DE102016108282B4

DE102016108282B4 - Laser system with superposition of temporally or spatially separate laser pulses

Info

Publication number: DE102016108282B4
Application number: DE102016108282.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Müller; Marco Kienel; Arno Klenke; Jens Limpert; Andreas Tünnermann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2036-05-05
Also published as: WO2017190930A1; DE102016108282A1

Abstract

Lasersystem (0) mit – wenigstens einer Laserpulsquelle (1), die Eingangslaserpulse (7) bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz erzeugt, – wenigstens einem Kombinationselement (8, 10), das zwei oder mehr der Eingangslaserpulse (7) in jeweils einem Ausgangslaserpuls (11) überlagert und so einen Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt, wobei dem Kombinationselement (8, 10) wenigstens ein Phasenstellelement (14, 15) zugeordnet ist, das die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls (11) überlagerten Eingangslaserpulse (7) beeinflusst, – einem Fehlersignaldetektor (16), der aus dem Ausgangslaserpulszug ein Fehlersignal (18) ableitet, und – einem Regler (19), der aus dem Fehlersignal (18) ein Regelsignal (20) zur Ansteuerung des Phasenstellelementes (14, 15) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlersignaldetektor (16) den Ausgangslaserpulszug periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz abtastet.Laser system (0) having - at least one laser pulse source (1) which generates input laser pulses (7) at an input repetition frequency, - at least one combination element (8, 10) which superimposes two or more of the input laser pulses (7) in each case an output laser pulse (11) and thus generates an output laser pulse train at an output repetition frequency, wherein the combination element (8, 10) is assigned at least one phase control element (14, 15) which influences the relative phase position of the input laser pulses (7) superposed in the output laser pulse (11), - an error signal detector ( 16), which derives an error signal (18) from the output laser pulse train, and - a controller (19) which forms from the error signal (18) a control signal (20) for driving the phase control element (14, 15), characterized in that Error signal detector (16) periodically samples the output laser pulse train at the output repetition frequency.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit

– wenigstens einer Laserpulsquelle, die Eingangslaserpulse bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz erzeugt,
– wenigstens einem Kombinationselement, das zwei oder mehr der Eingangslaserpulse in jeweils einem Ausgangslaserpuls überlagert und so einen Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt, wobei dem Kombinationselement wenigstens ein Phasenstellelement zugeordnet ist, das die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls überlagerten Eingangslaserpulse beeinflusst,
– einem Fehlersignaldetektor, der aus dem Ausgangslaserpulszug ein Fehlersignal ableitet, und
– einem Regler, der aus dem Fehlersignal ein Regelsignal zur Ansteuerung des Phasenstellelementes bildet.

The invention relates to a laser system with

At least one laser pulse source generating input laser pulses at an input repetition frequency,
At least one combination element which superimposes two or more of the input laser pulses in each case on an output laser pulse and thus generates an output laser pulse train at an output repetition frequency, wherein the combination element is assigned at least one phase adjustment element which influences the relative phase position of the input laser pulses superimposed in the output laser pulse,
An error signal detector deriving an error signal from the output laser pulse train, and
- A controller which forms a control signal for driving the phase adjusting element from the error signal.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, mit den Verfahrensschritten:

– Erzeugen von Eingangslaserpulsen bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz,
– Überlagern von zwei oder mehr Eingangslaserpulsen in jeweils einem Ausgangslaserpuls, wodurch ein Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt wird, wobei die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls überlagerten Eingangslaserpulse nach Maßgabe eines Regelsignals eingestellt wird,
– Ableitung eines Fehlersignals aus dem Ausgangslaserpulszug, und
– Bildung des Regelsignals aus dem Fehlersignal.

Moreover, the invention relates to a method for generating laser pulses, with the method steps:

Generating input laser pulses at an input repetition frequency,
Superimposing two or more input laser pulses in each case on an output laser pulse, whereby an output laser pulse train is generated at an output repetition frequency, wherein the relative phase position of the input laser pulses superposed in the output laser pulse is adjusted in accordance with a control signal,
- Derivation of an error signal from the output laser pulse train, and
- Formation of the control signal from the error signal.

Die Leistungsfähigkeit von optischen Elementen, z.B. von Laserverstärkern, spektralen Verbreiterungselementen, Transportfasern, Optiken (z.B. Spiegeloberflächen, Substrate, Linsen) usw. ist durch verschiedene physikalische Effekte begrenzt. Dabei ist zwischen der Durchschnittsleistung und der bei gepulsten Systemen wichtigen Pulsspitzenleistung zu unterscheiden. Eine Begrenzung ist auf thermische Effekte zurückzuführen, welche ab einer gewissen Durchschnittsleistung auftreten und von der Geometrie des Elementes sowie äußeren Einflüssen abhängen. Als ein Beispiel für diese Effekte kann bei klassischen Festkörperlasern eine Veränderung des Ausgangsstrahls aufgrund des Auftretens einer thermischen Linse angeführt werden. Bei Faserverstärkern stellt dagegen das Auftreten von Modeninstabilitäten durch thermische Effekte eine Begrenzung der erreichbaren mittleren Ausgangsleistung dar. The performance of optical elements, e.g. laser amplifiers, spectral broadening elements, transport fibers, optics (e.g., mirror surfaces, substrates, lenses), etc. are limited by various physical effects. A distinction must be made between the average power and the pulse peak power important in pulsed systems. A limitation is due to thermal effects, which occur above a certain average power and depend on the geometry of the element and external influences. As an example of these effects, in classical solid-state lasers, a change in the output beam due to the appearance of a thermal lens may be cited. In the case of fiber amplifiers, on the other hand, the occurrence of mode instabilities due to thermal effects represents a limitation of the achievable average output power.

Bei hohen Pulsspitzenleistungen treten darüber hinaus nichtlineare Effekte im Medium auf, wie z.B. Selbstphasenmodulation. Diese sorgen für eine räumliche bzw. zeitliche Veränderung der Phase der Laserstrahlung. Im zeitlichen Bereich kann es deshalb zu einer nicht gewünschten Verformung des Laserpulses kommen, was vor allem bei Laserpulsen mit hoher Bandbreite zu einer Verringerung der Pulsqualität und Verlängerung der Pulsdauer führt. Im räumlichen Bereich können diese nichtlinearen Effekte zur Selbstfokussierung des Strahls führen, was eine Zerstörung des jeweiligen Mediums hervorrufen kann. Neben der Begrenzung der maximal möglichen Pulsspitzenleistung in Verbindung mit einer gegebenen Pulsform bzw. Pulslänge bewirken nichtlineare Effekte auch eine Begrenzung der maximalen Pulsenergie. Zusätzlich sind Beschädigungen der Oberflächen des Mediums bei hohen Pulsspitzenleistungen oder Pulsenergien möglich, welche ebenfalls eine Begrenzung darstellen können. At high pulse peak powers, moreover, nonlinear effects occur in the medium, e.g. Self-phase modulation. These provide for a spatial or temporal change in the phase of the laser radiation. In the temporal range, therefore, an unwanted deformation of the laser pulse can occur, which leads to a reduction in pulse quality and prolongation of the pulse duration, especially in the case of laser pulses with a high bandwidth. In the spatial domain, these non-linear effects can lead to self-focusing of the beam, which can cause destruction of the respective medium. In addition to limiting the maximum possible pulse peak power in conjunction with a given pulse shape or pulse length, nonlinear effects also limit the maximum pulse energy. In addition, damage to the surfaces of the medium at high pulse peak powers or pulse energies are possible, which may also constitute a limitation.

