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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen eines Lasermediums zur Erzeugung von Laserpulsen mit im Wesentlichen gleicher Pulsenergie und mit variabel einstellbarem zeitlichem Pulsabstand, sowie ein zugehöriges Lasersystem.
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Bei einem Laserverstärker oder einer Laserverstärkerkette sollen Laserpulse mit variablem zeitlichem Abstand, der kleiner als die Fluoreszenzlebensdauer des Verstärkermediums ist, verstärkt werden, ohne dass deren verstärkte Energie schwankt. Typischerweise werden Verstärkermedien mit langer Fluoreszenzlebensdauer, insbesondere Yb:dotierte Festkörper bei Wiederholraten >10kHz, aber kontinuierlich gepumpt (z.B. von CW-Laserdioden), so dass ein Jitter auf dem Pulstakt zu einem Jitter der gespeicherten Energie (Inversion) und damit zu einem exponentiell größeren Jitter der Pulsenergie führen würde.
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Es sind Pumpverfahren bekannt, bei denen der zeitliche Abstand der Laserpulse groß gegenüber der Fluoreszenzdauer ist. Weiterhin wurden auch Pumpverfahren veröffentlicht, bei denen die Laserpulse zu Synchronisationszwecken zeitlich verschoben werden, wobei die Verschiebung dann typisch klein zum Pulsabstand ist.
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Aus der
US 2014/0268313 A1 ist ein Verstärkeraufbau bekannt, bei dem eine Masterclock sowohl Seedpulse zur Erzeugung der zu verstärkenden Laserpulse auslöst als auch die Pumpdioden ansteuert. Die Pulslängen der Pumpstrahlung werden an die Zeit zwischen zwei Triggersignalen angepasst. Die Pumpstrahlung bleibt nach dem Verstärkungsvorgang zunächst ausgeschaltet und wird dann rechtzeitig vor dem nächsten Verstärkungsvorgang wieder eingeschaltet.
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Weiterhin offenbart
US 2014/0218791 A1 eine Verstärkerkette, bei der die Pulse über ein Triggersignal ausgelöst werden. Dabei werden die Pump-Puls-Parameter (Pulslänge, Amplitude) entsprechend dem Abstand zwischen zwei Triggersignalen gesteuert. Auch hier bleibt die Pumpstrahlung nach dem Verstärkungsvorgang zunächst ausgeschaltet und wird dann rechtzeitig vor dem nächsten Verstärkungsvorgang wieder eingeschaltet.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Pumpen eines Verstärker- bzw. Lasermediums, bei dem ein Jitter der Pulsenergie bei Laserpulsen mit variablem zeitlichen Abstand, welcher kleiner als die Fluoreszenzlebensdauer ist, wirkungsvoll unterdrückt werden kann, sowie eine zugehörige Vorrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Pumpen eines Verstärkermediums, das zum Erzeugen von Laserpulsen mit im Wesentlichen gleicher Pulsenergie und mit variablem zeitlichem Pulsabstand abwechselnd für eine variable Zeitdauer bei einer zeitlich konstanten, tieferen Pumpleistung und für eine feste Zeitdauer bei einer höheren Pumpleistung, welche einen vorstimmten zeitlichen Verlauf aufweist, CW-gepumpt wird, wobei eine im Verstärkermedium aufgebaute Inversion durch CW-Pumpen bei der tieferen Pumpleistung für die variable Zeitdauer solange auf einem zeitlich konstanten Inversionsplateau gehalten wird, bis durch Erzeugen eines verstärkten Laserpulses ein Inversionsabfall im Verstärkermedium auftritt, und wobei die im Lasermedium nach dem Inversionsabfall herrschende Inversion durch CW-Pumpen für die feste Zeitdauer bei der höheren Pumpleistung wieder auf das Inversionsplateau angehoben und durch CW-Pumpen bei der tieferen Pumpleistung auf dem Inversionsplateau gehalten wird. Vorzugsweise werden identische Laserpulse erzeugt.
