DE102016101108A1

DE102016101108A1 - Pulslasersystem und Verfahren zum Betrieb eines Pulslasersystems

Info

Publication number: DE102016101108A1
Application number: DE102016101108.8A
Authority: DE
Inventors: Fabio Ferrario; Andrius Baltuska; Tobias Floery; Audrius Pugzlys
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem (1000) zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bei einer mittleren Grundwelle (λ), aufweisend eine Steuerungseinrichtung (100) und einen verlustbehafteten optischen Resonator (200). Der optische Resonator (200) umfasst dabei als Baugruppen eine Verstärkungsbereich (210) mit einem Lasermedium (212) und einer entsprechenden Pumpquelle (214), einen Rückreflektor (230), einen Auskoppelspiegel (240), welcher die gepulste Laserstrahlung bei der mittleren Grundwelle (λ) entlang der Resonatorachse (O) auskoppelt, einen Polarisator (250), ein Mittel zur Güteschaltung (260), und ein Mittel zur Modenkopplung (270). Das erfindungsgemäße Lasersystem (100) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, zwischen einer gütegeschalteten ersten Betriebsart (I) und einer modengekoppelten zweiten Betriebsart (II) unabhängig oder gekoppelt umzuschalten, wobei die Güte des Resonators in der ersten Betriebsart (I) durch das Mittel zur Güteschaltung (260) zu einem bestimmten Zeitpunkt (T1) geschaltet wird, und in der zweiten Betriebsart (II) durch das Mittel zur Modenkopplung (270) abhängig von der Umlaufzeit (T) der im Resonator umlaufenden mittleren Grundwelle (λ) periodisch moduliert und zu einem bestimmten Zeitpunkt (T1) geschaltet wird. Das Lasersystem soll insbesondere die Erzeugung hochenergetischer gepulster Laserstrahlung mit Pulsdauern im Sub-Nanosekunden-Bereich ermöglichen, wobei sich das Lasersystem durch einen einfachen, kompakten und robusten Aufbau unter Verwendung einer minimalen Anzahl an optischen Bauelementen auszeichnet und welches dazu geeignet ist, innerhalb eines einzelnen optischen Resonators sowohl gütegeschaltete als auch modengekoppelte Pulse zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pulslasersystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Pulslasersystems. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Laservorrichtung zur Erzeugung hochenergetischer gepulster Laserstrahlung, wobei für die Pulserzeugung innerhalb einer gemeinsamen Laserkavität beliebig zwischen einer gütegeschalteten (Q-switched) und einem modengekoppelten Betriebsart mit Pulsdauer im Sub-Nanosekunden-Bereich gewechselt werden kann. Weiterhin wird ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines solchen erfindungsgemäßen Pulslasersystems offenbart.
Technologischer Hintergrund der Erfindung
Hochenergetische ultrakurze Pulse werden vor allem zur Materialbearbeitung mittels Laser eingesetzt. Solche Pulse können für eine Reihe von Anwendungen, unter anderem dermatologische und kosmetische Behandlungen, metallurgische Materialbearbeitung sowie für wissenschaftliche Zwecke, wenn dabei Pulse mit hoher Energie und Spitzenleistung notwendig sind, verwendet werden.
Insbesondere eignen sich solche Laserpulse auch zur effektiven Entfernung von Tattoos und sonstigen Pigmentierungsstörungen der menschlichen oder tierischen Haut. Bei Laserpulsen mit längeren Pulsdauern im Bereich von typischerweise einigen hundert Mikrosekunden bis zu einigen Millisekunden steht dabei vor allem die thermische Wirkung der eingestrahlten Pulse im Vordergrund. Bei einer dermatologischen Laserbehandlung wird hierzu die Pulsdauer so eingestellt, dass die thermische Relaxationszeit des jeweils bestrahlten Gewebes nicht überschritten wird und damit photothermale Effekte zu einer gezielten Aufheizung und Verdampfung des entsprechenden Gewebemerkmals genutzt werden können.
Durch die Verwendung von hochenergetischen ultrakurzen Pulsen bis hinab in den Sub-Nanosekunden-Bereich kann eine Behandlung jedoch auch über photomechanische Prozesse erfolgen. Wenn die eingestrahlten Pulse Pulsdauern im Bereich der typischen Durchlaufzeit von Schallwellen innerhalb einer Pigmentierung, beispielsweise eines Farbstoffpartikels, aufweisen, so kann eine Zerstörung der Partikel auch auf überwiegend mechanischem Wege erfolgen. Hierzu ist es jedoch notwendig, dass die Pulse eine ausreichend hohe Energie aufweisen und auf eine entsprechend geringe Punktgröße fokussiert werden können.
Zur Erzeugung von hochenergetischen Sub-Nanosekunden-Pulsen werden im industriellen und medizinischen Umfeld häufig sehr komplexe und/oder teure Festkörperlasersysteme eingesetzt. Hierfür wird oft auf zweistufige modengekoppelte Resonatorkonfigurationen oder Verstärker zurückgegriffen. Dabei enthält der erste Zweig einen AOM oder EOM als Modenkoppler, der als periodisch schaltbarer optischer Abschwächer dient und mit dem die auftretenden optischen Verluste im Resonator gesteuert werden können. Die Schaltfrequenz des Güteschalters wird dabei i.d.R. auf ein Vielfaches der Pulsumlaufzeit im Resonator abgestimmt. Dadurch lassen sich Seed-Pulse für einen sich daran anschießenden zweiten Resonatorzweig erzeugen. Durch die Verwendung eines negativen Rückkopplungsmechanismus kann die erreichte Pulsdauer noch weiter verringert werden. Ein der vorhergehenden Beschreibung entsprechender Rückkopplungsmechanismus wird beispielsweise durch die US 5,204,867 A offenbart.
Über eine Pockels-Zelle, welche typischerweise bei der Halbwellenspannung betrieben wird, kann der im ersten Resonatorzweig erzeugte Puls anschließend zu einem regenerativen Verstärker im zweiten Resonatorzweig geschaltet werden. Dort wird der eingekoppelte Seed-Puls durch ein entsprechendes Verstärkungsmedium weiter verstärkt. Anschließend kann der erzeugte Pikosekunden-Puls mittels Cavity-Dumping aus dem zweiten Resonatorzweig extrahiert werden.
Die beiden Resonatorzweige müssen sehr genau aufeinander abgestimmt sein. Auch muss der regenerative Verstärker, welcher für gewöhnlich eine hohe Finesse aufweist, sehr präzise geseeded werden, so dass die Anregung parasitärer Nebenpulse effektiv unterdrückt wird. In einigen Fällen umfasst der erste Resonator auch einen Mechanismus zur passiven Modenkopplung, wie beispielsweise durch den Einbau einer zusätzlichen Rhodamin-Zelle realisiert, um die Pulsbreite weiter reduzieren zu können. Diese Vorrichtungen umfassen jedoch häufig eine sehr große Anzahl an optischen Komponenten und Hochspannungsschaltern, so dass eine sorgfältige gegenseitige Ausrichtung und Abstimmung der einzelnen Komponenten und eine komplexe Ansteuerungselektronik erforderlich sind.
