DE102017114399A1 - DYNAMIC SEEDING OF LASER AMPLIFIER SYSTEMS - Google Patents
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Abstract
Ein Laserverstärkersystem (1) umfasst eine Seed-Laserpulsquelleneinheit (3) zum Bereitstellen von mindestens zwei Seed-Pulsfolgen für eine nachfolgende Verstärkung, wobei Seed-Pulse (3') der mindestens zwei Seed-Pulsfolge eine Seed-Pulsdauer (T, TA, TB) und eine innerhalb eines Bereichs während der Seed-Pulsdauer (T, TA, TB) variierende und in ihrem Verlauf einstellbare Seed-Amplitude (A) aufweisen. Das Laserverstärkersystem (1) weist ferner eine Verstärkerstufe und insbesondere eine Verstärkungskette (5) aus (beispielsweise Faser-) Verstärkerstufen (5A, 5B, 5C) auf, welche eine Ausgangspulsfolge (5') ausgeben. Das Laserverstärkersystem (1) ist so ausgebildet, dass ein Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses (5') der Ausgangspulsfolge auf Beiträge von mindestens zwei Seed-Pulsen (3') zurückgeht. A laser amplifier system (1) comprises a seed laser pulse source unit (3) for providing at least two seed pulse trains for a subsequent amplification, wherein seed pulses (3 ') of the at least two seed pulse train have a seed pulse duration (T, TA, TB ) and within a range during the seed pulse duration (T, TA, TB) varying and adjustable in their seed amplitude (A). The laser amplifier system (1) further comprises an amplifier stage and in particular a gain chain (5) of (for example fiber) amplifier stages (5A, 5B, 5C), which output an output pulse train (5 '). The laser amplifier system (1) is designed so that an amplitude characteristic of an output pulse (5 ') of the output pulse train is due to contributions from at least two seed pulses (3').
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Laserverstärkersysteme, insbesondere zur Erzeugung von Hochleistungslaserpulsen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum dynamischen Seeden eines Laserverstärkersystems, wie beispielsweise eines Faserlaserverstärkersystems.The present invention relates to laser amplifier systems, in particular for generating high power laser pulses. Furthermore, the invention relates to a method for dynamically seeding a laser amplifier system, such as a fiber laser amplifier system.
Bei der Verstärkung von Pulsen in Laserverstärkersystemen können Leistungen erreicht werden, die aufgrund von Sättigung der Verstärkung zu einer Pulsformveränderung führen können. Beispielsweise kann sich die Pulsform eines Nanosekunden-Pulses während der Verstärkung in einem Faserlaserverstärkersystem mit einem hohen Verstärkungsfaktor verändern, wenn das Faserlaserverstärkersystem ausreichend nahe oder oberhalb der Sättigung betrieben wird. Pulsformänderungen können das Erreichen einer durch den Anwender gewünschten Pulsform erschweren oder im Extremfall auch eine Zerstörung optischer Komponenten wie einer Faser durch zu hohe Pulsspitzenleistung nach sich ziehen.When amplifying pulses in laser amplifier systems, it is possible to achieve outputs which can lead to a pulse shape change due to saturation of the amplification. For example, the pulse shape of a nanosecond pulse may change during amplification in a high gain fiber laser amplifier system when the fiber laser amplifier system is operated sufficiently near or above saturation. Pulse shape changes may make it difficult to achieve a pulse shape desired by the user, or in extreme cases may also result in the destruction of optical components such as a fiber due to excessive pulse peak power.
Es ist bekannt, dass über eine Kompensation in der Seed-Pulsform eine definierte Pulsform am Ausgang eines Laserverstärkersystems insbesondere bei hohen Ausgangsleistungen zu erreichen ist. Die Kompensation in der Seed-Pulsform kann über die Ansteuerung eines Seed-Lasers vorgenommen werden. Z.B. kann die Bestromung eines als Seed-Laser wirkenden Diodenlasers (hierin auch als Seed-Diode bezeichnet) variiert werden. Die erreichbare Dynamik beim Ansteuern einer Seed-Diode wird nach unten beispielweise durch das Erreichen der Laserschwelle begrenzt. Nach oben wird eine Maximalamplitude z.B. durch eine Zerstörschwelle der Halbleiterstruktur und/oder durch thermische Effekte in der Halbleiterstruktur der zugrunde liegenden Laserdiodenstruktur limitiert. Ferner kann eine Pulsformung, z.B. eine Pulsbeschneidung, mit einem Regeleingriff z.B. zwischen zwei Stufen einer Verstärkerkette mittels z.B. akusto-optischen Modulatoren (AOM, AOD, AOTF,...), elektro-optische Modulatoren (EOM, Pockels-Zellen,...) oder mechanischen Schaltern vorgenommen werden. Die Beschneidung der Pulse findet oftmals spät in einer Verstärkerkette statt, wodurch hohe Leistungsverluste entstehen können.It is known that via a compensation in the seed pulse form, a defined pulse shape can be achieved at the output of a laser amplifier system, in particular at high output powers. The compensation in the seed pulse form can be made by controlling a seed laser. For example, For example, the energization of a diode laser acting as a seed laser (also referred to herein as a seed diode) can be varied. The achievable dynamics when driving a seed diode is limited, for example, by reaching the laser threshold. At the top, a maximum amplitude is e.g. is limited by a damage threshold of the semiconductor structure and / or by thermal effects in the semiconductor structure of the underlying laser diode structure. Furthermore, pulse shaping, e.g. a pulse pruning, with a control intervention e.g. between two stages of an amplifier chain by means of e.g. acousto-optic modulators (AOM, AOD, AOTF, ...), electro-optic modulators (EOM, Pockels cells, ...) or mechanical switches. The trimming of the pulses often takes place late in an amplifier chain, which can result in high power losses.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pulsformung eines Seed-Laserpulses bereitzustellen, die eine effiziente Verstärkung ermöglicht.It is an object of this disclosure to provide a pulse shaping of a seed laser pulse that enables efficient amplification.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Laserverstärkersystem nach Anspruch 1, durch ein Laserverstärkersystem nach Anspruch 5, durch ein Verfahren zum Seeden einer Verstärkungskette nach Anspruch 16 und durch ein Verfahren zum Seeden einer Verstärkungskette nach Anspruch 18. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.At least one of these objects is achieved by a laser amplifier system according to