Verschiedene Ansätze zur Überwindung dieser Begrenzungen und zur Steigerung der erreichbaren mittleren Ausgangsleistung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Various approaches to overcoming these limitations and increasing the achievable average output power are known in the art.

Zum Beispiel existieren Ansätze zur Vermeidung von Limitierungen in Bezug auf die optische Verstärkung und die spektrale Verbreiterung. For example, there are approaches to avoiding limitations in terms of optical amplification and spectral broadening.

Durch Vergrößerung der Strahlfläche ist es möglich, die Leistungsdichte bzw. die Pulsspitzenintensitäten in den verwendeten optischen Elementen zu reduzieren. Ein Beispiel beim Einsatz von faseroptischen Elementen ist die Verwendung von so genannten Large-Mode-Area Fasern. Dies ermöglicht aufgrund der größeren Strahlfläche eine entsprechende Erhöhung der Pulsspitzenleistung ohne nachteilige Auswirkungen. By enlarging the beam area, it is possible to reduce the power density or the pulse peak intensities in the optical elements used. An example of the use of fiber optic elements is the use of so-called large-mode-area fibers. This allows due to the larger beam area a corresponding increase in pulse peak power without adverse effects.

Durch Verwendung von beispielsweise zirkular polarisierten Laserpulsen kann die Stärke des Kerr-Effekts herabgesetzt werden, welcher u.a. für das Auftreten der Selbstfokussierung verantwortlich ist. By using, for example, circularly polarized laser pulses, the strength of the Kerr effect can be reduced, which i.a. responsible for the occurrence of self-focusing.

Durch eine zeitliche Streckung der Laserpulse kann die Pulsspitzenleistung in einem Medium herabgesetzt werden, was als Chirped-Pulse-Amplification (CPA) dem Stand der Technik entspricht. By a temporal extension of the laser pulses, the pulse peak power can be reduced in a medium, which corresponds to the prior art as Chirped Pulse Amplification (CPA).

Durch Manipulation der spektralen Phasen oder Amplituden kann eine Degradation der Pulsqualitat durch nichtlineare Effekte kompensiert werden. By manipulating the spectral phases or amplitudes, a degradation of the pulse quality can be compensated by non-linear effects.

Bei der so genannten Divided Pulse Amplification (DPA) bzw. Divided Pulse Nonlinear Compression (DPNLC) erfolgt eine Aufteilung eines Laserpulses in mehrere zeitlich getrennte Pulsreplika. Nach der Verstärkung bzw. Verbreiterung der Pulse des Pulszuges erfolgt eine Rekombination in einem Laserpuls. Hierzu werden Kombinationselemente verwendet, die zwei oder mehr der aufgeteilten Laserpulse in jeweils einem Ausgangslaserpuls überlagern. Aufgrund der zeitlichen Aufteilung ist die Pulsspitzenleistung jeder Pulsreplika kleiner als diejenige eines einzelnen Laserpulses. In Divided Pulse Amplification (DPA) or Divided Pulse Nonlinear Compression (DPNLC), a laser pulse is split into several chronologically separated pulse replicas. After amplification or broadening of the pulses of the pulse train, recombination takes place in a laser pulse. For this purpose, combination elements are used which superpose two or more of the divided laser pulses in each case in an output laser pulse. Due to the time distribution, the pulse peak power of each pulse replica is smaller than that of a single laser pulse.

Räumlich getrennte Verstärker bzw. Verbreiterungselemente können verwendet werden, wobei eine Aufspaltung des Eingangsstrahls mittels Strahlteilern in mehrere Strahlen erfolgt. Diese werden in mehreren räumlich getrennten, unabhängigen optischen Elementen/Kanälen verstärkt bzw. spektral verbreitert und schließlich wieder in einem Strahl kombiniert. Dabei ist zwischen der Kombination von Signalen gleicher oder unterschiedlicher Spektren zu unterscheiden. Bei der spektral gleichen Kombination propagieren in den verschiedenen Kanälen die gleichen spektralen Komponenten, es findet am Strahlteiler nur eine Teilung der Leistung statt. Bei der spektralen Kombination hingegen findet zusätzlich noch eine spektrale Teilung des Eingangssignals statt. Kombinationen beider Verfahren sind möglich. Spatially separated amplifiers or broadening elements can be used, with a splitting of the input beam by means of beam splitters into a plurality of beams. These are amplified or spectrally broadened in several spatially separated, independent optical elements / channels and finally combined again in one beam. In this case, a distinction must be made between the combination of signals of the same or different spectra. In the same spectral combination propagate in the different channels, the same spectral components, it takes place at the beam splitter only a division of power. In the case of the spectral combination, on the other hand, there is additionally a spectral division of the input signal. Combinations of both methods are possible.

Die zeitliche Phasenlage der einzelnen Laserpulse ist für die Überlagerung von fundamentaler Bedeutung, welche im sub-Wellenlängenbereich korrekt sein muss, um die gewünschte maximale Leistung zu erhalten. In einigen Fällen kann aufgrund des Aufbaus gewährleistet werden, dass diese Bedingung durchgehend erfüllt ist. Ansonsten kann eine aktive Stabilisierung der Phasenlagen nötig sein. Im gepulsten Betrieb muss der möglichst genaue zeitliche Überlapp der einzelnen Pulse bei der Kombination gewährleistet werden. Eine Abweichung führt zu einer Verringerung der Kombinationseffizienz. Bei der spektral gleichen Kombination sollten die einzelnen Laserpulse in den Kanälen selbst möglichst identische Phasen- bzw. Amplitudenprofile aufweisen. Abweichungen können hier ebenfalls zu einer Verringerung der Kombinationseffizienz führen. The temporal phase of the individual laser pulses is of fundamental importance for the superimposition, which must be correct in the sub-wavelength range in order to obtain the desired maximum power. In some cases, due to the structure, it can be ensured that this condition is fulfilled throughout. Otherwise, an active stabilization of the phase angles may be necessary. In pulsed operation, the most accurate temporal overlap of the individual pulses in the combination must be ensured. Deviation leads to a reduction in the combination efficiency. In the spectrally identical combination, the individual laser pulses in the channels themselves should have as identical as possible phase or amplitude profiles. Deviations can also lead to a reduction in the combination efficiency here.

Typischerweise kommt ein aktive Stabilisierung auf Basis eines Regelkreises mit einem Fehlersignaldetektor zum Einsatz, der aus dem Laserpulszug der rekombinierten, d.h. überlagerten Laserpulse ein Fehlersignal ableitet, wobei ein Regler aus dem Fehlersignal ein Regelsignal zur Ansteuerung von den Kombinationselementen jeweils zugeordneten Phasenstellelementen bildet (vgl. Zhou et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., Bd. 15, S. 248–256, 2009). Typically, active stabilization based on a closed-loop control loop with an error signal detector is used which recombines from the laser pulse train, i. superimposed laser pulses derives an error signal, wherein a controller from the error signal forms a control signal for driving the combination elements respectively associated phase adjusting elements (see Zhou et al., IEEE J. Sel. Top Quantum Electron., Vol. 15, p 248- 256, 2009).