In der US 7,929,579 B2 wird ein Lasersystem zur Erzeugung hochenergetischer gepulster Laserstrahlung mit nur einem Resonator vorgestellt. Durch das Einbringen eines aktiven elektrooptischen Schaltelements und einer entsprechenden Ansteuerung wird ein Betrieb der Lasereinrichtung in zwei unterschiedlichen Modi, einer ersten Betriebsart zur Erzeugung kurzer modengekoppelter Pulse und einer zweiten Betriebsart zur Verstärkung dieser Pulse, ermöglicht. Der Aufbau entspricht weitgehend dem eines typischen Festköperlasers mit einem stabilen Resonator, wobei die Auskopplung der erzeugten Laserpulse über seitliches Cavity-Dumping erfolgt. Nachteilig an einem solchen Aufbau ist jedoch, dass damit hohe Pulsenergien meist nur im transversalen Multimodenbetrieb erreicht werden können und dadurch die Fokussierbarkeit der erzeugten Pulse stark eingeschränkt ist. Im Einzelmodenbetrieb hingegen kann zwar eine sehr gute beugungsbegrenzte Fokussierbarkeit der Pulse erreicht werden, die Energie der Pulse ist dabei bei jedoch durch eine unvollständige räumliche Ausnutzung des Laserstabs und einen eingeschränkten Inversionsabbau deutlich herabgesetzt.
In der US 4,918,704 A wird daher die Verwendung einer instabilen Resonatorkonfiguration mit gaußschen Spiegeln als Verstärker (injection-seeded) offenbart. In einem instabilen Resonator kommt es zu einer besseren Ausnutzung des Volumens des Laserstabes durch die schrittweise Zunahme des Stahlradius bei der Reflexion an den beiden Resonatorspiegeln. Dadurch kann die Inversion im gesamten Lasermaterial effektiv abgebaut und nahezu vollständig für eine Verstärkung der Pulse ausgenutzt werden. Insbesondere kann hierbei eine bessere Strahlqualität mit sehr guter Fokussierbarkeit erreicht werden. Durch die Verwendung gaußscher Spiegel mit einem an das Modenprofil angepassten radialen Verlauf der Reflexionskoeffizienten können zudem auftretende Beugungseffekte an den Aperturgrenzen des Resonators wirksam unterdrückt und daher nahezu beugungsbegrenzte hochenergetische Pulse erzeugt werden. Dieses System erfordert einen externen Laseroszillator und die erreichbare Modenkopplung ist nicht optimal.
Für eine Reihe von Anwendungen wird eine Strahlführung der erzeugten Pulse zu einem bestimmten Anwendungsort benötigt. Aufgrund der hohen Pulsenergien und der sehr hohen Spitzenleistungen in solchen Pulsen ist eine Übertragung der emittierten Strahlung mittels konventionellen Glasfasern jedoch häufig nicht möglich. Neben Hohlkernfasern und Fasern mit einer photonischen Bandlücke ist ein Spiegelgelenkarm meist die zuverlässigste Methode um derartige Impulse an das zu behandelnde Gewebematerial heranzuführen. Alle diese Konzepte haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass die entsprechende Technik relativ aufwendig und komplex ist. Zudem sind die verwendeten Fasern extrem teuer und deren Verwendung wird durch hohe Anforderungen an die Stabilität der optischen Einkopplung erschwert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Pulslasersystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Pulslasersystems zur Verfügung zu stellen, die eines oder mehrere der geschilderten Probleme des Standes der Technik bei der Erzeugung hochenergetischer gepulster Laserstrahlung vermeidet oder zumindest deutlich mindert. Insbesondere soll eine Laservorrichtung zur Erzeugung hochenergetischer gepulster Laserstrahlung mit Pulsdauern im Sub-Nanosekunden-Bereich bereitgestellt werden, die einen einfachen, kompakten und robusten Aufbau unter Verwendung einer minimalen Anzahl an optischen Bauelementen erlaubt und die dazu ausgebildet ist, sowohl gütegeschaltete als auch modengekoppelte Pulse zu erzeugen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die genannte Aufgabe wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Lasersystems nach Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung stellt ein Lasersystem zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bei einer mittleren Grundwelle bereit, welches eine Steuerungseinrichtung und einen verlustbehafteten optischen Resonator aufweist. Der optische Resonator umfasst dabei als Baugruppen einen Verstärkungsbereich mit einem Lasermedium und einer entsprechenden Pumpquelle, einen Polarisator, einen Rückreflektor, einen Auskoppelspiegel, welcher die gepulste Laserstrahlung bei der mittleren Grundwelle entlang der Resonatorachse auskoppelt, einen Polarisator, ein Mittel zur Güteschaltung, und ein Mittel zur Modenkopplung. Das erfindungsgemäße Lasersystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, zwischen einer gütegeschalteten ersten Betriebsart und einer modengekoppelten zweiten Betriebsart unabhängig oder gekoppelt umzuschalten, wobei die Güte des Resonators in der ersten Betriebsart durch das Mittel zur Güteschaltung zu einem bestimmten Zeitpunkt T1 geschaltet wird, und in der zweiten Betriebsart durch das Mittel zur Modenkopplung abhängig von der Umlaufzeit der im Resonator umlaufenden mittleren Grundwelle periodisch moduliert und zu einem bestimmten Zeitpunkt T1 in Verstärkerbetrieb (self-injection-seeded) geschaltet wird.
Bei dem Polarisator kann es sich beispielsweise um einen polarisierenden Strahlteiler handeln. Über diesen Polarisator kann durch entsprechende Polarisationsdrehung der im Resonator umlaufenden mittleren Grundwelle eine aktive Regelung der Verluste des Resonators vorgenommen werden. Eine aktive Drehung der Polarisationsebene kann dabei entweder vollständig durch elektronische Ansteuerung eines entsprechenden Schaltelements oder unter zusätzlicher Zuhilfenahme passiver optischer Bauelemente erfolgen. Die entsprechenden Schaltelemente sind dabei das Mittel zur Güteschaltung und das Mittel zur Modenkopplung.
Das erfindungsgemäße Lasersystem kann in zwei voneinander unabhängigen Betriebsarten, einer gütegeschalteten ersten und einer modengekoppelten zweiten Betriebsart, betrieben werden. Zudem ist jedoch analog zum in der US 7,929,579 B2 offenbarten Lasersystem auch ein an die Modenkopplung anschließender Verstärkerbetrieb zur Verstärkung der durch Modenkopplung erzeugten Pulse möglich. Dadurch lassen sich die Parameter der einzelnen Laserpulse über einen sehr weiten Bereich anpassen und es kann Laserstrahlung für eine Vielzahl von möglichen Anwendungen bereitgestellt werden. Insbesondere können im Bereich der Pigmententfernung die Pulsdauer und die Laserleistung des Lasersystems ganz spezifisch auf Art und Größe der einzelnen zu behandelnden Pigment- bzw. Farbstoffpartikel eingestellt werden, beispielweise können gütegeschaltete Nanosekundenpulsen für große Partikel und modengelockte Pikosekundenpulse für schmalere genutzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Lasersystem lassen sich typischerweise Wiederholraten von 1 Hz bis 25 Hz für die einzelnen Pulse erreichen. Bei höheren Pulsraten lassen sich für gewöhnlich thermische Effekte, wie beispielsweise eine thermisch induzierten Depolarisation der Strahlung, nur schwer kompensieren, was zu einer reduzierten Pulsenergie und damit zu einer sinkenden Effizienz des gesamten Lasersystems führt. Weiterhin kann es bei höheren Wiederholraten auch zur Ausbildung thermisch induzierter Linsen kommen, welche sich ebenfalls negativ auf das Strahlprofil und die maximale Pulsenergie auswirken können.