In einem Aspekt umfasst ein Laserverstärkersystem eine Seed-Laserpulsquelleneinheit zum Bereitstellen von mindestens zwei Seed-Pulsfolgen für eine nachfolgende Verstärkung, wobei Seed-Pulse der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen eine jeweilige Seed-Pulsdauer und eine innerhalb eines Bereichs während der jeweiligen Seed-Pulsdauer variierende und in ihrem Verlauf einstellbare Seed-Amplitude aufweisen. Ferner umfasst ein Laserverstärkersystem mindestens eine Verstärkerstufe zur Verstärkung der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen und zur Ausgabe einer Ausgangspulsfolge mit Ausgangspulsen, die eine Ausgangspulsdauer aufweisen. Die mindestens zwei Seed-Pulsfolgen werden derart in die Verstärkerstufe eingekoppelt, dass ein Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses der Ausgangspulsfolge auf Beiträge von mindestens zwei Seed-Pulsen, die jeweils einer der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen zugeordnet sind, zurückgeht.In one aspect, a laser amplifier system includes a seeded laser pulse source unit for providing at least two seed pulse trains for subsequent amplification, seed pulses of the at least two seed pulse trains having a respective seed pulse duration and a range varying within a range during the respective seed pulse duration and have adjustable seed amplitude in their course. Furthermore, a laser amplifier system comprises at least one amplifier stage for amplifying the at least two seed pulse trains and for outputting an output pulse train with output pulses having an output pulse duration. The at least two seed pulse sequences are coupled into the amplifier stage in such a way that an amplitude characteristic of an output pulse of the output pulse sequence goes back to contributions from at least two seed pulses, which are each assigned to one of the at least two seed pulse sequences.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Laserverstärkersystem eine Seed-Laserpulsquelleneinheit zum Bereitstellen von mindestens zwei Seed-Pulsfolgen für eine nachfolgende Verstärkung, wobei Seed-Pulse der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen eine jeweilige Seed-Pulsdauer und eine innerhalb eines Bereichs während der jeweiligen Seed-Pulsdauer variierende und in ihrem Verlauf einstellbare Seed-Amplitude aufweisen. Ferner umfasst das Laserverstärkersystem eine Verstärkungskette, die eine Sequenz von mindestens zwei optisch in Reihe gekoppelten Verstärkerstufen umfasst, wobei die Verstärkung in den Verstärkerstufen sequentiell unter Ausbildung von den Verstärkerstufen zugeordneten Zwischenpulsen erfolgt und die Verstärkungskette eine Ausgangspulsfolge mit eine Ausgangspulsdauer aufweisenden Ausgangspulsen ausgibt, wobei ein Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses der Ausgangspulsfolge auf Beiträge von mindestens zwei Seed-Pulsen, die jeweils einer der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen zugeordnet sind, zurückgeht.In a further aspect, a laser amplifier system comprises a seed laser pulse source unit for providing at least two seed pulse trains for subsequent amplification, seed pulses of the at least two seed pulse trains having a respective seed pulse duration and one within a range during the respective seed pulse duration have varying and adjustable in their course seed amplitude. Furthermore, the laser amplifier system comprises a gain chain comprising a sequence of at least two gain stages coupled in series, the gain in the gain stages being sequential to form intermediate pulses associated with the gain stages, and the gain chain outputting an output pulse sequence having output pulse duration output pulses, wherein an amplitude characteristic an output pulse of the output pulse train to contributions of at least two seed pulses, each associated with one of the at least two seed pulse sequences, goes back.
In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Erzeugen einer Folge von verstärkten Ausgangspulsen die folgenden Schritte auf: Bereitstellen von mindestens zwei Seed-Pulsfolgen für eine nachfolgende Verstärkung, wobei Seed-Pulse der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen jeweils eine Seed-Pulsdauer und eine innerhalb eines Bereichs während der Seed-Pulsdauer variierende und in ihrem Verlauf einstellbare Seed-Amplitude aufweisen, und Verstärken der Seed-Pulse in einer Verstärkerstufe, so dass sich eine Ausgangspulsfolge mit eine Ausgangspulsdauer aufweisenden Ausgangspulsen ergibt, wobei die mindestens zwei Seed-Pulsfolgen derart in die Verstärkerstufe eingekoppelt werden, dass ein Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses der Ausgangspulsfolge auf Beiträge von mindestens zwei Seed-Pulsen, die jeweils einer der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen zugeordnet sind, zurückgeht.In a further aspect, a method of generating a train of amplified output pulses comprises the steps of providing at least two seed pulse trains for subsequent amplification, seed pulses of the at least two seed pulse trains each having a seed pulse duration and a seed pulse duration, respectively Range during the seed pulse duration varying and adjustable in their seed amplitude, and amplifying the seed pulses in an amplifier stage, so that there is an output pulse train with output pulse duration having output pulses, wherein the at least two seed pulse trains in the amplifier stage be coupled an amplitude characteristic of an output pulse of the output pulse train is due to contributions from at least two seed pulses, which are each assigned to one of the at least two seed pulse sequences.
