bei dem idealerweise keine Pulse vom Pulspicker zum Verstärker weitergeleitet werden. Dadurch baut der Verstärker die Inversion und dadurch die Verstärkung für eine Zeitspanne von Δt_c auf. Bei einer nominalen Pulswiederholrate von f_nom gilt
V1: Es ist das Balance-Niveau, welches zur Verstärkung einstellbar ist. Die Höhe des Niveaus wird so eingestellt, dass die mittlere Leistung, die aus dem Verstärker extrahiert wird, annäherungsweise konstant ist.
V2: Das ist das On-Niveau, bei welchem gemäß Vorgabe Pulse mit möglichst hoher Energie aus dem Seeder zwecks Verstärkung ausgewählt werden. Bei einem elektrooptischen Modulator kann das Verhältnis der Pulsenergie nach und vor dem Pulspicker bei 95% oder größer liegen. Bei einem akkustooptischen Modulator liegt das Verhältnis der Pulsenergie nach und vor dem Pulspicker im Bereich von 50% bis 85%.
zeigt einen Pulszug von einem modegelockten Seeder (ps- oder fs-Seeder) mit einer konstanten Pulswiederholrate im Bereich von einigen 10 MHz. zeigt die Trigger-Pulse T1, T2, T3, T4, T5 und T6 gemäß einer Vorgabe. Die Triggerpulse sind nicht äquidistant. Beispielsweise beim Triggerpuls Tn führt der Treiber des Pulspickers folgende Aktionen aus (vgl. und ):

1. Bei den Anstiegsflanken der Triggerpulse schaltet der Treiber vorzugsweise bei den Zeitpunkten T1, T2, T3, T4, ... Tn auf das Niveau V0 um, so dass keine Seeder Pulse durchgelassen werden und eine Verstärkung in dem Lasermedium aufgebaut wird.
2. Nach einer Aufbauzeit von Tn2 – Tn1 schaltet der Treiber für eine kurze Zeitpanne (Tn3 – Tn2) auf das Niveau V2 um, so dass ein Puls Pn oder ein Pulsburst mit einer möglichst hohen Amplitude zur Verstärkung durchgelassen wird. Die Anzahl der Pulse kann durch die Zeitspanne Tn3 – Tn2 in Relation zu Ts = 1/fs (fs ist die Pulswiederholrate des Seeders) nach einer Vorgabe angesteuert werden.
3. In dem Fall, dass Tn – T(n – 1) > 1/fnom gilt, geht der Treiber nach kurzer Zeit (Tn4 – Tn3) auf das Niveau V1 über und bleibt dort bis der nächste Triggerpuls kommt. Damit lässt der Pulspicker Puls(e) pn mit einer vordefinierten und geringen Amplitude durch, um die Verstärkung des Lasermediums für konstante Laserparameter zu konditionieren. Wenn Tn – T(n – 1) = 1/fnom ist bleibt der Treiber auf dem Niveau V0, so dass eine Verstärkung für den n-ten Puls aufgebaut wird. Wenn der folgende Triggerpuls schneller als die nominale Pulswiederholrate kommt, nämlich Tn – T(n – 1) < 1/fnom, wechselt der Treiber bei der Anstiegsflanke kurz auf V2, um einen Puls bzw. Pulsburst freizugeben. In diesem Fall wird die folgende Pulsenergie aufgrund kürzerer Aufbauzeit niedriger.