In der gütegeschaltetem ersten Betriebsart wird das Mittel zur Güteschaltung erst nach einer für das Pumpen des Lasermediums erforderlichen Energiespeicherzeit geschaltet, so dass es zu einem plötzlichen Einsetzen der Lasertätigkeit und damit zur Ausbildung eines Pulses kommt. Dazu wird die Steuerspannung des Mittels zur Güteschaltung schlagartig derart erhöht, dass die auftretenden Resonatorverluste minimiert und dadurch die Güte des Resonators maximiert wird. Durch eine entsprechende Regelung der Schaltzeiten können sowohl die Pulsdauern als auch die Energie der einzelnen Pulse über einen sehr weiten Bereich eingestellt werden. Eine zusätzliche Regelung kann beispielsweise auch über die Steuerung der Pumpparameter, d.h. von Pumpleistung, Pumpzeit und Pumpdauer, erfolgen. Die in dieser ersten Betriebsart maximal erreichbare Pulsenergie liegt im Bereich der typischerweise auch mit modengekoppelter Lasern und Lasersystemen erreichten Pulsenergien.
In der modengekoppelten zweiten Betriebsart wird die Lichtleistung im Resonator periodisch mit der Umlaufzeit der mittleren Grundwelle im Resonator moduliert. Diese Modulation kann insbesondere auch durch das Mittel zur Güteschaltung mittels einer periodischen Gütemodulation des Resonators oder durch ein eigenständiges Mittel zur Modenkopplung erfolgen. Durch die aufgeprägte Modulation erfolgt eine stabile Phasenkopplung von mehreren, im Verstärkungsbereich des Lasermediums liegenden, longitudinalen Moden des Resonators. Durch konstruktive Interferenz kommt es dabei zur Ausbildung einzelner Pulse, deren minimale Länge insbesondere von der optischen Güte des Resonators und der Anzahl der interferierenden Moden, d.h. von der genutzten Verstärkungsbandbreite des Lasermediums, abhängig ist. Zu einem Zeitpunkt T1 kann dann die Güte des Resonators schlagartig erhöht werden, so dass der modengekoppelte Puls durch noch im Lasermedium gespeicherte Energie verstärkt werden kann.
Beide Betriebsarten erlauben einen voneinander unabhängigen Laserbetrieb. Insbesondere kann eine Umschaltung zwischen beiden Betriebsarten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen erfolgen. Auch innerhalb einer Betriebsart kann eine Anpassung der Schaltzeiten und/oder der Pumpparameter beliebig und ohne Einschränkungen vorgenommen werden. Weiterhin kann erfindungsgemäß auch eine Verknüpfung der beiden Betriebsarten durch Überführen der Pulse von einer ersten Betriebsart in eine zweite Betriebsart erfolgen. Insbesondere kann die Energie von in der modengekoppelten zweiten Betriebsart erzeugten Pulsen innerhalb des Resonators durch Umschalten in die gütegeschaltete erste Betriebsart vor einer Auskopplung noch weiter verstärkt werden. Dieser modengekoppelte Verstärkerbetrieb erlaubt eine Erzeugung von besonders energiereichen Laserpulsen mit Pulsdauer hinab bis in den Sub-Nanosekunden-Bereich.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch einen möglichst einfachen Resonator mit einer auf ein Minimum beschränkten Anzahl an optischen Bauteilen sowohl die auftretenden Strahlungsverluste als auch die Aufbaukosten minimiert werden können. Insbesondere weist ein zeitlicher Dual-Mode-Resonator, welcher sowohl in einer gütegeschalteten ersten als auch in einer modengekoppelten zweiten Betriebsart betrieben werden kann, wesentliche Vorteile bezüglich Einfachheit, Wirtschaftlichkeit und Flexibilität der emittierten Strahlung auf. Zudem ist eine effiziente Verstärkung der modengekoppelten Pulse durch die natürliche Modenanpassung zwischen Oszillator und Verstärker gegeben. Für die Erzeugung möglichst energiereicher Pulse ist ein Lasermedium mit einer hohen Verstärkung bei möglichst vollständiger Ausnutzung des Verstärkungsbereichs des Lasermediums besonders vorteilhaft. Dies kann insbesondere durch einen entsprechend angepassten Resonatoraufbau erfolgen. Dabei müssen jedoch die bei hohen optische Leistungen auftretenden thermischen Effekte, beispielsweise eine durch die Strahlung induzierte Doppelbrechung im Lasermedium, effektiv unterdrückt werden. Um zudem den technischen Aufwand bei der Ansteuerung gering zu halten, sind das Mittel zur Güteschaltung und das Mittel zur Modenkopplung möglichst so auszulegen, dass eine Ansteuerung, falls erforderlich, mit möglichst geringen Spannungen und besonders kurzen Schaltzeiten erfolgen kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Güteschaltung und/oder das Mittel Modenkopplung ein elektrooptischer Modulator ist. Der elektrooptische Modulator oder die elektrooptischen Modulatoren werden dabei vorzugsweise so betrieben, dass ihre Wirkung der einer λ/4-Wellenplatte bei der mittleren Grundwelle λ entspricht, d.h. die Modulatoren werden vorzugsweise mit einer äquivalenten Viertelwellenspannung als maximale Steuerspannung betrieben. Dies ermöglicht durch relativ geringe Schaltspannungen ein deutlich schnelleres Ansteuern der Modulatoren und vereinfacht die Komplexität der gesamten elektronischen Ansteuerung. Hierbei kann eine erste Pockels-Zelle als aktives Mittel zur Güteschaltung zum Starten des Lasers, zur Regelung der Verstärkung und zur Wechsel zwischen den einzelnen Betriebsarten des Lasers eingesetzt werden. Eine zweite Pockels-Zelle kann als Mittel zur Modenkopplung genutzt werden. Dadurch wird insbesondere im Modenkopplungsbetrieb eine Modulation mit hoher Geschwindigkeit wesentlich vereinfacht.