Solche aktiven Stabilisierungsmethoden gleichen durch die Phasenstellelemente Schwankungen der optischen Weglängen der überlagerten Laserpulse aus. Phasenstellelemente können z.B. piezogesteuerte Spiegelhalter, elektrooptische oder thermooptische Phasenmodulatoren sein. Der Regelkreis basiert typischerweise auf einem am Systemausgang erzeugten Fehlersignal, aus dem das Regelsignal zur Phasenkorrektur abgeleitet wird. Dabei wird ein kleiner Teil des Ausgangslaserpulszuges abgespalten und als Rohsignal zur Erzeugung des Fehlersignals genutzt, während der Großteil des Ausgangslaserpulszuges für die jeweilige Anwendung zur Verfügung steht. Such active stabilization methods compensate for fluctuations in the optical path lengths of the superposed laser pulses by the phase adjusting elements. Phase actuators may e.g. be piezogesteuerte mirror holder, electro-optical or thermo-optical phase modulators. The control loop is typically based on an error signal generated at the system output, from which the control signal is derived for phase correction. In this case, a small part of the Ausgangslaserpulszuges is split off and used as a raw signal to generate the error signal, while the majority of Ausgangslaserpulszuges is available for the particular application.

Es sind verschiedene Ansätze und Komponenten zur Kombination von (räumlich und/oder zeitlich separat propagierenden) Laserpulsen bekannt. There are various approaches and components for combining (spatially and / or temporally separately propagating) laser pulses known.

Zum Beispiel können Strahlen mit Hilfe von 1:2-Strahlteilern kombiniert werden. Ein 1:2-Strahlteiler kann mit Hilfe eines polarisationsabhängigen Strahlteilers (Polarisationsstrahlteiler) bzw. einer teilreflektiven Oberfläche (Intensitätsstrahlteiler) realisiert werden. Durch Kaskadierung ist mit mehreren dieser Strahlteiler eine 1:N Teilung realisierbar. Die Erzeugung von N Teilstrahlen ist damit möglich. Das gleiche Prinzip kann auch für die Kombination, d.h. die Überlagerung mehrerer Teilstrahlen in einem Ausgangsstrahl verwendet werden. Für einen 1:32 Strahlteiler sind z.B. 31 1:2-Strahlteiler (Polarisationsstrahlteiler oder Intensitätsstrahlteiler) nötig. For example, beams can be combined using 1: 2 beam splitters. A 1: 2 beam splitter can be realized with the aid of a polarization-dependent beam splitter (polarization beam splitter) or a partially reflective surface (intensity beam splitter). By cascading, a 1: N division can be achieved with several of these beam splitters. The generation of N partial beams is thus possible. The same principle can also be applied to the combination, i. the superposition of multiple sub-beams are used in an output beam. For a 1:32 beam splitter, e.g. 31 1: 2 beam splitters (polarization beam splitter or intensity beam splitter) required.

In einem System mit kaskadierten Kombinationselementen zur Überlagerung zeitlich und räumlich separater Laserpulse, wobei den Kombinationselementen jeweils ein Phasenstellelement zugeordnet ist, wird das Fehlersignal typischerweise nur nach dem letzten Kombinationsschritt detektiert. Nachteilig ist, dass der resultierende Regelkreis dann mehrere stabile Zustände aufweisen kann, so dass eine zuverlässige Regelung nicht möglich ist. In a system with cascaded combination elements for superposing spatially and spatially separate laser pulses, the combination elements each having a phase adjustment element associated with it, the error signal is typically detected only after the last combination step. The disadvantage is that the resulting control loop can then have several stable states, so that a reliable control is not possible.

Mueller, M. et al. („Phase stabilization of spatiotemporally multiplexed ultrafast amplifiers“, Optics Express, Band 24, Nr. 8, 2016, Seiten 7893 bis 7904) beschreiben ein Lasersystem und ein Verfahren nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 bzw. 17 und 18, wobei die Phasenregelung auf einer LOCSET-Technik beruht. Mueller, M. et al. ("Phase stabilization of spatiotemporally multiplexed ultrafast amplifiers", Optics Express, Vol. 24, No. 8, 2016, pages 7893 to 7904) describe a laser system and a method according to the preambles of claims 1 and 7 or 17 and 18, wherein the Phase control based on a LOCSET technique.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Lasersystem mit aktiv stabilisierter Kombination von zeitlich und räumlich separaten Eingangslaserpulsen zu Ausgangslaserpulsen hoher Leistung bereit zu stellen.The object of the invention is to provide a comparison with the prior art improved laser system with actively stabilized combination of temporally and spatially separate input laser pulses to output laser pulses high power.

Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Lasersystem der eingangs angegebenen Art dadurch, dass der Fehlersignaldetektor den Ausgangslaserpulszug periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz abtastet. This object is achieved by the invention on the basis of a laser system of the type specified at the outset in that the error signal detector periodically scans the output laser pulse train at the output repetition frequency.

Erfindungsgemäß erfolgt, anders ausgedrückt, die Detektion des Fehlersignals pro Pulszyklus jeweils nur während eines (schmalen) Zeitfensters. Die Detektion des Fehlersignals in dieser Weise ermöglicht es, das dem globalen Maximum der Ausgangsleistung zugeordnete (minimale) Fehlersignal eindeutig zu identifizieren. Damit ist eine zuverlässige Stabilisierung möglich, auch wenn eine Vielzahl von kaskadierten Kombinationselementen mit diesen jeweils zugeordneten Phasenstellelementen in die Regelung einbezogen ist. In other words, according to the invention, the detection of the error signal per pulse cycle takes place only during a (narrow) time window. The detection of the error signal in this way allows the (minimum) error signal associated with the global maximum of the output power clearly identifiable. For a reliable stabilization is possible, even if a plurality of cascaded combination elements with these respectively associated phase actuators is included in the scheme.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Abtastdauer, d.h. die zeitliche Dauer jedes Abtastvorgangs bzw. die Breite des Zeitfensters der Fehlersignaldetektion, kleiner als die inverse Eingangsrepetitionsfrequenz. Das bedeutet, dass die Dauer des zeitlichen Fensters der Abtastung des Fehlersignals kleiner oder gleich dem minimalen zeitlichen Abstand der Eingangslaserpulse ist. Dabei wird zweckmäßig die Lage des zeitlichen Fensters, d.h. der Zeitpunkt jedes Abtastvorgangs, so gewählt, dass er entsprechend der Laufzeit der Laserpulse durch das Lasersystem demjenigen Zeitpunkt entspricht, zu dem bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse der Ausgangslaserpuls jeweils am Ort des Detektors eintrifft. Durch die aufgrund des Aufbaus des Lasersystems vorab bekannte Laufzeit der Laserpulse ist der Zeitpunkt, zu dem der durch phasenrichtige Überlagerung erzeugte Ausgangslaserpuls jeweils am Ort des Detektors zu erwarten ist, eindeutig definiert. Wird erfindungsgemäß nur zu diesem Zeitpunkt das Fehlersignal detektiert, ergibt sich daraus vorteilhaft ein eindeutiges Fehlersignal mit nur einem stabilen Zustand der Regelung. In a preferred embodiment, the sampling duration, i. the duration of each scan or the width of the time window of the error signal detection, less than the inverse input repetition frequency. This means that the duration of the temporal window of the sampling of the error signal is less than or equal to the minimum time interval of the input laser pulses. In this case, the position of the temporal window, i. the time of each scanning operation, chosen so that it corresponds to the time of the laser pulses corresponding to the time of the laser pulses at the time at which arrives at the correct position of the input laser pulses, the output laser pulse in each case at the location of the detector. By virtue of the runtime of the laser pulses, which is known in advance as a result of the structure of the laser system, the time at which the output laser pulse generated by phase-correct superimposition is to be expected in each case at the location of the detector is clearly defined. If according to the invention the error signal is detected only at this point in time, this advantageously results in a unique error signal with only one stable state of the control.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasersystems umfasst der Fehlersignaldetektor zur Abtastung des Ausgangslaserpulszuges einen optischen Schalter. Der optische Schalter wird aktiviert bzw. deaktiviert, um das Zeitfenster für die Detektion des Fehlersignals festzulegen. Bei dem optischen Schalter kann es sich z.B. um einen elektrooptischen Modulator oder einen akustooptischen Modulator oder auch um ein Chopperrad handeln. In a preferred embodiment of the laser system according to the invention, the error signal detector for scanning the Ausgangslaserpulszuges comprises an optical switch. The optical switch is activated or deactivated to set the time window for the detection of the error signal. The optical switch may be e.g. to act an electro-optical modulator or an acousto-optic modulator or even a chopper wheel.