Nach dem Erhalt des nächsten Triggerpulses ((n + 1)-ten Puls) fängt der Prozess wieder von neuem an.
Durch den oben beschriebenen Aufbau und das oben beschriebene Vorgehen wird gewährleistet, dass die Pulsenergien P1, P2, ... Pn, gleich groß werden und die im Lasermedium gespeicherte Leistung gemittelt betrachtet konstant extrahiert wird. Damit bleibt der thermische Zustand im Lasermedium konstant, und so wird der Strahlausbreitungsparameter zeitlich stabil. Dadurch ist die Aufgabe dieser vorliegenden Erfindung in erster Näherung gelöst.
Darüber hinaus kann der Pulspicker für eine weitere Aufgabe zur Einstellung der Energie der Ausgangspulse P1, P2, ... Pn verwendet werden. Dabei wird der Treiber das einstellbare Niveau V2 ansteuern, damit der Modulator eine unterschiedliche Pulsamplitude durchlässt.
zeigt die Pulse nach der Verstärkung. Sowohl die gewünschten Pulse als auch die Konditionierungspulse werden in ihrer Pulsenergie verstärkt. Obwohl die Energien der Konditionierungspulse q1, q2, ... qn erheblich geringer sind als die der Pulsenergie der gewünschten Pulse Q, Q2, ... Qn sind die Konditionierungspulse für viele Anwendungen störend. Wie in dargestellt ist, können die Konditionierungspulse mit einem nachgeschalteten Gate, welches aus einem Modulator und einem Treiber besteht, entfernt werden, oder die Amplitude kann zumindest soweit geschwächt werden, dass von ihnen kein negativer Einfluss mehr auf die Anwendung ausgeht (vgl. ).
Darüber hinaus kann der Modulator für eine weitere Aufgabe zur Einstellung der Energie von den Ausgangspulsen Q1, Q2, ... Qn verwendet werden. Dabei wird der Treiber so angesteuert, dass der Modulator eine unterschiedliche Pulsamplitude durchlässt.
Es ist bekannt, dass die Effizienz der Frequenzkonversion von der Leistungsdichte abhängt. So ist die erreichbare Pulsenergie nach dem Harmonischen Prozess in erster Näherung proportional zu dem Eingangspulsenergiequadrat. Wenn die Konditionierungspulse 1% Energie von den gewünschten Pulsen enthalten, so beträgt die Konditionierungspulsenergie nach Frequenzkonversion nur noch 0,01% von den gewünschten Pulsen. Damit können die Konditionierungspulse keinen Effekt mehr auf die meisten Anwendungen haben. So kann man auf einen externen Modulator verzichten (vgl. und ). Andernfalls kann man einen externen Modulator vor der Frequenzkonversionseinheit verwenden (vgl. ).
Bei Lasern wie Diodenlasern mit extrem hoher Verstärkung kann man die Leistung bzw. Pulsenergie durch den Diodenstrom beispielsweise sehr schnell ansteuern. Solche Laser sind in der Lage, Pulse mit fast beliebiger Abfolge zu generieren und können auch als Seeder verwendet werden. So ein Aufbau zeigt . Um eine Pulsfolge mit konstanten Laserparametern hinter dem Verstärker zu erzielen, wird der Diodenstrom analog zu dem Pulspicker so angesteuert, dass der Diodenlaser neben den gewünschten Pulsen 61 auch Konditionierungsleistung 63 emittiert (vgl. ). In den Zeitfenstern 65 emittiert der Diodenlaser keine Leistung, damit die Verstärkung im Lasermedium für folgende Pulse aufgebaut wird.
zeigt den zeitlichen Verlauf der Inversion und damit der Verstärkung 81 im Verstärkermedium. Es ist ersichtlich, dass durch die oben diskutierte Ansteuerung des Diodenlasers das Verstärkermedium für jeden Puls die gleiche Inversion und damit Verstärkung aufweist. Wie in dargestellt ist, erzielt man dadurch verstärkte Pulse 91 mit gleichen Laserparametern wie der Pulsenergie 91.
Wie bei ps-Lasersystemen kann die Konditionierungsleistung 93 nach Wirken des Verstärkers unter Verwendung eines externen Modulators ausgeschnitten werden.

Claims

Master-Oszillator-Leistungsverstärker, bestehend aus einem Master-Oszillator, einem Pulspicker und einem Leistungsverstärker, wobei der Pulspicker aus einem Modulator und einem Treiber besteht, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass mit dem Treiber und dem Modulator mindestens 3 Niveaus für unterschiedliche Pulsamplituden nach dem Pulspicker gemäß einer Vorgabe eingestellt werden können, wobei die 3 Niveaus sind: V0: das Off-Niveau, wobei idealerweise keine Pulse vom Pulspicker zum Verstärker weitergeleitet werden, wodurch der Verstärker die Inversion und dadurch die Verstärkung für eine Zeitspanne von Δtc aufbaut, wobei bei einer nominalen Pulswiederholrate von fnom gilt Δtc <≈ 1/fnom; V1: das Balance-Niveau, wobei der Pulspicker Pulse (pn) mit einer vordefinierten und geringen Amplitude durchlässt, so dass die mittlere Leistung, die aus dem Verstärker extrahiert wird, annäherungsweise konstant ist; V2: das On-Niveau, bei dem gemäß Vorgabe ein Puls (Pn) oder ein Pulsburst mit einer möglichst hohen Amplitude zur Verstärkung durchgelassen wird.
Master-Oszillator-Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eliminierung oder zur Reduzierung der Pulse während des Balance-Niveaus ein externer Modulator hinter dem Verstärker nachgeschaltet ist, wobei der Modulator mit einem entsprechenden Treiber versehen ist.
Master-Oszillator-Leistungsverstärker nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Master-Oszillator ein Diodenlaser oder ein anderer pulsbarer Laser ist, wobei der Master-Oszillator Pulse gemäß einer Vorgabe emittieren und zwischen den Pulsen Strahlleistung abgeben kann, wobei die Strahlleistung des Master-Oszillators zur Veränderung der Verstärkung und thermischer Linsen im Verstärkungsmedium einstellbar ist.