Bei den Mitteln zur Modenkopplung und zur Güteschaltung kann es sich bevorzugt auch um ein einziges Bauteil handeln, insbesondere kann ein einziger elektrooptischer Modulator für beide Betriebsarten genutzt werden. Je nach Ansteuerung kann dieser entsprechend der gewählten Betriebsart des Lasersystems entweder zur Güteschaltung oder zur Modenkopplung eingesetzt werden. Vorzugsweise umfasst das Mittel zur Modenkopplung und zur Güteschaltung hierbei jedoch eine zusätzliche λ/4-Wellenplatte bei der mittleren Grundwelle λ für eine zusätzliche Polarisationsdrehung. Dadurch kann eine vollständige Drehung der Polarisationsrichtung von einem gesperrten in einen transmittierenden Zustand des Polarisators bei der Pockels-Zelle als Mittel zur Modenkopplung und zur Güteschaltung bereits durch eine geringe zusätzliche Drehung der Polarisation, welche maximal der Wirkung einer weiteren λ/4-Wellenplatte bei der mittleren Grundwelle λ in positiver bzw. eventuell negativer Richtung entspricht, realisiert werden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Ansteuerung des elektrooptischen Modulators als Mittel zur Güteschaltung und als Mittel zur Modenkopplung mit der Halbwellenspannung, d.h. dass die Wirkung der einer λ/2-Wellenplatte bei der mittleren Grundwelle λ entspricht. Auf die Integration einer zusätzlichen Wellenplatte kann hierbei verzichtet werden.
Besonders bevorzugt ist, dass der Resonator in einem transversalen Multimodenbetrieb betrieben wird. Durch die unterschiedlichen Modenvolumina und deren räumlicher Verteilung innerhalb des Resonators kann die im gepumpten Lasermedium gespeicherte Energie besser an das Laserfeld abgegeben werden. Insbesondere verteilt sich mit steigender transversaler Modenanzahl das Laserfeld immer homogener über das Lasermedium, so dass sowohl ein spektrales als auch ein räumliches Lochbrennen weitgehend vermieden werden können und daher ein nahezu vollständiger Abbau der erzielten Besetzungszahleninversion im gesamten Lasermedium erreicht werden kann. Dadurch können wesentlich höhere Energien als im Einzelmodenbetrieb aus dem Lasermedium extrahiert werden und die erzeugten Pulse werden energiereicher. Allerdings wird durch einen transversalen Multimodenbetrieb i.d.R. ein stark inhomogenes Strahlprofil mit einer inhomogenen und schwankenden Energieverteilung erzeugt. Weiterhin wird durch die Multimodigkeit gegenüber einem Einzelmodenbetrieb die Fokussierbarkeit der Pulse deutlich reduziert.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei dem Resonator um einen optisch instabilen Resonator handelt. In einem optisch instabilen Resonator ändert sich der Strahldurchmesser der umlaufenden Pulse bei der Reflektion an den Resonatorspiegeln. Dadurch kann eine verbesserte räumliche Ausnutzung des Lasermediums erreicht werden. Durch die unterschiedlichen Strahldurchmesser innerhalb des Resonators kann die im gepumpten Lasermedium gespeicherte Energie besser an das Laserfeld abgegeben werden. Insbesondere verteilt sich mit steigendem Strahldurchmesser das Laserfeld immer homogener über das Lasermedium, so dass sowohl das spektrale als auch das räumliche Lochbrennen weitgehend vermieden werden können und ein vollständiger Abbau der Besetzungsinvarianz im gesamten Lasermedium erreicht werden kann. Dadurch können höhere Energien als bei einem stabilen Resonator aus dem Lasermedium extrahiert werden und die erzeugten Pulse werden energiereicher.
Zur Erreichung besonders hoher Pulsenergien bei Pulslängen im Nanosekunden- und/oder Pikosekunden-Bereich kann der instabile Resonator zudem einen gaußschen oder super-gaußschen Reflexionsspiegel als Rückreflektor und/oder Auskoppelspiegel umfassen. Bei einem gaußschen bzw. super-gaußschen Spiegel weist der Reflexionsgrad des Spiegels in radialer Richtung r eine im Wesentlichen gaußförmige Variation des Reflexionskoeffizienten in der Form
mit R₀ als maximalem Reflexionsgrad, w_m dem Strahldurchmesser auf dem Spiegel und n als gaußscher Parameter, wobei n = 1 einem einfachen gaußschen Spiegel und n > 1 einem gaußschen Spiegel höherer Ordnung, d.h. einem super-gaußscher Spiegel, entspricht, auf (S. De Silvestri et al., Opt. Lett. 19(9), 642–644 (1991)). Durch die Verwendung gaußscher Spiegel mit einem Modenprofil-angepassten radialen Verlauf des Reflexionskoeffizienten können auftretende Beugungseffekte an den Aperturgrenzen des Resonators wirksam unterdrückt werden und dadurch ein einheitlicheres Stahlprofil im Vergleich zu sonstigen instabilen Resonatoren ohne gaußsche Reflexionsspiegel erzeugt werden. Durch die Verwendung von gaußschen Spiegel höherer Ordnung kann zudem die Energie der Laserpulse und die Qualität des Strahlprofils gegenüber einem instabilen Resonator mit einfach gaußschen Spiegel noch ebenfalls deutlich erhöht werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Mittel zur Kompensation thermischer Effekte vorhanden ist. Insbesondere bei hohen Pumpenergien können im Lasermedium, vorwiegend sind hier kristalline Materialien gemeint, parasitäre Laserschwingungen durch thermisch induzierte Doppelbrechung auftreten, welche zu einem teilweisen Verlust der im gepumpten Lasermedium gespeicherten Energie führen können. Diese sogenannten Depolarisationsverluste können beispielsweise dadurch vermieden werden, dass durch paarweises hintereinanderschalten von zwei identischen Lasermedien mit zueinander um 90° gedrehter Polarisationsrichtung eine Kompensation der auftretenden Doppelbrechung vorgenommen wird. Ein anderes Mittel zur Kompensation thermischer Effekte kann der mindestens zweifache Durchlauf des Lasermediums mit jeweils um 90° gedrehter Polarisationsrichtung sein. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Mittel zur Kompensation thermische Effekte um eine λ/4-Wellenplatte bei der mittleren Grundwelle λ, welche sich in einem geringen Abstand zum Lasermedium befindet. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die schnelle bzw. langsame Achse der λ/4-Wellenplatte sich innerhalb der durch den Polarisator der erfindungsgemäßen Laseranordnung vorgegeben Polarisationsrichtung befindet (Clarkson et al., Opt. Lett. 24(12), 820–822 (1999)). Die Verwendung einer λ/4-Wellenplatte führt bei mehrfachem Durchlaufen des Lasermediums zu einer deutlichen Unterdrückung von nicht in der Hauptpolarisationsrichtung der Laseranordnung liegenden Polarisationskomponenten. Unter starker Anregung des Lasermediums können dadurch sogenannte Prelasing-Effekte, welche die maximale Pulsenergie reduzieren würden, vermieden werden. Vorzugsweise wird das Mittel zur Kompensation thermischer Effekte zwischen Lasermedium und Rückreflektor angeordnet.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei dem Lasermedium um einen über eine Blitzlampe oder eine Laserdiode als Pumpquelle optisch gepumpten Nd:YAG Laserstab handelt. Nd:YAG weist als aktives Lasermedium einen hohen Verstärkungskoeffizienten auf und eignet sich durch effiziente Energiespeicherung und einen breiten Emissionsquerschnitt, welches kurze gütegeschaltete Pulse und eine effiziente Verstärkung von modengekoppelten Pulsen ermöglicht, ganz besonders für die Erzeugung hochenergetischer gepulster Laserstrahlung in einer auf Multimodenbetrieb ausgelegten Resonatoranordnung. Auch Laserstäbe aus Nd:YAP, Nd:YVO₄ und anderen Materialen können aus den aufgeführten Gründen verwendet werden, wobei nur Materialein mit einem hohen Verstärkungskoeffizienten eine effiziente Verstärkung in einem verlustbehafteten Resonator mit verhältnismäßig geringer Finesse ermöglichen. Kristalline Lasermaterialien mit einem geringen Verstärkungskoeffizienten, beispielsweise Alexandrit, sollten hingegen nicht verwendet werden, da sich damit keine gütegeschalteten hochenergetischen Pulse in einem verlustbehafteten Resonator mir geringer Finesse erzeugen lassen. Da bei kurzen Resonatoren die Pulslänge in der gütegeschalteten Betriebsart mehr als die Resonatorumlaufzeit beträgt, würde bei einem Cavity-Dumping der Laserpuls abgeschnitten werden.