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Erfindungsgemäß wird das Verstärkermedium gleich nach dem Verstärkungsvorgang (Inversionsabfall) wieder mithilfe der höheren Pumpleistung gepumpt und auf ein vorgegebenes Verstärkungsniveau (Inversionsplateau) gebracht und dort mithilfe der tieferen Pumpleistung gehalten. Die höhere Pumpleistung kann einen beliebigen, aber jedes Mal gleichen, zeitlichen Verlauf haben, damit nach jedem Inversionsabfall die Inversion nach der gleichen Zeit auf das gleiche Inversionsniveau angehoben wird. Die tiefere Pumpleistung wird hingegen auf einem zeitlich konstanten, tieferen Pumpniveau gehalten, um die Inversion konstant auf dem Inversionsplateau zu halten. Dieses tiefere Pumpniveau dient somit zum Halten des aufgebauten Inversionsplateaus und zum Kompensieren der Fluoreszenzverluste.
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Der Pulsabstand zwischen zwei zu verstärkenden Laserpulsen entspricht mindestens der festen, zweiten Zeitdauer, innerhalb der die Inversion nach einem Inversionsabfall wieder auf das Inversionsplateau gebracht worden ist, und kann ansonsten beliebig eingestellt werden. Erfindungsgemäß werden somit Laserpulse mit konstanter Pulsenergie bei variabler Triggerbarkeit bereitgestellt.
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Besonders bevorzugt ist auch die höhere Pumpleistung zeitlich konstant, so dass das CW-Pumpen bei zwei Leistungsniveaus erfolgt, nämlich bei dem höheren Leistungsniveau zum Inversionsaufbau und bei dem tieferen Leistungsniveau zum Aufrechterhalten des Inversionsplateaus.
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Versuche haben gezeigt, dass das Inversionsplateau vorteilhaft nicht dem Inversionssättigungsniveau des Verstärkermediums entspricht, sondern tiefer als das Sättigungsniveau liegt, dessen Niveauhöhe über die zweite Zeitdauer eingestellt werden kann.
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Die verstärkten Laserpulse können jeweils ein Einzelpuls oder ein Burstpuls sein. Der Burstpuls bezeichnet eine Pulsgruppe aus mindestens zwei Pulsen mit einem kurzen Abstand, welcher kleiner als die Fluoreszenzlebensdauer des Verstärkermediums und typischerweise kleiner als 500 ns ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem zum Erzeugen von verstärkten Laserpulsen mit im Wesentlichen gleicher Pulsenergie und mit variablem zeitlichem Pulsabstand mit einem Verstärkermedium, mit einer Pumpquelle zum CW-Pumpen des Verstärkermediums, mit einer Einrichtung zum Erzeugen von im Verstärkermedium zu verstärkenden Laserpulsen und mit einer Steuerung, die die Pumpleistung der Pumpquelle und die Einrichtung zur Erzeugung von zu verstärkenden Laserpulsen ansteuert und die programmiert ist, die Pumpleistung der Pumpquelle gemäß dem oben beschriebenen Pumpverfahren anzusteuern.
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Vorzugsweise ist dem Verstärkermedium ein Modulator, z.B. in Form eines AOM oder EOM, nachgeordnet, um die verstärkten Laserpulse bezüglich Pulsenergie und/oder Pulsform zu beschneiden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 beispielhaft ein Lasersystem mit einer Pumpquelle zum Pumpen eines Verstärkermediums zur Erzeugung von Laserpulsen mit gleicher Pulsenergie;
- 2a-2c eine erste Variante des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens, wobei in 2a die Pumpleistung, in 2b die zugehörige Inversionsintensität im Verstärkermedium und in 2c die Intensität der erzeugten, verstärkten Laserpulse, jeweils über der Zeit, dargestellt sind;
- 3a-3c eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens in einer Darstellung analog zu 2; und
- 4a-4c eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens in einer Darstellung analog zu 2.