In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Erzeugen einer Folge von verstärkten Ausgangspulsen die folgenden Schritte auf: Bereitstellen von mindestens zwei Seed-Pulsfolgen für eine nachfolgende Verstärkung, wobei Seed-Pulse der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen jeweils eine Seed-Pulsdauer und eine innerhalb eines Bereichs während der Seed-Pulsdauer variierende und in ihrem Verlauf einstellbare Seed-Amplitude aufweisen, und Verstärken der Seed-Pulse in sequentiell angeordneten Verstärkerstufen unter Ausbildung von den Verstärkerstufen zugeordneten Zwischenpulsen, so dass sich eine Ausgangspulsfolge mit eine Ausgangspulsdauer aufweisenden Ausgangspulsen ergibt, wobei ein Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses der Ausgangspulsfolge auf Beiträge von mindestens zwei Seed-Pulsen, die jeweils einer der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen zugeordnet sind, zurückgeht.In a further aspect, a method of generating a train of amplified output pulses comprises the steps of providing at least two seed pulse trains for subsequent amplification, seed pulses of the at least two seed pulse trains each having a seed pulse duration and a seed pulse duration, respectively Range during the seed pulse duration varying and adjustable in their seed amplitude, and amplifying the seed pulses in sequentially arranged amplifier stages to form the amplifier stages associated intermediate pulses, so that there is an output pulse train having output pulse duration output pulses, wherein an amplitude curve an output pulse of the output pulse train to contributions of at least two seed pulses, each associated with one of the at least two seed pulse sequences, goes back.
In einigen Ausführungsformen kann die Seed-Laserpulsquelleneinheit zum Bereitstellen von mindestens zwei zu verstärkenden Teil-Seed-Pulsfolgen ausgebildet sein, deren Teilpulse eine Teilpulsdauer aufweisen. Die Seed-Laserpulsquelleneinheit umfasst z.B. mindestens eine Laserpulsquelle wie z.B. eine einstellbar bestrombare Laserdiode. Mindestens eine der Teilpulsdauern kann kürzer sein als eine Ausgangspulsdauer der Ausgangspulse. Jeweils eine der mindestens zwei zu verstärkenden Teil-Seed-Pulsfolgen kann einen der mindestens zwei Beiträge von mindestens zwei Seed-Pulsen liefern und die mindestens zwei Beiträge können gemeinsam einer der Verstärkerstufen zur Ausbildung eines der Zwischenpulse zugeführt werden.In some embodiments, the seed laser pulse source unit may be configured to provide at least two sub-seed pulse trains to be amplified, the sub-pulses of which have a partial pulse duration. The seed laser pulse source unit comprises e.g. at least one laser pulse source, e.g. an adjustable energizable laser diode. At least one of the partial pulse durations may be shorter than an output pulse duration of the output pulses. In each case one of the at least two partial seed pulse sequences to be amplified can deliver one of the at least two contributions from at least two seed pulses and the at least two contributions can be jointly supplied to one of the amplifier stages for the formation of one of the intermediate pulses.
In einigen Ausführungsformen kann das Laserverstärkersystem, und insbesondere die Ansteuerung der Seed-Laserpulsquelleneinheit, derart ausgebildet sein, dass die mindestens zwei Seed-Pulse, die zu dem Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses beitragen, zeitlich zueinander beabstandet sind, zeitlich aneinander anschließen oder zeitlich überlappen.In some embodiments, the laser amplifier system, and in particular the control of the seed laser pulse source unit, may be configured such that the at least two seed pulses, which contribute to the amplitude characteristic of an output pulse, are temporally spaced, temporally adjoined, or overlapping in time.
In einigen Ausführungsformen kann das Laserverstärkersystem, und insbesondere die Ansteuerung der Seed-Laserpulsquelleneinheit, derart ausgebildet sein, dass die mindestens zwei Seed-Pulse, die zu dem Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses beitragen, zeitlich voneinander beabstandet sind, zeitlich aneinander anschließen oder zeitlich überlappen. So können Seed-Pulse z.B. mit einem Zeitversatz, der kleiner ist als die Seed-Pulsdauer, voneinander beabstandet sein. Ferner kann das Laserverstärkersystem, und insbesondere die Ansteuerung der Seed-Laserpulsquelleneinheit, derart ausgebildet sein, dass mindestens ein Seed-Pulse, der zu dem Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses beiträgt, bezüglich eines Zwischenpulses zeitlich beabstandet ist, zeitlich an diesen anschließt oder zeitlich mit diesem überlappt. So kann z.B. der mindestens eine Seed-Pulse mit einem Zeitversatz, der kleiner ist als die Seed-Pulsdauer (T), vom Zwischenpuls beabstandet sein.In some embodiments, the laser amplifier system, and in particular the control of the seed laser pulse source unit, may be configured such that the at least two seed pulses that contribute to the amplitude response of an output pulse are spaced apart in time, temporally adjoin one another or overlap in time. Thus, seed pulses may e.g. with a time offset smaller than the seed pulse duration, spaced apart. Furthermore, the laser amplifier system, and in particular the control of the seed laser pulse source unit, be designed such that at least one seed pulse, which contributes to the amplitude characteristic of an output pulse, is temporally spaced with respect to an intermediate pulse, temporally adjoined thereto or temporally overlapped with this. Thus, e.g. the at least one seed pulse having a time offset smaller than the seed pulse duration (T) is spaced from the intermediate pulse.
Ferner kann ein zeitliches Segment der Ausgangspulse auf mindestens eine Seed-Laserpulsquelle zurückgehen, deren Seed-Pulse alle Verstärkerstufen der Verstärkungskette durchlaufen haben. Alternative oder zusätzlich können die zu dem Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses beitragenden Seed-Pulse einer der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen zu verstärkende Teilpulse einer Teil-Seed-Pulsfolge darstellen, deren Teilpulsdauer kürzer als die Ausgangspulsdauer der Ausgangspulse ist.Furthermore, a temporal segment of the output pulses may be due to at least one seed laser pulse source whose seed pulses have passed through all amplifier stages of the amplification chain. Alternatively or additionally, the seed pulses contributing to the amplitude characteristic of an output pulse of one of the at least two seed pulse sequences may represent partial pulses of a sub-seed pulse sequence to be amplified whose partial pulse duration is shorter than the output pulse duration of the output pulses.