Alternativ kann der Fehlersignaldetektor einen elektronischen Schalter aufweisen, der, analog einer üblichen Sample-and-Hold-Schaltung, ein zuvor aus dem Ausgangslaserpulszug abgeleitetes elektrisches Signal erfindungsgemäß periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz zu den geeigneten Zeitpunkten abtastet. Alternatively, the error signal detector may comprise an electronic switch which, according to a conventional sample-and-hold circuit, periodically scans an electrical signal previously derived from the output laser pulse train at the output repetition frequency at the appropriate times.

Bei einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasersystems sind die in dem Ausgangslaserpuls jeweils überlagerten Eingangslaserpulse unterschiedlich polarisiert, wobei der Fehlersignaldetektor einen Hänsch-Couillaud-Detektor umfasst. Das bekannte Hänsch-Couillaud-Verfahren basiert auf der Erfassung der Leistung in zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen, wobei die relative Phasenlage des elektromagnetischen Feldes in den beiden Polarisationsrichtungen, d.h. die Elliptizität der Polarisation, erfasst wird. Werden mit dem erfindungsgemäßen System orthogonal polarisierte Eingangslaserpulse in dem Ausgangspulszug überlagert, ist die Polarisation bei phasenrichtiger Überlagerung linear. Bei Verwendung eines Hänsch-Couillaud-Detektors als Fehlersignaldetektor muss für das in jeder Polarisationsrichtung verwendete Detektionselement ein individuelles Zeitfenster für die periodische Abtastung entsprechend der jeweiligen Pulslaufzeit definiert werden. In a possible embodiment of the laser system according to the invention, the input laser pulses respectively superposed in the output laser pulse are polarized differently, wherein the error signal detector comprises a Hänsch-Couillaud detector. The well-known Hänsch-Couillaud method is based on the detection of power in two orthogonal polarization directions, the relative phase of the electromagnetic field in the two directions of polarization, i. the ellipticity of polarization is detected. If orthogonally polarized input laser pulses are superimposed in the output pulse train with the system according to the invention, the polarization is linear with phase-correct superimposition. If a Hänsch-Couillaud detector is used as the error signal detector, an individual time window for the periodic sampling corresponding to the respective pulse transit time must be defined for the detection element used in each polarization direction.

Bei der Kombination gleichartig polarisierter Eingangslaserpulse können für die Regelung bekannte Dithering-Techniken (z.B. das so genannte LOCSET-Verfahren) oder stochastische Methoden (z.B. das sogenannte SPGD-Verfahren) verwendet werden, wobei durch Erzeugung eines definierten, zeitlich modulierten Phasenfehlers das Fehlersignal mittels nur eines Detektors aus dem Ausgangslaserpulszug abgeleitet werden kann. In the combination of similarly polarized input laser pulses known for the control dithering techniques (eg the so-called LOCSET method) or stochastic methods (eg the so-called SPGD method) can be used, by generating a defined, time-modulated phase error, the error signal by means of only a detector can be derived from the Ausgangslaserpulszug.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird ausgehend von einem Lasersystem der eingangs genannten Art auch dadurch gelöst, dass der Fehlersignaldetektor die momentane Leistung des Ausgangslaserpulszuges bewertet. Dabei wird ausgenutzt, dass die Leistung des Ausgangslaserpulszuges bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse maximal ist. Durch geeignete Bewertung der momentanen Leistung kann eine eindeutige Stabilisierung des Lasersystems erreicht werden. The object of the invention is based on a laser system of the type mentioned also solved in that the error signal detector evaluates the instantaneous power of the Ausgangslaserpulszuges. It is exploited that the power of the output laser pulse train is maximum in the case of in-phase superimposition of the input laser pulses. By suitable evaluation of the instantaneous power, a clear stabilization of the laser system can be achieved.

Hierzu kann z.B. die Regelung so eingerichtet sein, dass der Fehlersignaldetektor das Fehlersignal nur bildet, wenn die momentane Leistung einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Dabei wird ausgenutzt, dass lokale Extrema der Leistung im Ausgangslaserpulszug bei der Fehlersignaldetektion ausgeblendet werden, die den Schwellenwert nicht erreichen. Nur das globale Leistungsmaximum, das sich bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse im Ausgangslaserpulszug einstellt, wird bei der Fehlersignaldetektion berücksichtigt. Daraus resultiert eine zuverlässige und eindeutige Stabilisierung des Lasersystems. For this, e.g. the controller is set up such that the error signal detector only forms the error signal if the instantaneous power exceeds a predefinable threshold value. This exploits the fact that local extremes of the power in the output laser pulse train are masked out during the error signal detection, which do not reach the threshold value. Only the global power maximum, which occurs with phase-correct superposition of the input laser pulses in the output laser pulse train, is taken into account in the error signal detection. This results in a reliable and unambiguous stabilization of the laser system.

Zur zuverlässigen Detektion des globalen Maximums der Ausgangsleistung sollte der Schwellenwert 50–95 %, vorzugsweise ca. 70–80%, idealerweise mindestens 75 % derjenigen Leistung entsprechen, die bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse im Ausgangslaserpulszug zu erwarten ist. For reliable detection of the global maximum of the output power, the threshold value should correspond to 50-95%, preferably approximately 70-80%, ideally at least 75%, of that power which is to be expected in the output laser pulse train with in-phase superimposition of the input laser pulses.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasersystems umfasst der Fehlersignaldetektor wenigstens eine Photodiode, die die momentane Intensität des Ausgangslaserpulszuges detektiert. Die Detektionsbandbreite der Photodiode muss dabei hinreichend hoch sein. Bei erfindungsgemäßer periodischer Abtastung des Ausgangslaserpulszuges mit einer zeitlichen Dauer des Abtastvorgangs, die kleiner ist als die inverse Eingangsrepetitionsfrequenz, muss entsprechend die Detektionsbandbreite der Fotodiode mindestens gleich der Eingangsrepetitionsfrequenz sein. In a preferred embodiment of the laser system according to the invention, the error signal detector comprises at least one photodiode which detects the instantaneous intensity of the output laser pulse train. The detection bandwidth of the photodiode must be sufficiently high. In inventive periodic sampling of the Output laser pulse train having a time duration of the sampling operation which is smaller than the inverse input repetition frequency, must accordingly be the detection bandwidth of the photodiode at least equal to the input repetition frequency.

Bei bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lasersystems umfasst das Kombinationselement ein optisches Interferometer. Zur Kombination der Eingangslaserpulse können z.B. Polarisationsstrahlteiler und/oder Intensitätsstrahlteiler in kaskadierter Anordnung entsprechend der Anzahl der Eingangslaserpulse, die jeweils in einem Ausgangslaserpulszug überlagert werden sollen, zum Einsatz kommen. Als Phasenstellelemente, die besonders einfach realisierbar sind, eignen sich optische Verzögerungsstrecken, deren Länge nach Maßgabe des Regelsignals variabel ist. Z.B. können Umlenkspiegel der optischen Verzögerungsstrecken auf Aktoren montiert sein, die bei entsprechender Ansteuerung die optische Verzögerungsstrecke verlängern bzw. verkürzen. In preferred embodiments of the laser system according to the invention, the combination element comprises an optical interferometer. For combining the input laser pulses, e.g. Polarization beam splitter and / or intensity beam splitter in a cascaded arrangement according to the number of input laser pulses, which are to be superimposed in each case in a Ausgangslaserpulszug used. As phase adjusting elements, which are particularly easy to implement, suitable optical delay lines whose length is variable in accordance with the control signal. For example, deflection mirrors of the optical delay lines can be mounted on actuators that extend or shorten the optical delay path with appropriate control.