Weiterhin bevorzugt ist, dass bei Verwendung eines Laserstabes der Laserstab eine Antireflexbeschichtung und/oder eine Neigung der in Richtung der Resonatorachse weisenden ersten Oberfläche und/oder zweiten Oberfläche, d.h. einer oder beider longitudinalen Oberflächen des Laserstabs, aufweist. Dies kann zum Unterdrücken von innerhalb des Laserstabs durch Totalreflexion auftretenden parasitären Nebenmoden genutzt werden. Bevorzugt wird hierbei eine Neigung der Oberflächen zur Resonatorachse um 8°. Weiterhin bevorzugt sind 5° bzw. 10°. Auch durch entsprechende mechanische Bearbeitung der Oberflächen kann das Auftreten von entlang der optischen Achse der erfindungsgemäßen Laseranordnung parasitär erzeugten Nebenmoden wirksam unterdrückt werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Güteschaltung und/oder das Mittel zur Modenkopplung über die im Resonator umlaufende Laserleistung rückgekoppelt werden. Dazu muss zunächst einmal über eine entsprechende, beispielsweise photo- oder thermoelektrische, Messeinrichtung die im Resonator umlaufende Laserleistung kontinuierlich gemessen werden. Über einen Regelkreis kann anschließend das Mittel zur Güteschaltung und/oder das Mittel zur Modenkopplung so in den beiden Betriebsarten des Lasers beeinflusst werden, dass durch Wahl des richtigen Schaltzeitpunktes und/oder der Schaltungstiefe, d.h. der jeweils an den Mitteln zur Güteschaltung und/oder zur Modenkopplung angelegten Steuerspannungen, eine nahezu beliebige, insbesondere maximale, Pulsenergie und/oder eine nahezu beliebige, insbesondere möglichst geringe, Pulsdauer erreicht werden kann. Dabei bezieht sich nahezu beliebig auf den Wertebereich, der mit dem jeweiligen erfindungsgemäßen Lasersystem technisch prinzipiell erreichbar ist. Durch eine erfindungsgemäße Rückkopplung der Schaltelemente können auftretende mechanische Störungen wirksam unterdrückt werden. Zudem kann eine feinere und genauere Abstimmung der einzelnen Laserparameter erfolgen. Insbesondere kann diese Abstimmung erfindungsgemäß auch dazu benutzt werden, um damit möglichst energiereiche Pulse mit extrem kurzen Pulslängen zu erreichen. Das Rückkopplungsverfahren kann auch dazu genutzt werden um zu verhindern, dass einzelne der modengekoppelten Pulse in der entsprechenden Betriebsart des erfindungsgemäßen Lasers zu schnell anwachsen und dadurch die im Lasermedium gespeicherte Energie auf Kosten der insgesamt erreichbaren Maximalenergie abbauen. Bei Bedarf kann eine zusätzliche negative Rückkopplung die Energie im Resonator konstant halten oder steuern, ohne jedoch die gespeicherten Energie im Lasermedium abzubauen. Dadurch kann gleichzeitig auch eine Verkürzung der Pulsdauern erreicht werden. Neben einer direkten optischen Messung der Laserleistung über eine Fotodiode kann die direkte Umwandlung von optischer Leistung mit einem Widerstandsteiler und einem Photowiderstand erreicht werden. Diese Lösung erweist sich aufgrund der intrinsisch breiteren Rückkopplungsbandbreite als einfacher realisierbar.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lasersystem zur erfindungsgemäßen Erzeugung gepulster Laserstrahlung eine Stahlführung aufweist, die ein Mittel zur Homogenisierung, ein Abbildungssystem, und einen zur Strahlführung ausgebildeten evakuierten oder zumindest teilweise evakuierten Schutzbereich umfasst. Die von einem instabilen Laserresonator mit gaußschen oder supergaußschen Reflexionsspiegeln im lateralen Multimodebetrieb emittierte Strahlung ist i.d.R. nicht sehr homogen und zeigt oft eine deutliche Ringbildung aufgrund von Beugung an den intrakavitären Öffnungen. Bei solchen Resonatoren werden bevorzugt supergaußsche Spiegel mit gaußschen Parametern aus dem Bereich 4 bis 8 eingesetzt. Um aus einer solchen inhomogenen Strahlungsverteilung ein möglichst gleichmäßiges Strahlprofil mit einer glatten Verteilung zu erzeugen, kann eine räumliche Homogenisierung des Strahles durch mehrere wiederholte Reflexionen, beispielweise innerhalb von Glasstäben als Integratoren, erfolgen. Der dazu verwendete Stab darf dabei einen nahezu beliebigen Querschnitt aufweisen. Diese Methode hat als großen Vorteil gegenüber anderen Homogenisierungsverfahren, wie beispielsweise die Verwendung von Mikrooptiken, eine größere Unempfindlichkeit gegenüber Dejustage aufzuweisen. Der im einen stabförmigen Integrator erzeugte Ausgangsstrahl kann anschließend durch ein entsprechendes Abbildungssystem auf einen Zielbereich fokussiert werden. Bei dem Abbildungssystem kann es sich beispielsweise um eine Linsenanordnung aus mehreren optischen Bauteilen oder um eine Einzellinse handeln.