In einigen Weiterbildungen kann das Laserverstärkersystem eine optische Verzögerungseinheit zum Erzeugen eines Laserpuls-Zeitversatzes zwischen Pulsen, die zu dem Amplitudenverlauf eines Ausgangspulses beitragen, insbesondere Seed-Pulsen oder Teilpulsen, eine Aufteileinheit zur Aufteilung eines Laserpulses in zwei oder mehr Teilpulse, eine Kombiniereinheit zum Kombinieren der Teilpulse, wie z.B. einem X:(100-X)-(Faser-)Kombinierer, und/oder eine Abschwächeinheit zum Reduzieren der Amplitude von Laserpulsen, Teilpulsen und/oder Zwischenpulsen aufweisen. Die optische Verzögerungseinheit kann z.B. einen Laserpuls-Zeitversatz zwischen einem Seed-Puls einer der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen und einem Zwischenpuls oder zwischen Seed-Pulsen unterschiedlicher der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen erzeugenIn some embodiments, the laser amplifier system may include an optical delay unit for generating a laser pulse time offset between pulses contributing to the amplitude characteristic of an output pulse, in particular seed pulses or split pulses, a split unit for dividing a laser pulse into two or more split pulses, a combiner unit for combining the Partial pulses, such as an X: (100-X) (fiber) combiner, and / or an attenuation unit for reducing the amplitude of laser pulses, sub-pulses and / or intermediate pulses. The optical delay unit may e.g. generate a laser pulse time offset between a seed pulse of one of the at least two seed pulse trains and an intermediate pulse or between seed pulses of different ones of the at least two seed pulse trains
In einigen Weiterbildungen kann das Laserverstärkersystem mindestens eine pulsformende Vorrichtung zur Änderung der Amplitude eines der Zwischenpulse aufweisen. Die pulsformende Vorrichtung kann insbesondere als zwischen zwei benachbarten Verstärkerstufen angeordnete Amplitudenänderungseinheit, beispielsweise als akusto-optischer Modulator oder elektro-optischer Modulator, ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine pulsformenden Vorrichtung im Anschluss an die Verstärkung zur Änderung der Amplitude der Ausgangspulse der Ausgangspulsfolge vorgesehen sein.In some developments, the laser amplifier system may have at least one pulse-shaping device for changing the amplitude of one of the intermediate pulses. The pulse-shaping device may in particular be designed as an amplitude-changing unit arranged between two adjacent amplifier stages, for example as an acousto-optical modulator or an electro-optical modulator. Alternatively or additionally, at least one pulse-shaping device may be provided following the amplification for changing the amplitude of the output pulses of the output pulse train.
In einigen Ausführungsformen kann die Seed-Laserpulsquelleneinheit mindestens eine Laserpulsquelle in Form einer einstellbar bestrombaren Laserdiode, und optional für jede der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen eine eigene Laserpulsquelle, aufweisen.In some embodiments, the seed laser pulse source unit may include at least one laser pulse source in the form of an adjustable energizable laser diode, and optionally for each of the at least two seed pulse trains, a separate laser pulse source.
In einigen Ausführungsformen kann das Laserverstärkersystem ferner eine Ansteuerungseinheit umfassen, die zum Einstellen der Seed-Pulsform, insbesondere zum Ansteuern einer Seed-Quelle, einer Kombiniereinheit und/oder einer pulsformenden Vorrichtung, ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Ansteuerungseinheit dazu ausgebildet sein, den Seed-Pulsverlauf aus einem Zielpulsverlauf, insbesondere einem Ziel-Amplitudenverlauf eines der Ausgangspulse, abzuleiten und die Seed-Pulsform, insbesondere die Beiträge von den mindestens zwei Seed-Pulsen und/oder die Beschneidung der Amplitude mindestens eines der zugehörigen Zwischenpulse, entsprechend einzustellen. Ferner kann die Ansteuerungseinheit dazu ausgebildet sein, die pulsformende Vorrichtung bei der Materialbearbeitung, insbesondere bei der Strahlführung um eine gekrümmte Bahn, zur Reduzierung der Ausgangspulse in der Intensität anzusteuern. In some embodiments, the laser amplifier system may further comprise a drive unit, which is designed for setting the seed pulse shape, in particular for driving a seed source, a combination unit and / or a pulse-shaping device. For example, the drive unit may be designed to derive the seed pulse profile from a target pulse profile, in particular a target amplitude characteristic of one of the output pulses, and the seed pulse form, in particular the contributions from the at least two seed pulses and / or the circumcision of the amplitude at least one of the associated intermediate pulses to adjust accordingly. Furthermore, the drive unit may be designed to control the intensity of the pulse-shaping device during material processing, in particular during the beam guidance around a curved path, in order to reduce the output pulses.
In einigen Ausführungsformen der Verfahren kann ein Amplitudenverlauf eines der Ausgangspulse ferner auf eine Beschneidung der Amplitude mindestens eines Seed-Pulses/Zwischenpulses zurückgehen. Ferner können die Amplitudenverläufe der Seed-Pulse und optional die Beschneidung der Amplitude mindestens eines zugehörigen Zwischenpulses derart aufeinander angepasst werden, dass ein Dynamikumfang nach der Verstärkung zur Verfügung steht der größer ist als der Dynamikumfang eines einzelnen Seed-Pulses.Further, in some embodiments of the methods, an amplitude characteristic of one of the output pulses may be due to a truncation of the amplitude of at least one seed pulse / intermediate pulse. Furthermore, the amplitude curves of the seed pulses and optionally the truncation of the amplitude of at least one associated intermediate pulse can be adapted to each other such that a dynamic range after amplification is available which is greater than the dynamic range of a single seed pulse.