Die Erfindung betrifft nicht nur ein Lasersystem, sondern auch ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

– Erzeugen von Eingangslaserpulsen bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz,
– Überlagern von zwei oder mehr Eingangslaserpulsen in jeweils einem Ausgangslaserpuls, wodurch ein Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt wird, wobei die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls überlagerten Eingangslaserpulse eingestellt wird,
– Ableitung eines Fehlersignals aus dem Ausgangslaserpulszug, und
– Bildung eines Regelsignals zur Ansteuerung des Phasenstellelementes aus dem Fehlersignal. Dabei wird erfindungsgemäß, wie oben erläutert, entweder der Ausgangslaserpulszug zur Ableitung des Fehlersignals periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz abgetastet. Alternativ wird die momentane Leistung des Ausgangslaserpulszuges bewertet, wobei die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls überlagerten Eingangslaserpulse nach Maßgabe des Regelsignals nur eingestellt wird, wenn die momentane Leistung einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.

The invention relates not only to a laser system but also to a method of generating laser pulses. The method comprises the following method steps:

Generating input laser pulses at an input repetition frequency,
Superimposing two or more input laser pulses in each case on an output laser pulse, whereby an output laser pulse train is generated at an output repetition frequency, wherein the relative phase position of the input laser pulses superimposed in the output laser pulse is set,
- Derivation of an error signal from the output laser pulse train, and
- Forming a control signal for driving the phase adjusting element from the error signal. In this case, according to the invention, as explained above, either the output laser pulse train for deriving the error signal is sampled periodically at the output repetition frequency. Alternatively, the instantaneous power of the output laser pulse train is evaluated, the relative phase position of the input laser pulses superposed in the output laser pulse being adjusted in accordance with the control signal only if the instantaneous power exceeds a predefinable threshold value.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. Show it:

1: schematische Darstellung eines Lasersystems mit Aufteilung, Verstärkung und Rekombination von Laserpulsen; 1 : schematic representation of a laser system with division, amplification and recombination of laser pulses;

2: schematische Darstellung der Kombination von Laserpulsen mittels Polarisations- und Intensitätsstrahlteilern; 2 : schematic representation of the combination of laser pulses by means of polarization and intensity beam splitters;

3: erfindungsgemäßes Lasersystem als Blockdiagramm; 3 : Laser system according to the invention as a block diagram;

4: Illustration der erfindungsgemäßen Detektion des Fehlersignals während eines begrenzten Zeitfensters; 4 : Illustration of the detection of the error signal according to the invention during a limited time window;

5: erfindungsgemäße Fehlersignaldetektion mit optischem Schalter; 5 : fault signal detection according to the invention with optical switch;

6: erfindungsgemäße Fehlersignaldetektion mit elektronischem Schalter; 6 : fault signal detection according to the invention with electronic switch;

7: erfindungsgemäße Fehlersignaldetektion mit Bewertung der Ausgangsleistung. 7 : Error signal detection according to the invention with evaluation of the output power.

Die Erfindung geht aus von einem Lasersystem, das grundsätzlich wie in 1 dargestellt aufgebaut ist. Das insgesamt mit 0 bezeichnete Lasersystem umfasst eine Laserpulsquelle, die in der 1 mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Die Laserpulsquelle 1 umfasst einen Oszillator 2, beispielsweise in Form eines herkömmlichen und kommerziell verfügbaren modengekoppelten Faserlasers, der Laserpulse 3 bei einer Repetitionsfrequenz emittiert. In einem Aufteilungselement 4 erfolgt eine zeitliche Pulsteilung. Jeder Laserpuls 3 wird in N zeitlich getrennte Pulsreplika aufgeteilt. Dabei sollte N eine Potenz von 2 sein (N = 2ⁿ). Dabei erhöht sich entsprechend die Repetitionsfrequenz um den Faktor N. In einem weiteren Aufteilungselement 5 erfolgt eine räumliche Pulsteilung. Der Strahl der Laserpulse wird auf M räumlich separate Strahlen aufgeteilt. Danach propagiert die Laserstrahlung in M verschiedenen Kanälen. In jedem der Kanäle ist ein optischer Verstärker 6 angeordnet, der die Laserpulse verstärkt. Bei den Verstärkern 6 handelt es sich z.B. um optisch gepumpte Verstärkerfasern. Am Ausgang der Laserpulsquelle 1 stehen im Sinne der Erfindung Eingangslaserpulse 7 bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz in M räumlich separaten Kanälen zur Verfügung. The invention is based on a laser system, which basically as in 1 is shown constructed. The total with 0 designated laser system comprises a laser pulse source, which in the 1 with the reference number 1 is designated. The laser pulse source 1 includes an oscillator 2 For example, in the form of a conventional and commercially available mode-locked fiber laser, the laser pulses 3 emitted at a repetition frequency. In a distribution element 4 there is a time division of pulses. Every laser pulse 3 is divided into N temporally separate pulse replica. N should be a power of 2 be (N = 2 ⁿ ). Correspondingly, the repetition frequency increases by the factor N. In another distribution element 5 a spatial Pulsteilung occurs. The beam of the laser pulses is split into M spatially separate beams. Thereafter, the laser radiation propagates in M different channels. In each of the channels is an optical amplifier 6 arranged, which amplifies the laser pulses. At the amplifiers 6 For example, these are optically pumped amplifier fibers. At the output of the laser pulse source 1 are within the meaning of the invention input laser pulses 7 at an input repetition frequency in M spatially separate channels.

Ein Kombinationselement 8 ist vorgesehen, in dem eine räumliche Pulskombination erfolgt, analog zur Aufteilung in dem Aufteilungselement 4. Am Ausgang des Kombinationselementes 8 haben die Laserpulse 9 eine entsprechend höhere Leistung. Die Laserpulse liegen nach wie vor bei der Eingangsrepetitionsfrequenz vor. Die räumliche Pulskombination erfolgt komplementär zu der räumlichen Pulsteilung in dem Aufteilungselement 5 im Verhältnis M:1. Am Ausgang des Kombinationselementes 8 liegt somit wiederum nur ein einzelner Strahl vor, in dem die Laserpulse 9 räumlich zusammen propagieren. In dem weiteren Kombinationselement 10 erfolgt eine zeitliche Pulskombination im Verhältnis N:1, d.h. komplementär zu der zeitlichen Pulsteilung in dem Aufteilungselement 4. Dies bewirkt, dass am Ausgang des Kombinationselementes 10 die Ausgangslaserpulse 11 in einem Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz zur Verfügung stehen, die der Repetitionsfrequenz des Oszillators 2 entspricht. A combination element 8th is provided, in which a spatial pulse combination takes place, analogous to the division in the distribution element 4 , At the exit of the combination element 8th have the laser pulses 9 a correspondingly higher performance. The laser pulses are still present at the input repetition frequency. The spatial pulse combination is complementary to the spatial Pulsteilung in the distribution element 5 in the ratio M: 1. At the exit of the combination element 8th Thus again there is only a single beam in which the laser pulses 9 spatially propagate together. In the further combination element 10 occurs a time pulse combination in the ratio N: 1, ie complementary to the time division of pulses in the partitioning element 4 , This causes the output of the combination element 10 the output laser pulses 11 are available in an output laser pulse train at an output repetition frequency equal to the repetition frequency of the oscillator 2 equivalent.