Bei der Fokussierung von hochenergetischen Laserpulsen können sehr hohen Energiedichten auftreten. Insbesondere durch die Wechselwirkung der stark fokussierten Pulse mit in der Luft befindlichen Staubteilchen oder sonstigen Verunreinigungen können erheblichen Probleme bei der Strahlführung auftreten. Zum einen wird durch solche Streueffekte ein Teil der Energie aus dem Strahl entfernt, so dass diese nicht vollständig für den geplanten Einsatzzeck zur Verfügung steht. Zum anderen geht von dem Streulicht eine arbeitstechnische Gefährdung aus, da die erzeugten Lichtblitze statistisch in alle Richtungen gestreut werden können und durch ihren hohen Energiegehalt zu erheblichen Schäden führen können. Der Bereich zwischen dem optischen Abbildungssystem und dem Zielbereich innerhalb der Fokusebene wird daher meist durch eine entsprechende technische Einhausung vor einen unbeabsichtigten Lichtaustritt geschützt. Um auch die Wahrscheinlichkeit für das prinzipielle Auftreten von Streulicht zu senken, kann erfindungsgemäß dieser Schutzbereich als evakuierter oder zumindest teilweise evakuierter Schutzbereich ausgeführt werden. Hierdurch kann das Eindringen von Staubteilchen oder sonstigen potentiell streufähigen Partikeln wirksam unterbunden und eine Fokussierung der Strahlung wird ohne das Auftreten hochenergetischer Streublitze möglich. Durch die Verwendung einer solchen erfindungsgemäßen Stahlführung können somit hochenergetische Pulse im Nanosekunden- bzw. Pikosekunden-Bereich mit einem möglichst uniformen Strahlprofil erzeugt und streuungsfrei auf einen Zielbereich fokussieren werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Lasersystems zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung offenbart. Dieses Verfahren umfasst insbesondere das Bereitstellen des ausführlich beschriebenen erfindungsgemäßen Lasersystems zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung; das Pumpen des Lasermediums; das Anlegen einer DC-Gleichspannung, einer AC-Modulation oder einer DC-Gleichspannung mit AC-Modulation an das Mittel zur Güteschaltung und/oder das Mittel Modenkopplung; und das Wechseln zwischen der gütegeschalteten ersten Betriebsart und der modengekoppelten zweiten Betriebsart durch unabhängiges oder gekoppeltes Umschalten. Ein direkter Wechsel der Betriebsart ist hierbei von Puls zu Puls möglich. Ebenfalls möglich ist ein Wechsel der Betriebsart ohne eine dazwischenliegende Auskopplung der Pulse. Dies kann insbesondere dazu genutzt werden, dass die in der modengekoppelten zweiten Betriebsart erzeugten Pulse zu ihrer Verstärkung in die gütegeschaltete erste Betriebsart des Lasersystems überführt werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasersystems;
2 eine schematische Darstellung einer zeitlichen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Lasersystems in einer gütegeschalteten ersten Betriebsart I; und
3 eine schematische Darstellung einer zeitlichen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Lasersystems in einer modengekoppelten zweiten Betriebsart II.
Detaillierte Beschreibung Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasersystems 1000. Die Strahlführung 300 umfasst dabei als Mittel zur Strahlhomogenisierung 310 einen Glasstab als reflektierendes Integrationselement, eine geeignetes Abbildungsobjektiv 320 zur Fokussierung der hochenergetischen Laserpulse und einen zur Strahlführung in einen Zielbereich ausgebildeten evakuierten oder zumindest teilweise evakuierten Schutzbereich 330.
Der Resonator 200 des Lasersystems 1000 wird von einem Rückreflektor 230 und einem Auskoppelspiegel 240 gebildet. Innerhalb des Resonators 200 sind ein Verstärkungsbereich 210 und ein Polarisator 250 angeordnet. In dieser Ausführungsform sind das Mittel zur Güteschaltung 260 und das Mittel zur Modenkopplung 270 durch eine einzelne Pockels-Zelle in Kombination mit einer λ/4-Wellenplatte 265 bei der mittleren Grundwelle λ des Resonators bzw. der der mittleren Grundwelle λ der erzeugten Laserpulse realisiert. Die Ansteuerung der Pockels-Zelle kann durch eine entsprechende Steuerungseinrichtung 100 erfolgen. Dabei kann zwischen einer gütegeschalteten ersten Betriebsart I und einer modengekoppelten zweiten Betriebsart II beliebig hin und her geschaltet werden.
Es ist bevorzugt, dass es sich bei dem Resonator 200 um einen instabilen Resonator mit genau einem gaußschen oder supergaußschen reflektierenden Spiegel handelt. Eine bevorzugte Resonatorlänge ist dabei 50 cm, wobei ein gekrümmter Rückreflektor 230 mit einem Krümmungsradius von 5 m und ein ebener gaußscher Auskoppelspiegel 240 mit einem Strahldurchmesser w_m = 1.85 µm und einem gaußschen Parameter n = 4 kombiniert wird. Bei einem maximalen Reflexionsgrad R₀ = 0.4 ergibt sich dadurch eine Strahlverstärkung von M = 2, welche über T = 1 – R₀/M² zu einer effektiven Auskopplung aus dem mit Verlusten behafteten Resonator von T = 0.85 führt.
Die Verstärkungsbereich 210 kann vorzugsweise eine Pumpkammer, eine oder mehrere Blitzlampen als Pumpquelle 214, einen Reflektor oder Diffusor, eine Ummantelung und einen Laserstab als Lasermedium 212 umfassen, wobei der Laserstab entlang der Laserachse O eine erste Oberfläche 212a und eine zweite Oberfläche 212b aufweist. Als Laserstäbe sind besonders Nd:YAG-Kristalle wegen ihrer effizienten Energiespeicherung und einem breiten Emissionsquerschnitt bevorzugt, welches gütegeschaltete Pulse mit kurzen Pulslängen und eine effiziente Verstärkung modengekoppelter Pulse ermöglicht. Nd:YAP und andere Materialien können für den gleichen Zweck verwendet werden, wobei nur Materialien mit hoher Verstärkung eine effiziente Verstärkung in dem bevorzugten verlustbehafteten Resonator mit verhältnismäßig geringer Finesse ermöglichen. Die zum Pumpen von Laserstäben genutzte Pumpkammer kann diffus oder reflektierend sein. Eine diffuse Pumpkammer ist jedoch gegenüber einer reflektierenden Pumpkammer insbesondere aufgrund des höheren Wirkungsgrades und der Unterdrückung von Prelasing-Effekten besonders bevorzugt. Der Laserstab kann zudem zur Unterdrückung von parasitären longitudinalen Laserschwingungen eine entsprechende Antireflexbeschichtung und/oder eine Neigung der in Richtung der Resonatorachse O weisenden ersten Oberfläche 212a und/oder der zweiten Oberfläche 212b aufweisen.
Für eine verbesserte Energiespeicherung im Laserstab kann der Resonator 200 zur Vermeidung thermisch induzierter Effekte weiterhin ein Mittel zur Kompensation thermischer Effekte 280 umfassen. Bevorzugt ist dabei insbesondere eine weitere λ/4-Wellenplatte bei der mittleren Grundwelle λ, welche orthogonal zur λ/4-Wellenplatte 265 im Bereich zwischen dem Verstärkungsbereich 210 und dem Rückreflektor 230 angeordnet werden kann, um eine thermisch induzierte Doppelbrechung im Lasermedium 212 zu kompensieren.