In einigen Ausführungsformen der Verfahren kann mindestens eine Seed-Pulsfolge derart in die Verstärkerstufe eingekoppelt werden und optional kann mindestens eine Seed-Pulsfolge derart in eine nachfolgende Verstärkerstufe eingekoppelt werden, dass sich ein zu verstärkender Zwischenpuls ausbildet, dessen Amplitudenverlauf auf Beiträge von mindestens zwei Seed-Pulsen, die jeweils einer der mindestens zwei Seed-Pulsfolgen zugeordnet sind, zurückgeht.In some embodiments of the method, at least one seed pulse sequence can be coupled into the amplifier stage in such a way and, optionally, at least one seed pulse sequence can be coupled into a subsequent amplifier stage in such a way that an intermediate pulse to be amplified is formed, whose amplitude profile depends on contributions from at least two seed pulses. Pulses, each associated with one of the at least two seed pulse sequences, goes back.
Die hierin vorgeschlagenen pulsformenden Eingriffe an mehreren Stellen in einem Laserverstärkersystem ermöglichen einen hohen Dynamikumfang, der das Erreichen einer Zielpulsform am Ausgang des Laserverstärkersystems, insbesondere am Ende einer Verstärkerkette mit hoher Verstärkung, ermöglichen kann.The pulsed multi-site interventions proposed herein in a laser amplifier system provide a high dynamic range that can enable achievement of a target pulse shape at the output of the laser amplifier system, particularly at the end of a high gain amplifier chain.
Im Gegensatz zu einer rein zeitlichen Pulsformung zwischen zwei Stufen, welches grundsätzlich voraussetzt, dass ein signifikanter Leistungsanteil des Pulses gedämpft wird und somit verloren geht, kann das hierin offenbarte hochdynamische Seeden von (z.B. Faser-) Lasern prinzipiell zumindest teilweise verlustfrei und deutlich effizienter sein sowie einen erhöhten Dynamikumfang ermöglichen. So kann eine Kombination der hierin offenbarten Konzepte mit bekannten Technologien eine Pulskontrolle in bisher nicht erreichtem Umfang ermöglichen.In contrast to a purely temporal pulse shaping between two stages, which basically requires that a significant power component of the pulse is attenuated and thus lost, the herein disclosed highly dynamic Seeden of (eg fiber) lasers can be in principle at least partially lossless and significantly more efficient and allow an increased dynamic range. Thus, a combination of the concepts disclosed herein with known technologies may enable pulse control to an unprecedented extent.
Hierin wird meist beispielhaft von (Laser-) Pulsen gesprochen. Dabei kann ein Puls unter anderem als „Burst-Puls“ eine Burstpulsfolge umfassen. Entsprechend umfasst ein Puls unter seiner Pulseinhüllenden die Burstpulsfolge. Ferner umfasst eine Seed-Pulsfolge allgemein einen oder mehrere Pulse.This is usually exemplified by (laser) pulses. In this case, a pulse may inter alia include a burst pulse sequence as a "burst pulse". Correspondingly, a pulse below its Pulse envelope covers the Burstpulsfolge. Furthermore, a seed pulse train generally comprises one or more pulses.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Lasersystems mit mehreren Verstärkerstufen, -
2 eine schematische Darstellung einer für eine hohe Verstärkung gewünschte Seed-Pulsform mit hoher Amplitudendynamik, -
3 eine schematische Darstellung einer real beispielsweise mit einer Laserdiode und Diodenstrommodulation erreichbaren Pulsform, -
4A und4B schematische Darstellungen von mittels Teilpuls-Kombination erreichbaren Pulsformen, -
5 eine schematische Darstellung eines kaskadierten Teilpuls-basierten Seed-Konzepts mit mehreren Eingriffsorten in einem Laserverstärkersystem, -
6 und7 schematische Darstellungen zur Teilpuls-Kombination zur Seed-Puls-Erzeugung, -
8 eine schematische Darstellung zur Teilpuls-Erzeugung und Teilpuls-Kombination basierend auf einer einzigen Laserpulsquelle, -
9 eine schematische Darstellung zur Erreichen der gewünschten Zielpulsform mittels Amplitudenbeschneidung an mehreren Eingriffsorten in einem Laserverstärkersystem und -
10 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Amplitudenbeschneidung.
-
1 a schematic representation of a laser system with multiple amplifier stages, -
2 a schematic representation of a desired for a high gain seed pulse shape with high amplitude dynamics, -
3 a schematic representation of a real reachable for example with a laser diode and Diodenstromodulation pulse shape, -
4A and4B schematic representations of achievable by means of partial pulse combination pulse shapes, -
5 1 a schematic representation of a cascaded partial pulse-based seed concept with a plurality of intervention modes in a laser amplifier system, -
6 and7 schematic representations of the partial pulse combination for seed pulse generation, -
8th a schematic representation of the partial pulse generation and partial pulse combination based on a single laser pulse source, -
9 a schematic representation of the achievement of the desired target pulse shape by means of amplitude truncation at multiple intervention sites in a laser amplifier system and -
10 a schematic representation to illustrate an amplitude truncation.
Hierin offenbarte Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass eine Pulsbeschneidung am Ende eines Verstärkungsvorgangs ineffizient sein kann, da je nach Pulsform ein hoher Leistungsanteil durch die Pulsformung verloren gehen kann. Ferner ist eine dabei ausgekoppelte hohe (Verlust-) Leistung sicher, und damit aufwendig, abzuführen. Ferner kann eine Modulation von Laserpulsen bei sehr hohen Leistungen technisch nur schwer umzusetzen sein.Aspects disclosed herein are based, in part, on the recognition that pulse circumcision at the end of an amplification process may be inefficient because, depending on the pulse shape, a high power component may be lost through pulse shaping. Furthermore, a decoupled high (loss) power is safe, and thus consuming to dissipate. Furthermore, modulation of laser pulses at very high powers can be technically difficult to implement.