Den Kombinationselementen 8 und 10 sind (in 1 nicht dargestellte) Phasenstellelemente zugeordnet, die die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls 11 überlagerten Eingangslaserpulse beeinflussen. Zur Phasenstellung kommen z.B. optische Verzögerungsstrecken zum Einsatz, worauf weiter unten in Bezug auf die 2 noch näher eingegangen wird. Zur Kombination der M räumlich separaten Kanäle sind zumindest M – 1 Phasenstellelemente erforderlich, um die relativen Phasenlagen der überlagerten Laserpulse jeweils paarweise beeinflussen zu können. Das die zeitliche Kombination durchführende Kombinationselement 10 benötigt maximal N Phasenstellelemente, um die relativen Phasenlagen bei der Überlagerung der Laserpulse 9 in dem Ausgangslaserpuls 11, wiederum paarweise, beeinflussen zu können. Somit weist das System in Bezug auf die Phasenstellung bis zu M + N – 1 Freiheitsgrade auf, die bei der Stabilisierung des Lasersystems zu berücksichtigen sind. The combination elements 8th and 10 are in 1 not shown) phase adjusting elements associated with the relative phase position in the output laser pulse 11 influence superposed input laser pulses. For phase adjustment, for example, optical delay lines are used, which will be described below with respect to the 2 will be discussed in more detail. To combine the M spatially separate channels, at least M-1 phase adjustment elements are required in order to be able to influence the relative phase angles of the superimposed laser pulses in pairs. The temporal combination performing combination element 10 requires a maximum of N phase control elements to the relative phase angles in the superposition of the laser pulses 9 in the output laser pulse 11 in turn, in pairs, to be able to influence. Thus, with respect to the phase position, the system has up to M + N - 1 degrees of freedom to consider when stabilizing the laser system.

Die 2 illustriert schematisch die erfindungsgemäße Kombination von Laserpulsen mittels binärer Strahlteiler, bei denen es sich um Polarisations- oder Intensitätsstrahlteiler handeln kann. In den 2a) und 2b) erfolgt die Kombination von jeweils vier zeitlich separaten Laserpulsen 9 zu einem Ausgangslaserpuls 11 (Strahlrichtung von rechts nach links). In 2a) kommt hierzu eine Kaskade von insgesamt vier Polarisationsstrahlteilern 12 in Kombination mit Wellenplatten 13 zum Einsatz. Durch Punkte und Pfeile ist die Polarisation der einzelnen Laserpulse angedeutet. Die zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend eintreffenden Laserpulse 9 haben jeweils orthogonale lineare Polarisation. Die von den Laserpulsen 9 durchlaufenen binären Polarisationsstrahlteiler 12 sind über optische Verzögerungsstrecken 14 miteinander verbunden. Jede Verzögerungsstrecke 14 erzeugt einen zeitlichen Verzug derjenigen Laserpulse, die über die Verzögerungsstrecke 14 von dem jeweils in Strahlrichtung ersten Polarisationsstrahlteiler 12 zu dem jeweils zweiten Polarisationsstrahlteiler 12 gelangen, gegenüber denjenigen Laserpulsen, die direkt vom ersten Polarisationsstrahlteiler 12 zum zweiten Polarisationsstrahlteiler 12 gelangen. Die zeitliche Verzögerung ist dabei so bemessen, dass am Ausgang des zweiten Polarisationsstrahlteilers 12 jeweils zwei der Laserpulse zeitlich koinzidieren. Am Ausgang des in Strahlrichtung ersten Paares von Polarisationsstrahlteilern 12 ist somit die Repetitionsfrequenz gegenüber der Repetitionsfrequenz der Laserpulse 9 halbiert. In entsprechender Weise erfolgt eine weitere Halbierung der Repetitionsfrequenz durch das in Strahlrichtung folgende, weitere Paare von Polarisationsstrahlteilern 12. Die optischen Verzögerungsstrecken 14 der Strahlteilerpaare sind verstellbar, hierzu sind die Umlenkspiegel der Verzögerungsstrecken 14 mittels Aktoren 15 beweglich, so dass die optischen Verzögerungsstrecken 14 entsprechend verlängerbar bzw. verkürzbar sind. Jede der optischen Verzögerungsstrecken 14 in Kombination mit den zugehörigen Aktoren 15 bildet ein Phasenstellelement im Sinne der Erfindung. The 2 schematically illustrates the inventive combination of laser pulses by means of binary beam splitters, which may be polarization or intensity beam splitter. In the 2a) and 2 B) The combination of four temporally separate laser pulses takes place 9 to an output laser pulse 11 (Beam direction from right to left). In 2a) For this comes a cascade of four polarization beam splitters 12 in combination with wave plates 13 for use. By dots and arrows, the polarization of the individual laser pulses is indicated. The temporally immediately successive arriving laser pulses 9 each have orthogonal linear polarization. The of the laser pulses 9 passed through binary polarization beam splitter 12 are via optical delay lines 14 connected with each other. Each delay line 14 generates a time delay of those laser pulses over the delay line 14 from each in the beam direction first polarization beam splitter 12 to the respective second polarization beam splitter 12 opposite to those laser pulses coming directly from the first polarization beam splitter 12 to the second polarization beam splitter 12 reach. The time delay is dimensioned such that at the output of the second polarization beam splitter 12 each two of the laser pulses coincide in time. At the output of the first pair of polarization beam splitters in the beam direction 12 is thus the repetition frequency with respect to the repetition frequency of the laser pulses 9 halved. In a corresponding manner, the repetition frequency is further halved by the further pairs of polarization beam splitters following in the beam direction 12 , The optical delay lines 14 The beam splitter pairs are adjustable, this is the deflection of the delay lines 14 by means of actuators 15 movable, so the optical delay lines 14 be extended or shortened accordingly. Each of the optical delay lines 14 in combination with the associated actuators 15 forms a phase actuator in the context of the invention.

In ähnlicher Weise erfolgt die zeitliche Pulskombination gemäß 2b). Dort kommen drei kaskadierte binäre Strahlteiler 12, 12‘ zum Einsatz. Es handelt sich um einen Polarisationsstrahlteiler 12 in Kombination mit einer Wellenplatte 13 sowie zwei Intensitätsstrahlteiler 12‘. Wiederum sind mittels Aktoren 15 verstellbare optische Verzögerungsstrecken 14 als Phasenstellelemente vorgesehen. Entsprechende verstellbare Verzögerungsstrecken können zur Phasenstellung bei der räumlichen Kombination mittels des Kombinationselementes 8 jeweils in den M Kanälen gemäß 1 vorgesehen sein. Similarly, the temporal pulse combination according to 2 B) , There are three cascaded binary beam splitters 12 . 12 ' for use. It is a polarization beam splitter 12 in combination with a wave plate 13 and two intensity beam splitters 12 ' , Again, by means of actuators 15 adjustable optical delay lines 14 provided as phase adjusting elements. Corresponding adjustable delay lines can be used for phase positioning in the spatial combination by means of the combination element 8th in each case in the M channels according to 1 be provided.