In allen Betriebsarten des erfindungsgemäßen Lasersystems 1000 kommt der zeitlichen Abstimmung der einzelnen Vorgänge eine wesentliche Rolle zu. Wird beispielsweise ein Laserstab aus Nd:YAG als aktives Lasermedium 212 verwendet, so ist es zur Maximierung der optischen Verstärkung besonders bevorzugt, dass zwischen dem Einschalten der Blitzlampen als Pumpquelle 214 und dem Aktivieren der Mittel zur Güteschaltung bzw. zur Modenkopplung typischerweise 230 μs verstreichen. Diese Zeit kann manuell oder mit einer elektronischen Regelung noch weiter optimiert werden, um die maximal mögliche Energie aus dem Resonator extrahieren zu können.
Bei der ersten Betriebsart I handelt es sich um eine gütegeschaltete Betriebsart, bei der das Mittel zur Güteschaltung 260, d.h. vorliegend eine einzige Pockels-Zelle, unabhängig von der Umlaufzeit T der im Resonator 200 umlaufenden mittleren Grundwelle λ zu einen genauen Zeitpunkt T1 geschaltet. Wie bei allen bekannten Resonatoren dieser Art wird das Mittel zur Güteschaltung 260 mit dem Anlegen einer Schaltspannung abrupt aktiviert, nachdem eine optimale Speicherzeit erreicht worden ist und über die Steuereinrichtung ein entsprechender Schaltimpuls ausgelöst wurde. Insbesondere kann in der gezeigten Konfiguration durch Anlegen der sogenannten Viertelwellenspannung an die Pockels-Zelle, d.h. der Spannung, welche erforderlich ist, dass die Wirkung der Pockels-Zelle der Wirkung einer λ/4-Wellenplatte bei der mittleren Grundwelle λ entspricht, ein entsprechendes Güteschalten bei verhältnismäßig geringen Spannungswerten erreicht werden. Wird Nd:YAG als das aktives Lasermedium 212 eingesetzt, dann sind damit Pulsenergien größer als 800 mJ möglich. Bei einem besonders bevorzugten Resonator 200 mit Baulängen von 50 cm oder weniger lassen sich Pulslängen unter 10 ns realisieren. Dies führt zu einer Spitzenleistung der Pulse in der Nähe von etwa 100 MW. Solche Spitzenleistungen werden typischerweise für eine Reihe von Anwendungen in der Dermatologie, wie beispielsweise bei der Entfernung von Tattoos oder Geburtsmahlen, und in der Materialbearbeitung benötigt.
Bei der zweiten Betriebsart II des gezeigten verlustbehafteten Resonators 200 handelt es sich um eine modengekoppelte Betriebsart (self-injection-seeded). Die λ/4-Wellenplatte 265 und der Polarisator 250 halten die Güte des Resonators 200 ohne angelegte Spannung an der Pockels-Zelle niedrig. Wird eine moderate Spannung an die Pockels-Zelle angelegt, wird die Laserschwelle überschritten.
In der modengekoppelten Betriebsart II kann die Pockels-Zelle durch das Anlegen einer DC-Gleichspannung (auch als Vorspannung bezeichnet) und einer zusätzlichen AC-Modulation, wobei die Amplitude der AC-Modulation kleiner als die Amplitude der DC-Gleichspannung ist, gesteuert werden. In Abhängigkeit vom Lasermedium 212, der Resonatorgeometrie und der Stärke der Auskopplung kann dabei eine Modenkopplung bereits durch eine moderate AC-Modulation zwischen 3% und 45% der Viertelwellenspannung der Pockels-Zelle erreicht werden. Vorzugsweise entspricht die Periodendauer der AC-Modulation genau der Umlaufzeit T der einzelnen Pulse im Resonator 200. Bevorzugt ist auch eine Periodendauer vom 2-fachen oder 3-fachen der Umlaufzeit T. Weiterhin bevorzugt sind auch alle weiteren höheren Vielfachen der Umlaufzeit T. Dabei ist für die AC-Modulation eine Rechteckwellenmodulation besonders vorteilhaft, da hierbei eine größere Anzahl an Frequenzkomponenten zur Kopplung beitragen kann und dadurch bei Resonatoren im multimodalen Betrieb eine effizientere Modenkopplung ermöglicht wird. Die Amplitude der DC-Vorspannung und die Amplitude der AC-Modulation können zusätzlich mittels negativer Rückkopplung zur im Resonator 200 umlaufenden Laserleistung angepasst werden. Auf diese Weise lässt sich eine zusätzliche zeitliche Pulskompression erreichen. Die Steuerung der Dauer der Modulations-Zeit und somit der Anzahl der Umläufe im Resonator ermöglicht eine Kontrolle der Pulsbreite. Anschließend kann die AC-Modulation abgeschaltet und die DC-Vorspannung auf die Viertelwellenspannung der Pockels-Zelle erhöht werden. Wird Nd:YAG als aktives Lasermaterial 212 verwendet, dann sind typischerweise Pulslängen von 250 ps bis 800 ps und Pulsenergien von 200 mJ bis 800 mJ erreichbar. Die Spitzenleistung liegt bei etwa 1 GW.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zeitlichen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Lasersystems in einer gütegeschalteten ersten Betriebsart I. Nach dem Starten der gütegeschalteten Pulserzeugung zur Startzeit T0 wird bei dem in 1 gezeigten Lasersystem 1000 durch die λ/4-Wellenplatte 265 bei der mittleren Grundwelle λ des Mittels zur Güteschaltung 260 und den Polarisator 250 der Gütefaktor des Resonators 200 ohne eine an die Pockels-Zelle angelegte Spannung zunächst unterhalb der Laserschwelle gehalten. Dadurch kann insbesondere ein Laserstab als Lasermedium 212 intensiv gepumpt und durch Erzeugung einer möglichst hohen Besetzungszahleninversion energetisch maximal aufgeladen werden. Wird anschließend zum Zeitpunkt T1 eine moderate Schaltspannung an die Pockels-Zelle angelegt, so kann die Laserschwelle dabei gerade überschritten werden und eine Pulserzeugung setzt schlagartig ein. In einer Ausführungsform mit zwei Pockels-Zellen innerhalb des Resonators 200 kann auch eine moderate Gleichspannung an die zweite Pockels-Zelle angelegt werden. Ein kapazitiver Spannungsteiler kann die angelegte Spannung dabei auf ein gewünschtes Niveau begrenzen und den Resonator 200 somit stabil oberhalb der jeweiligen Laserschwelle halten. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die angelegte Schaltspannung gerade bei der Viertelwellenspannung der Pockels-Zelle als Mittel zur Güteschaltung 260. Dadurch wird die Polarisationsrichtung des Pulses genau so weit gedreht, dass im Zusammenspiel mit der λ/4-Wellenplatte 265 des Mittels zur Güteschaltung 260 eine maximale Pulsauskopplung P über den Auskoppelspiegel 240 erfolgen kann. Die Spannung ist jedoch stark abhängig von den genauen Betriebsparametern des erfindungsgemäßen Lasersystems 1000 und kann im Einzelfall auch stark von dem hier gezeigten Spannungswert abweichen. Durch das Schalten kommt es innerhalb des Resonators 200 zu einem exponentiellen Anstieg der Photonenzahl und damit der Intensität des Pulses. Durch den schlagartigen Abbau der im Laserstab erzeugten Besetzungszahleninversion wird anschließend ebenso schlagartig die Laserschwelle wieder unterschritten, so dass es während der Pulsauskopplung P zu einer Emission eines einzelnen Pulses mit hoher Flankensteilheit kommt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zeitlichen Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Lasersystems in einer modengekoppelten zweiten Betriebsart II. Nach dem Starten der modengekoppelten Pulserzeugung zur Startzeit T0 wird bei dem in 1 beschrieben Lasersystem 1000 durch die λ/4-Wellenplatte 265 bei der mittleren Grundwelle λ des Mittels zur Modenkopplung 270 und den Polarisator 250 der Gütefaktor des Resonators 200 ohne eine an die Pockels-Zelle angelegte Spannung zunächst unterhalb der Laserschwelle gehalten. In der modengekoppelten Betriebsart II wird die Pockels-Zelle zunächst mit dem Anlegen einer Gleichspannung und einer AC-Modulation, mit einer Amplitude kleiner als die Gleichspannung, betätigt. Gleichzeitig wird eine Rechteckwellenmodulation mit einer Periode gleich der Umlaufzeit T im Resonator 200, was bei der in 1 gezeigten Ausführungsform einer Umlauffrequenz von etwa 300 MHz entspricht, oder einem ganzzahligen Vielfachen der Umlaufzeit T. In einer Ausführungsform mit zwei Pockels-Zellen innerhalb des Resonators 200 kann zur Vereinfachung der Ansteuerung die DC-Gleichspannung auch an die erste Pockels-Zelle und die AC-Modulation an die zweite Pockels-Zelle angelegt werden. Durch die DC-Gleichspannung wird die Lasertätigkeit zunächst in die Nähe der Laserschwelle gebracht. Bei der Rechteckmodulation kommt es anschließend zu einem mit der Umlaufzeit T periodisch modulierten Pulsumlauf innerhalb des Resonators 200. Bereits im Resonator 200 umlaufende Pulse können durch die Modulation phasenstabil mittels induzierter Emission weitere Energie aus dem Lasermedium 212 extrahieren, wobei extrem kurze und energiereiche Pulse erzeugt werden können. Nach einer bestimmten Zeitdauer wird anschließend zum Zeitpunkt T1 die Wechselstrommodulation auf Null gesetzt und zur Pulsauskopplung P die DC-Gleichspannung an der Pockels-Zelle des Mittels zur Modenkopplung 270 auf die Viertelwellenspannung eingestellt.
Bezugszeichenliste

100: Steuerungseinrichtung
200: Resonator
210: Verstärkungsbereich
212: Lasermedium
212a: erste Oberfläche
212b: zweite Oberfläche
214: Pumpquelle
230: Rückreflektor
240: Auskoppelspiegel
250: Polarisator
260: Mittel zur Güteschaltung
265: λ/4-Wellenplatte
270: Mittel zur Modenkopplung
280: Mittel zur Kompensation thermischer Effekte
300: Strahlführung
310: Mittel zur Strahlhomogenisierung
320: Abbildungssystem
330: Schutzbereich
1000: Lasersystem
O: Resonatorachse
T: Umlaufzeit
T0: Startzeit
T1: Zeitpunkt
T2: Betriebsartenwechsel
λ: mittlere Grundwelle
0: Pumpbetrieb
I: erste Betriebsart
II: zweite Betriebsart
P: Pulsauskopplung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5204867 A [0005]
US 7929579 B2 [0008, 0014]
US 4918704 A [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. De Silvestri et al., Opt. Lett. 19(9), 642–644 (1991) [0023]
Clarkson et al., Opt. Lett. 24(12), 820–822 (1999) [0024]

Claims

Lasersystem (1000) zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bei einer mittleren Grundwelle (λ), aufweisend eine Steuerungseinrichtung (100) und einen verlustbehafteten optischen Resonator (200), wobei der optische Resonator (200) folgende Baugruppen umfasst: einen Verstärkungsbereich (210) mit einem Lasermedium (212) und einer entsprechenden Pumpquelle (214); einen Rückreflektor (230); einen Auskoppelspiegel (240), welcher die gepulste Laserstrahlung bei der mittleren Grundwelle (λ) entlang der Resonatorachse (O) auskoppelt; einen Polarisator (250); ein Mittel zur Güteschaltung (260); und ein Mittel zur Modenkopplung (270); dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (100) ausgebildet ist, zwischen einer gütegeschalteten ersten Betriebsart (I) und einer modengekoppelten zweiten Betriebsart (II) unabhängig oder gekoppelt umzuschalten, wobei die Güte des Resonators: – in der ersten Betriebsart (I) durch das Mittel zur Güteschaltung (260) zu einem bestimmten Zeitpunkt (T1) geschaltet wird, und – in der zweiten Betriebsart (II) durch das Mittel zur Modenkopplung (270) abhängig von der Umlaufzeit (T) der im Resonator umlaufenden mittleren Grundwelle (λ) periodisch moduliert wird und zu einem bestimmten Zeitpunkt (T1) in Verstärkerbetrieb geschaltet wird.
Lasersystem (1000) nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Güteschaltung (260) und/oder das Mittel Modenkopplung (270) ein elektrooptischer Modulator ist.
Lasersystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Resonator (200) in einem transversalen Multimodebetrieb betrieben wird.
Lasersystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Resonator (200) um einen optisch instabilen Resonator mit einem gaußschen oder super-gaußschen Reflexionsspiegel als Rückreflektor (230) und/oder Auskoppelspiegel (240) handelt.
Lasersystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Mittel zur Kompensation thermischer Effekte (280) im Lasermedium (212).
Lasersystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Lasermedium (212) um einen über eine Blitzlampe oder eine Laserdiode als Pumpquelle (214) optisch gepumpten Nd:YAG Laserstab handelt.
Lasersystem (1000) nach Anspruch 6, wobei der Laserstab eine Antireflexbeschichtung und/oder eine Neigung der in Richtung der Resonatorachse (O) weisenden ersten Oberfläche (212a) und/oder der zweiten Oberfläche (212b) aufweist.
Lasersystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zur Güteschaltung (260) und/oder das Mittel zur Modenkopplung (270) über die im Resonator (200) umlaufende Laserleistung rückgekoppelt werden.
Lasersystem (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin eine Stahlführung (300) aufweisend, wobei die Strahlführung (300) umfasst: ein Mittel zur Homogenisierung (310); ein Abbildungssystem (320); und einen zur Strahlführung ausgebildeten evakuierten oder zumindest teilweise evakuierten Schutzbereich (330).
Verfahren zum Betrieb eines Lasersystem (1000) zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung umfassend: – Bereitstellen eines Lasersystems (1000) zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; – Pumpen des Lasermediums (212); – Anlegen einer DC-Gleichspannung, einer AC-Modulation oder einer DC-Gleichspannung mit AC-Modulation an das Mittel zur Güteschaltung (260) und/oder das Mittel Modenkopplung (270); und – Wechseln zwischen der gütegeschalteten ersten Betriebsart (I) und der modengekoppelten zweiten Betriebsart (II) durch unabhängiges oder gekoppeltes Umschalten.