Die hierin offenbarten Aspekte basieren ferner zum Teil auf der Erkenntnis, dass eine große (exponentielle) Verstärkung es erforderlich machen kann, die Pulsform (eines Einzelpulses oder einer Burst-Pulsfolge) in einem Verstärkungsvorgang mit einer hohen Dynamik zu kontrollieren. Für eine Pulsformung mit hoher Dynamik können pulsformende Eingriffe vorgenommen werden, die die Form eines der Verstärkung zugrundeliegenden Pulses an einen stufenförmigen Verstärkungsvorgang anpassen. Dabei können die formenden Eingriffe an mindestens zwei verschiedenen Stellen innerhalb einer Verstärkerkette und/oder mittels zwei oder mehr unterschiedlicher Ansätze vorgenommen werden. Ausgangspunkt ist jeweils eine Pulsformung eines Seed-Pulses einer Seed-Laserpulsquelle. Dieser erste formende Eingriff stellt Seed-Pulse in einer Seed-Pulsfolge bereit, die eine Seed-Pulsdauer und eine innerhalb eines Bereichs während der Seed-Pulsdauer variierende und in ihrem Verlauf einstellbare Seed-Amplitude aufweisen. Diese kann z.B. durch eine einstellbare, beispielsweise ansteigende, Bestromung einer (Seed-) Laserdiode erfolgen. Allgemein kann der Seed-Puls als Einzelpuls oder als Burst-Pulsfolge ausgebildet sein. The aspects disclosed herein are further based in part upon the recognition that large (exponential) amplification may require controlling the pulse shape (of a single pulse or a burst pulse train) in a high dynamic gain process. For pulse shaping with high dynamics, pulse-forming interventions can be made which adapt the shape of a pulse underlying the amplification to a stepped amplification process. In this case, the shaping interventions can be made at at least two different locations within an amplifier chain and / or by means of two or more different approaches. The starting point is in each case a pulse formation of a seed pulse of a seed laser pulse source. This first shaping intervention provides seed pulses in a seed pulse train having a seed pulse duration and a seed amplitude varying within a range during the seed pulse duration and adjustable in course. This can be done for example by an adjustable, for example, increasing, energization of a (seed) laser diode. In general, the seed pulse can be designed as a single pulse or as a burst pulse train.
Da die Dynamik der Seed-Laserpulsquelle, im obigen Beispiel auf den Bereich, in dem die Bestromung vorgenommen werden kann, aufgrund der bereits angesprochenen Laserschwelle und Maximalamplitude einer Seed-Diode limitiert ist, wird hierin vorgeschlagen, mit einem zweiten formenden Eingriff (allgemein mit weiteren formenden Eingriffen) die Grenze in der Kontrolle des Dynamikumfangs der Pulsamplitude eines Seed-Pulses zu erweitern. Im jeweiligen Einzelfall können die formenden Eingriffe über analytische Modelle wie die Frantz-Nodvik-Gleichung oder andere numerische Ansätze simuliert und die formenden Eingriffe entsprechend angepasst werden. Zusätzlich oder alternativ können die formenden Eingriffe durch Messen von Pulsparametern und entsprechende iterative Verbesserungen der Eingriffe vorgenommen werden.Since the dynamics of the seed laser pulse source, in the above example, the region in which the current can be made limited due to the already mentioned laser threshold and maximum amplitude of a seed diode, it is proposed herein, with a second shaping engagement (in general with other shaping interventions) to extend the limit in the control of the dynamic range of the pulse amplitude of a seed pulse. In each individual case, the shaping interventions can be simulated using analytical models such as the Frantz-Nodvik equation or other numerical approaches, and the shaping interventions can be adapted accordingly. Additionally or alternatively, the shaping interventions may be performed by measuring pulse parameters and corresponding iterative enhancements of the interventions.
In einigen Ausführungsformen kann ein einzelner Ausgangspuls eines Laserverstärkersystems auf mehrere (direkt aneinander anschließende und sich überlappende) Teilpulse (als Einzelpuls oder als Burst-Pulsfolge) zurückgehen. Dabei können zur weiteren Erhöhung der Dynamik die Teilpulse überdies an unterschiedlichen Stellen der Verstärkerkette, z.B. zwischen benachbarten Verstärkerstufen, injiziert werden. Alternativ oder ergänzend kann ferner zwischen verschiedenen Verstärkerstufen eine Amplitudenanpassung vorgenommen werden. Dadurch können die Gesamtleistungsverluste minimiert bzw. zumindest reduziert werden.In some embodiments, a single output pulse of a laser amplifier system may be due to a plurality of (directly adjacent and overlapping) subpulses (as a single pulse or as a burst pulse train). Moreover, in order to further increase the dynamics, the partial pulses may also be applied at different locations of the amplifier chain, e.g. between adjacent amplifier stages. Alternatively or additionally, an amplitude adjustment can also be made between different amplifier stages. As a result, the total power losses can be minimized or at least reduced.
In einigen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen kann z.B. ein Puls durch Modulation des Stroms einer Laserdiode vorgeformt werden. Vor der nachfolgenden Verstärkerstufe und/oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen kann der Puls (als Einzelpuls oder als Burst-Pulsfolge) ferner durch einen optischen Modulator geformt werden. Hierdurch werden Pulsdeformationen, die während des Verstärkungsvorgangs beispielsweise aufgrund der Sättigung der Verstärkung entstehen, vorkompensiert oder zwischenkorrigiert. Da derartige Eingriffe in einem niedrigen Leistungsbereich des Verstärkungsvorgangs erfolgen, sind sie von geringeren Verlusten begleitet.In some embodiments described below, e.g. a pulse is preformed by modulating the current of a laser diode. Before the subsequent amplifier stage and / or between two successive amplifier stages, the pulse (as a single pulse or as a burst pulse sequence) can also be shaped by an optical modulator. As a result, pulse deformations that occur during the amplification process, for example due to the saturation of the gain, are precompensated or corrected in between. Since such interventions occur in a low power range of the amplification process, they are accompanied by lower losses.