Die 3 illustriert das Regelungsschema des erfindungsgemäßen Lasersystems als Blockdiagramm. Die Eingangslaserpulse 7 werden mittels Kombinationselementen 8 und 10 (wie in 1 dargestellt) zu Ausgangslaserpulsen 11 überlagert. Die Kombinationselemente 8, 10 weisen Phasenstellelemente auf, wie in 2 beispielhaft für die zeitliche Pulskombination dargestellt. Auf diese Weise ist die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls 11 jeweils überlagerten Eingangslaserpulse 7 für jeden einzelnen Kombinationsschritt einstellbar. Ein Fehlersignaldetektor 16 ist vorgesehen, der aus dem Ausgangslaserpulszug mittels einer Photodiode 17 ein Fehlersignal 18 ableitet. Ein Regler 19 bildet aus dem Fehlersignal 18 ein Regelsignal 20 zur Ansteuerung der Phasenstellelemente, die den Kombinationselementen 8 und 10 zugeordnet sind. Dadurch wird die zeitliche Phasenlage der im Ausgangslaserpuls 11 überlagerten Laserpulse in der Weise eingestellt, dass die Leistung des Ausgangslaserpulszuges, d.h. die mittlere Leistung sowie auch die Pulsspitzenleistung der Ausgangslaserpulse 11, maximal ist. Die Phasenstellelemente und deren Ansteuerung durch den Regler 19 sorgen dafür, dass die überlagerten Laserpulse möglichst genau zeitlich überlappen. The 3 illustrates the control scheme of the laser system according to the invention as a block diagram. The input laser pulses 7 be by means of combination elements 8th and 10 (as in 1 shown) to output laser pulses 11 superimposed. The combination elements 8th . 10 have phasing elements, as in 2 exemplified for the temporal pulse combination. In this way, the relative phase angle is in the output laser pulse 11 each superimposed input laser pulses 7 adjustable for each individual combination step. An error signal detector 16 is provided, which from the Ausgangslaserpulszug by means of a photodiode 17 an error signal 18 derives. A regulator 19 forms from the error signal 18 a control signal 20 for controlling the phase adjusting elements, the combination elements 8th and 10 assigned. As a result, the temporal phase position of the output laser pulse 11 superimposed laser pulses adjusted in such a way that the power of the Ausgangslaserpulszuges, ie the average power as well as the pulse peak power of the output laser pulses 11 , maximum is. The phase control elements and their control by the controller 19 ensure that the superimposed laser pulses overlap as precisely as possible in terms of time.

Erfindungsgemäß tastet der Fehlersignaldetektor 16 den Ausgangslaserpulszug periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz ab. Dabei ist die Abtastdauer, d.h. die zeitliche Dauer jedes Abtastvorgangs kleiner als die inverse Eingangsrepetitionsfrequenz. Dies ist in 4 illustriert. Die Detektion des Fehlersignals erfolgt pro Pulszyklus jeweils nur während eines Zeitfensters der Dauer ∆t. Die Dauer ∆t muss dabei dem minimalen zeitlichen Abstand der Laserpulse 9 entsprechen, der im noch nicht kombinierten Laserpulszug auftritt. Die 4 zeigt schematisch das Ausgangssignal des Lasersystems 0 bei nicht vollständig phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse. Die Signallaufzeit T durch das gesamte Lasersystem 0 definiert eindeutig den Zeitpunkt, zu dem bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse 9 der Ausgangslaserpuls 11 jeweils am Ort des Detektors 17 eintrifft. Wie in 4 illustriert, wird das Fehlersignal ausschließlich im (oder ausschließlich außerhalb) des dargestellten Zeitfensters ∆t aufgenommen. Daraus ergibt sich ein Fehlersignal, das eine Regelung mit nur einem eindeutig definierten, stabilen Zustand ermöglicht. According to the invention, the error signal detector samples 16 the output laser pulse train periodically with the Ausgangsrepetitionsfrequenz. The sampling duration, ie the duration of each sampling operation, is less than the inverse input repetition frequency. This is in 4 illustrated. The detection of the error signal takes place per pulse cycle only during a time window of duration .DELTA.t. The duration .DELTA.t must be the minimum time interval of the laser pulses 9 correspond, which occurs in the not yet combined laser pulse train. The 4 schematically shows the output signal of the laser system 0 with not completely in-phase superimposition of the input laser pulses. The signal propagation time T through the entire laser system 0 clearly defines the time at which, with in-phase superimposition of the input laser pulses 9 the output laser pulse 11 each at the location of the detector 17 arrives. As in 4 illustrated, the error signal is recorded exclusively in (or only outside of) the illustrated time window .DELTA.t. This results in an error signal that allows a control with only one clearly defined, stable state.

Realisiert werden kann die erfindungsgemäße Fehlersignaldetektion beispielsweise wie in 5 illustriert. Dort durchläuft der Ausgangslaserpulszug einen optischen Schalter 21, bei dem es sich um einen elektrooptischen Modulator oder um einen akustooptischen Modulator an sich üblicher Bauart handeln kann. Der optische Schalter 21 schaltet nur zu dem durch die Laufzeit T definierten Zeitpunkt und während der Dauer des Zeitfensters ∆t durch. Am Ausgang des optischen Schalters 21 wird dann nur der Laserpuls 11‘ mittels der Photodiode 17 detektiert. The error signal detection according to the invention can be implemented, for example, as in FIG 5 illustrated. There, the output laser pulse train passes through an optical switch 21 , which may be an electro-optical modulator or an acousto-optic modulator per se conventional type. The optical switch 21 only switches on at the time defined by the time T and during the duration of the time window Δt. At the output of the optical switch 21 then only the laser pulse 11 ' by means of the photodiode 17 detected.

Alternativ kann die zeitliche Selektion mittels eines elektronischen Schalters 22, wie in 6 illustriert, erfolgen. Hierzu wird zunächst der Ausgangslaserpulszug kontinuierlich mittels der Photodiode 17 abgetastet und ein entsprechendes elektrisches Messsignal erzeugt. Das elektrische Messsignal wird mittels des elektronischen Schalters 22 nur während des Zeitfensters ∆t zu den durch die Laufzeit T definierten Zeitpunkten durchgelassen. Das so aufbereitete Messsignal wird dann weiter zur Erzeugung des Regelsignals 20 mittels des Reglers 19 (siehe 3) verwendet. Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 muss die Photodiode 17 eine ausreichende Bandbreite aufweisen, um die verschiedenen Maxima im Ausgangslaserpulszug voneinander trennen zu können. Alternatively, the time selection by means of an electronic switch 22 , as in 6 illustrated, done. For this purpose, the Ausgangslaserpulszug is first continuously by means of the photodiode 17 sampled and generates a corresponding electrical measurement signal. The electrical measuring signal is by means of the electronic switch 22 only during the time window .DELTA.t to the times defined by the time T passes. The thus prepared measurement signal then continues to generate the control signal 20 by means of the regulator 19 (please refer 3 ) used. In the embodiment of the 6 must be the photodiode 17 have a sufficient bandwidth to separate the different maxima in the Ausgangslaserpulszug from each other.