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In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
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Das in 1 gezeigte Lasersystem 1 dient zum Pumpen eines Laser- bzw. Verstärkermediums 2 zur Erzeugung von Laserpulse 3 mit im Wesentlichen gleicher Pulsenergie und mit variabel einstellbarem zeitlichem Pulsabstand Δt. Vorzugsweise werden identische Laserpulse 3 erzeugt.
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Die Pumpvorrichtung 1 umfasst neben dem Verstärkermedium 2 eine Pumpquelle (z.B. CW-Laserdiode(n)) 4 zum CW-Pumpen des Verstärkungsmediums 2, eine Seedlaserquelle 5 zum Erzeugen von Seedlaserpulsen 6, die im Verstärkungsmedium 2 verstärkt werden sollen, und eine Steuerung 7, die sowohl die Pumpleistung der Pumpquelle 4 als auch die Seedlaserquelle 5 zur Erzeugung der Seedlaserpulse 6 ansteuert. Das Verstärkermedium 2 kann als Faser-, Slab-, Stab- oder Scheibenlaser ausgestaltet sein und beispielsweise mit Yb, Nd, Er, Th oder Ho als laseraktivem Material dotiert sein. Abhängig davon, ob die Seedlaserpulse 6 Einzelpulse oder Burstpulse sind, sind auch die verstärkten Laserpulse 3 Einzelpulse oder Burstpulse. Dem Verstärkermedium 2 kann noch ein von der Steuerung 7 angesteuerter Modulator 8 (z.B. in Form eines AOM oder EOM) nachgeordnet sein, um die verstärkten Laserpulse 3 bezüglich Pulsenergie und/oder Pulsform zu beschneiden.
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In 2a-2c ist eine erste Variante des erfindungsgemäßen Pumpverfahrens dargestellt, wobei in 2a der zeitliche Verlauf der Pumpleistung P der Pumpquelle 4, in 2b die zugehörige Inversionsintensität I im Verstärkermedium 2 und in 1c die Intensität I der erzeugten, verstärkten Laserpulse 3 dargestellt sind.
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Zum Zeitpunkt t0 wird eine im Verstärkermedium 2 aufgebaute Inversion durch CW-Pumpen der Pumpquelle 4 bei einem vorbestimmten, tieferen Pumpleistungsniveau P1 auf einem zeitlich konstanten Inversionsintensitätsplateau I2 gehalten. Zum Zeitpunkt t1 erzeugt die Seedlaserquelle 5, angesteuert von der Steuerung 7, einen Seedlaserpuls 6, der seinerseits im Verstärkermedium 2 einen verstärkten Laserpuls 3 erzeugt, was wiederum im Verstärkermedium 2 zu einem Inversionsabfall vom Inversionsintensitätsplateau I2 auf eine tiefere Inversionsintensität I1 führt. Zum Zeitpunkt t1 wird von der Steuerung 7 auch die Pumpquelle 4 vom tieferen Pumpleistungsniveau P1 auf ein vorbestimmtes, höheres Pumpleistungsniveau P2 umgeschaltet, um die im Verstärkermedium 2 nach dem Inversionsabfall herrschende Inversionsintensität I1 durch CW-Pumpen für eine vorbestimmte, erste Zeitdauer T1 bei dem höheren Pumpleistungsniveau P2 wieder auf das Inversionsintensitätsplateau I2 anzuheben. Die erste Zeitdauer T1 ist also so gewählt, dass nach dem Inversionsabfall das Inversionsintensitätsplateau I2 durch CW-Pumpen bei dem höheren Pumpleistungsniveau P2 zum Zeitpunkt t2=t1+T1 wieder erreicht ist.