Die oben angesprochenen und z.B. auf der Frantz-Nodvik-Gleichung basierenden analytischen Modelle können es erlauben, mit Blick auf die gewünschte Zielpulsform oder in Kenntnis vorgenommener Parameteränderungen im Lasersystem Seed-Pulsformen, evtl. speziell benötigte Kombination mehrerer Teil-Pulse und/oder das Beschneiden der Amplitude zu bestimmen und einzustellen. Derartige Regelungskonzepte können ferner mittels einer die Ansteuerung von z.B. involvierten Seed-Dioden durchführenden Steuerungseinheit während des Betriebs eines Lasersystems insbesondere in Echtzeit oder bei der Einstellung eines Betriebsmodus vorgenommen werden.The above mentioned and e.g. Based on the Frantz-Nodvik equation based analytical models may allow, with regard to the desired target pulse shape or in knowledge of parameter changes in the laser system seed pulse shapes, possibly specially required combination of multiple sub-pulses and / or trimming the amplitude to determine adjust. Such control concepts can also be implemented by means of a control of e.g. During the operation of a laser system, in particular in real time or in the setting of an operating mode, control units which are involved with seed diodes are made.
Viele Anwendungen von Kurzpulslasern beispielsweise im Nano- und Pikosekundenbereich können von einer derartigen Kontrolle über die Pulsform am Ausgang eines Lasersystems oder einer Verstärkerstufe profitieren. Nachfolgend werden verschiedene Maßnahmen zur Pulsformung beispielhaft im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert.Many applications of short-pulse lasers, for example in the nano- and picosecond range, can benefit from such control over the pulse shape at the output of a laser system or an amplifier stage. In the following, various measures for pulse shaping will be explained in more detail by way of example in connection with the figures.
Die Seed-Laserpulsquelleneinheit
Die Verstärkungskette 5 kann z.B. eine Sequenz von Faserverstärkerstufen
Die Verstärkungskette 5 kann ferner Modulatoren
Sich ergebende Ausgangspulse
Die derart verstärkten Endverstärkerpulse
Die eingangs angesprochenen verstärkungsbedingten Pulsverformungen können in den in der Verstärkungskette 5 eingesetzten Fasern bei entsprechend hoher Verstärkung (und entsprechender Inversion) entstehen. Entsprechend kann sich die ursprüngliche Seed-Pulsform während der Verstärkung in den (Faser-) Verstärkerstufen
Die Ansteuerungseinheit
Es wird angemerkt, dass in einigen Verstärkerkonfigurationen die Auswirkung des Verstärkungsvorgangs auf die Pulsform im Wesentlichen vernachlässigbar sein kann, beispielsweise wenn die zuvor angesprochene Sättigung nicht erreicht wird. Dies kann z.B. in einem entsprechend ausgelegten Scheibenverstärker der Fall sein (wobei allgemein auch in einem Scheibenverstärker eine Pulsformänderung eintreten kann). In einem Fall mit vernachlässigbarer Pulsformänderung ist die Zielpulsform im Wesentlichen bereits die Ausgangspulsform der Verstärkungskette
Beispielsweise kann ein - wie in
In
Durch die eingangs erwähnte Laserschwelle und Maximalamplitude wird jedoch der Dynamikbereich einer Seed-Laserdiode zwischen minimalem und maximalem Strom (bzw. zwischen minimaler und maximaler Seed-Pulsamplitude) eingeschränkt.However, the laser threshold and maximum amplitude mentioned at the outset limit the dynamic range of a seed laser diode between minimum and maximum current (or between minimum and maximum seed pulse amplitude).
In
Folglich stößt angesichts des realisierbaren Amplitudenanstiegs die Pulsformung an Grenzen des Dynamikbereichs der möglichen Ansteuerung der Laserdiode. Denn die eingangs angesprochene Modulation der Bestromung von Laserdioden reicht unter Umständen nicht dazu aus, ein Verformen der Seed-Pulse während des Verstärkungsvorgangs im Voraus derart zu kompensieren, dass sich die Zielpulsform nach der Verstärkung einstellt. Dies kann neben dem bereits genannten Fall, dass das Verstärkersystem über eine bzgl. einer Verformung zu hohe Verstärkung verfügt, auch dann eintreten, wenn die Zielpulsform selbst eine hohe (nicht vorkompensierbare) Dynamik aufweisen soll. Auch pulsformende Vorrichtungen wie z.B. ein AOM können in ihrem Dynamikbereich begrenzt sein.Consequently, in view of the realizable increase in amplitude, the pulse shaping encounters limits of the dynamic range of the possible activation of the laser diode. For the above-mentioned modulation of the energization of laser diodes may not be sufficient to compensate in advance for a deformation of the seed pulses during the amplification process in such a way that the target pulse shape adjusts itself after the amplification. This can occur in addition to the already mentioned case in which the amplifier system has a gain that is too high in terms of deformation, even if the target pulse form itself should have a high (not precompensatable) dynamic. Also, pulse forming devices such as e.g. An AOM can be limited in its dynamic range.