Die 7 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Erfindung. Bei dieser bewertet der Fehlersignaldetektor 16 die momentane Leistung des Ausgangslaserpulszuges. Der Fehlersignaldetektor 16 bildet das Fehlersignal 18 nur, wenn die mittlere Leistung einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet, der z.B. 75 % derjenigen Leistung entspricht, die bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse 9 im Ausgangslaserpulszug zu erwarten ist. Auf diese Weise kann ebenfalls eine Regelung mit nur einem stabilen Zustand realisiert werden. Solange kein Fehlersignal 18 erzeugt wird, weil der vorgegebene Schwellenwert nicht erreicht wird, wartet der Regler 19 passiv, bis die relative Phasenlage der Laserpulse im Lasersystem 0 in die Nähe des Zustands gelangt (z.B. durch Drift), in dem die Laserpulse phasenrichtig überlagert werden. Erst dann, d.h. in der Nähe des gewünschten Zustands, wird der Schwellenwert überschritten, und die Regelung wird aktiv, um das Lasersystem dort zu stabilisieren. Die Bewertung der Leistung kann mittels eines einfachen Spannungskomparators erfolgen. Durch die Bewertung und durch den Vergleich mit dem Schwellenwert können lokale Maxima im Ausgangslaserpulszug vom globalen Maximum unterschieden werden. Die lokalen Maxima werden entsprechend aus dem Fehlersignal 18 entfernt. Im Gegensatz zu der in den 4–6 illustrierten Methode erfordert die in 7 gezeigte Methode die Nachstellung des Schwellenwertes, wenn die Ausgangsleistung des Lasersystems verändert wird. The 7 shows an alternative embodiment of the invention. In this the error signal detector evaluates 16 the instantaneous power of the output laser pulse train. The error signal detector 16 forms the error signal 18 only if the average power exceeds a predefinable threshold, which corresponds to 75% of that power, for example, with in-phase superimposition of the input laser pulses 9 in the output laser pulse train is to be expected. In this way, a control with only one stable state can also be realized. As long as no error signal 18 is generated because the predetermined threshold is not reached, the controller waits 19 passive until the relative phase of the laser pulses in the laser system 0 reaches the vicinity of the state (eg by drift), in which the laser pulses are superimposed in the correct phase. Only then, ie in the vicinity of the desired state, the threshold is exceeded, and the control is active to stabilize the laser system there. The rating of the power can be done by means of a simple voltage comparator. By evaluating and comparing with the threshold, local maxima in the output laser pulse train can be distinguished from the global maximum. The local maxima are accordingly from the error signal 18 away. Unlike in the 4 - 6 illustrated method requires the in 7 shown method of adjusting the threshold value when the output power of the laser system is changed.

Claims

Laser system ( 0 ) with - at least one laser pulse source ( 1 ), the input laser pulses ( 7 ) generated at an input repetition frequency, - at least one combination element ( 8th . 10 ), two or more of the input laser pulses ( 7 ) in each case an output laser pulse ( 11 ) and thus generates an output laser pulse train at an output repetition frequency, wherein the combination element ( 8th . 10 ) at least one phase actuator ( 14 . 15 ) is associated with the relative phase position of the in the output laser pulse ( 11 ) superimposed input laser pulses ( 7 ), an error signal detector ( 16 ), which from the Ausgangslaserpulszug an error signal ( 18 ), and - a controller ( 19 ) derived from the error signal ( 18 ) a control signal ( 20 ) for controlling the phase adjusting element ( 14 . 15 ), characterized in that the error signal detector ( 16 ) periodically samples the output laser pulse train at the output repetition frequency.

Laser system according to Claim 1, characterized in that the sampling period (Δt), ie the duration of each sampling operation, is less than the inverse input repetition frequency.

Laser system according to claim 1 or 2, characterized in that the sampling time, ie the time of each sampling operation, is selected such that it corresponds to the transit time of the laser pulses through the laser system ( 0 ) corresponds to the time at which, in the case of in-phase superimposition of the input laser pulses ( 7 ) the output laser pulse ( 11 ) arrives at the location of the detector.

Laser system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the error signal detector ( 16 ) for scanning the Ausgangspulszuges an optical or electronic switch ( 21 . 22 ).

Laser system according to claim 4, characterized in that the optical switch ( 21 ) is an electro-optical modulator or an acousto-optic modulator or a chopper wheel.

Laser system according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the output laser pulse ( 11 ) superimposed input laser pulses ( 7 ) are polarized differently, the error signal detector ( 16 ) comprises a Hänsch-Couillaud detector.

Laser system ( 0 ) with - at least one laser pulse source ( 1 ), the input laser pulses ( 7 ) generated at an input repetition frequency, - at least one combination element ( 8th . 10 ), two or more of the input laser pulses ( 7 ) in each case an output laser pulse ( 11 ) and thus generates a Ausgangslaserpulszug, wherein the combination element ( 8th . 10 ) at least one phase actuator ( 14 . 15 ) is associated with the relative phase position of the in the output laser pulse ( 11 ) superimposed input laser pulses ( 7 ), an error signal detector ( 16 ), which from the Ausgangslaserpulszug an error signal ( 18 ), and - a controller ( 19 ) derived from the error signal ( 18 ) a control signal ( 20 ) for controlling the phase adjusting element ( 14 . 15 ), characterized in that the error signal detector ( 16 ) evaluates the instantaneous power of the output laser pulse train.

Laser system according to claim 7, characterized in that the error signal detector ( 16 ) the error signal ( 18 ) forms only if the instantaneous power exceeds a predefinable threshold.

Laser system according to claim 7 or 8, characterized in that the controller ( 19 ) is only active if the current power exceeds a predefinable threshold.

Laser system according to Claim 8 or 9, characterized in that the threshold value corresponds to 50-95%, preferably 75%, of that power which, in the case of in-phase superimposition of the input laser pulses ( 7 ) is to be expected in the output laser pulse train.

Laser system according to one of claims 1 to 10, characterized in that the error signal detector ( 16 ) at least one photodiode ( 17 ) which detects the instantaneous intensity of the output laser pulse train.

Laser system according to claim 11, characterized in that the detection bandwidth of the photodiode ( 17 ) is at least equal to the input repetition frequency.

Laser system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the combination element ( 8th . 10 ) comprises an optical interferometer.

Laser system according to one of claims 1 to 13, characterized in that the combination element ( 8th . 10 ) one or more beam splitters ( 12 . 12 ' ), namely polarization beam splitter ( 12 ) and / or intensity beam splitter ( 12 ' ).

Laser system according to one of claims 1 to 14, characterized in that the phase adjusting element ( 14 . 15 ) has an optical delay path whose length is determined in accordance with the control signal ( 20 ) is adjustable.

Laser system according to one of claims 1 to 15, characterized in that the laser pulse source ( 1 ) Distribution elements ( 4 . 5 ) for temporal and spatial distribution of laser pulses.

Method for generating laser pulses, comprising the steps of: - generating input laser pulses ( 7 ) at an input repetition frequency, - superimposing two or more input laser pulses ( 7 ) in each case an output laser pulse ( 11 ), whereby an output laser pulse train is generated at an output repetition frequency, the relative phase position of the pulses in the output laser pulse ( 11 ) superimposed input laser pulses ( 7 ) in accordance with a control signal ( 20 ), - Derivation of an error signal ( 18 ) from the output laser pulse train, and - formation of the control signal ( 20 ) from the error signal ( 18 ), Characterized in that the Ausgangslaserpulszug for deriving the error signal ( 18 ) is sampled periodically at the output repetition frequency.

Method for generating laser pulses, comprising the steps of: - generating input laser pulses ( 7 ) at an input repetition frequency, - superimposing two or more input laser pulses ( 7 ) in each case an output laser pulse ( 11 ), whereby an output laser pulse train is generated, wherein the relative phase position of the in the output laser pulse ( 11 ) superimposed input laser pulses ( 7 ) in accordance with a control signal ( 20 ), - derivation of an error signal ( 18 ) from the output laser pulse train, and - formation of the control signal ( 20 ) from the error signal ( 18 ), characterized in that the instantaneous power of the output laser pulse train is evaluated, the relative phase position of the pulses in the output laser pulse ( 11 ) superimposed input laser pulses ( 7 ) in accordance with the control signal ( 20 ) is only set if the instantaneous power exceeds a predefinable threshold.