Sobald das Inversionsintensitätsplateau I2 erreicht ist, also zum Zeitpunkt t2, wird von der Steuerung 7 die Pumpquelle 4 vom höheren Pumpleistungsniveau P2 auf das tiefere Pumpleistungsniveau P1 umgeschaltet, um die im Verstärkermedium 2 aufgebaute Inversionsintensität durch CW-Pumpen mit dem tieferen Pumpleistungsniveau P1 auf dem Inversionsintensitätsplateau I2 zu halten.
Ab dem Zeitpunkt t2 kann zu einem beliebigen Zeitpunkt t3 (t3=t2+T2=t1+T1+T2, Zeitdauer T2 beliebig) wieder mithilfe eines Seedlaserpulses 6 erneut ein verstärkter Laserpuls 3' erzeugt werden, der die gleiche Pulsenergie wie der jeweils vorhergehende, verstärkte Laserpuls 3 aufweist.
Ab dem Zeitpunkt t4=t3+T1 ist die Inversionsintensität I durch CW-Pumpen für die vorbestimmte Zeitdauer T1 bei dem höheren Pumpleistungsniveau P2 wieder auf das Inversionsintensitätsplateau I2 angehoben und wird anschließend durch CW-Pumpen mit dem tieferen Pumpleistungsniveau P1 auf dem Inversionsintensitätsplateau I2 gehalten.
Zum Zeitpunkt t5 (t5=t4+T2=t3+T1+T2, Zeitdauer T2 beliebig) wird mithilfe eines Seedlaserpulses 6 erneut ein verstärkter Laserpuls 3" erzeugt, der die gleiche Pulsenergie wie der jeweils vorhergehende, verstärkte Laserpuls 3' aufweist.
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Der Pulsabstand Δt (Δt=T1+T2) zwischen zwei identischen Laserpulsen 3 entspricht also mindestens der festen, ersten Zeitdauer T1, innerhalb der die Inversion nach dem Inversionsabfall wieder auf das Inversionsplateau I2 gebracht worden ist, und kann ansonsten beliebig eingestellt werden.
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Im Unterschied zu dem in 2a gezeigten Pumpleistungsverlauf, bei dem die Pulsleistung P zwischen einem zeitlich konstanten, höheren und einem zeitlich konstanten, tieferen Pumpleistungsniveau P1, P2 umgeschaltet wird, steigt bei der in 3 gezeigten zweiten Verfahrensvariante nach jedem Inversionsabfall die höhere Pumpleistung P2 innerhalb der vorbestimmten, ersten Zeitdauer T1 jedes Mal gleichermaßen an, um die Inversion nach der ersten Zeitdauer T1 jeweils auf das stets gleiche Inversionsniveau anzuheben. Die tiefere Pumpleistung wird hingegen auf dem zeitlich konstanten, tieferen Pumpleistungsniveau P1 gehalten, um die Inversion konstant auf dem Inversionsplateau I2 zu halten.
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Im Unterschied zu dem in 3a gezeigten Pumpleistungsverlauf, bei dem sich die höhere Pulsleistung P2 allmählich mit der Zeit ändert, tritt bei der in 4 gezeigten dritten Verfahrensvariante ein stets gleicher sprunghafter Leistungsabfall der höheren Pulsleistung P2 auf, um die Inversion nach der ersten Zeitdauer T1 jeweils auf das stets gleiche Inversionsniveau anzuheben. Die tiefere Pumpleistung wird hingegen auf dem zeitlich konstanten, tieferen Pumpleistungsniveau P1 gehalten, um die Inversion konstant auf dem Inversionsplateau I2 zu halten.
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Statt des einen Verstärkermediums 2 kann das Lasersystem auch eine Verstärkerkette mit mehreren hintereinander geschalteten Verstärkermedien 2 aufweisen. Das höhere und das tiefere Pumpleistungsniveau hängen vom jeweiligen Verstärkermaterial und von der jeweiligen Verstärkung ab und müssen für jedes Verstärkermedium 2 getrennt gewählt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0268313 A1 [0004]
- US 2014/0218791 A1 [0005]