Die hierin beschriebenen Konzepte können es erlauben, eine gewünschte Zielpulsform für einen z.B. nachfolgenden Laserbearbeitungsvorgang auch in derartigen Fällen, z.B. bei hohen Laserleistungen nach dem Verstärkungsvorgang, zu ermöglichen. Die vorgeschlagene Pulsformung mit hoher Dynamik erfolgt durch formende Eingriffe an mindestens zwei verschiedenen Stellen eines Verstärkungsvorgangs. Neben einer Formung des Seed-Pulses - z.B. kann ein Puls durch Modulation des Diodenstroms vorgeformt werden - wird mindestens ein weiterer formender Eingriff vorgenommen.The concepts described herein may allow for a desired target pulse shape for a e.g. subsequent laser processing operation also in such cases, e.g. at high laser powers after the amplification process. The proposed pulse shaping with high dynamics is performed by shaping interventions at at least two different points of a gain process. In addition to shaping the seed pulse - e.g. For example, a pulse can be preformed by modulating the diode current - at least one other shaping intervention is made.
Der weitere formende Eingriff kann ferner das Konzept umfassen, dass ein zu verstärkender Seed-Puls aus mehreren Teilpulsen aufgebaut wird. Zum Beispiel können mehrere Teilpulse mit unterschiedlichen (beispielsweise über die Abschwächeinheit 4 in
Eine Grundidee dabei ist, dass eine kaskadierte Anordnung von Teilpuls-Seed-Quellen für zeitlich aufeinander folgende Segmente eines Seed-Pulses zuständig ist, wobei die Pulsdauern der Segmente üblicherweise kürzer ist als die Pulsdauer der Ausgangspulse. Beispielsweise können im obigen Beispiel Teilpulse/Zwischenpulse mit Pulsdauern im Bereich von 10% bis 90% von z.B. 250 ns kombiniert werden. Allgemein können auch kürzere oder längere Pulsdauern von z.B. 50 ns oder 10 µs aus Teilpulse/Zwischenpulse kombiniert werden. Dabei können Teilpuls-Seed-Quellen jeweils als einzelne Seed-Diode ausgebildet sein (wie nachfolgend zur Vereinfachung der Beschreibung in den
Allgemein basiert dann ein verstärkter Ausgangspuls entsprechend auf der Verstärkung von mindestens zwei Seed-Pulsen unterschiedlicher Seed-Pulsfolgen.In general, an amplified output pulse is then based on the amplification of at least two seed pulses of different seed pulse sequences.
Die
Kombiniert man immer mehr Teilpulse - z.B. zeigt
Ferner können sich Beiträgen von Teilpuls-Seed-Quellen zeitlich überlagern. Beispielsweise kann eine erste Teilpuls-Seed-Quelle von Anfang bis Ende strahlen und eine zweite Teilpuls-Seed-Quelle wird ab einem einstellbaren Zeitpunkt zugeschaltet.Furthermore, contributions from subpulse seed sources may overlap in time. For example, a first partial pulse seed source can radiate from beginning to end, and a second partial pulse seed source is switched on from an adjustable point in time.
In einigen Ausführungsformen befinden sich, wie schon in Verbindung mit
Die nachfolgenden Ausführungsformen sind beispielhaft für Seed-Dioden als Seed-Laser und Faserverstärkerstufen als Verstärkerstufe erläutert. Jedoch können auch andere, beispielsweise die bereits genannten, Arten von Seed-Lasern und Verstärkerstufen je nach Verstärkersystem eingesetzt werden.The following embodiments are explained by way of example for seed diodes as seed lasers and fiber amplifier stages as amplifier stage. However, other types of seed lasers and amplifier stages, such as those already mentioned, may be used depending on the amplifier system.
Nach der ersten Seed-Diode
Jedem Teilpuls kann ein Zeitbereich (beispielsweise ein Segment) des letztendlich die Verstärkerkette 5' verlassenden Ausgangspulses zugeordnet werden. Die hohe Dynamik einer solchen Zuordnung geht dabei auf die Nutzung der Sequenz von Verstärkerstufen
In der Ausführungsform gemäß
Die Ausführungsform gemäß
In der Ausführungsform gemäß
In weiteren Ausführungsformen können mehrere Teilpulse mit nur einem Seed-Laser erzeugt werden. Wie beispielhaft in
Beispielsweise wird in
Zusätzlich kann eine oder mehrere pulsformende Vorrichtungen (Modulatoren) zur zeitlichen Pulsformung zwischen Verstärkerstufen eingesetzt werden.In addition, one or more pulse shaping devices (modulators) may be used for timing pulse shaping between amplifier stages.
Zwischen aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen
In
Die Zwischenpulse können ferner (wie vorausgehend erläutert) vor oder nach der pulsformenden Vorrichtung
Auf diese Weise können Pulsdeformationen beispielsweise aufgrund der Sättigung der Verstärkung vor oder zwischen den Faserverstärkerstufen 61 korrigiert werden.In this way, pulse deformations may be corrected, for example, due to the saturation of the gain before or between the fiber amplifier stages 61.
Zurückblickend auf
Mit Blick auf die vielfältigen, hierin offenbarten Konzepte kann z.B. ein Faser-Seed-Laser eingesetzt werden, dessen (evtl. gestreckten) Seed-Pulse aufgeteilt und zumindest einseitig auf eine Verzögerungseinheit gegeben werden, die die aufgeteilten Seed-Pulse zueinander verzögert. Die aufgeteilten und eventuell verzögerten Seed-Pulse können gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ mit einem Modulator im jeweiligen Zweig in ihrer Energie moduliert und nachfolgend wieder zusammen geführt werden. Zusätzlich kann ein Modulator für das Zusammenführen vorgesehen werden, um den entsprechend zusammengesetzten Puls zu beschneiden. Danach kann eine Reihe von weiteren Verstärkern, die z.B. Faser-, Stab-, Slab-, Scheiben-basiert sein können, eine Verstärkerkette ausbilden. Zwischen diesen Verstärkern kann eine ergänzende Pulsformung wie in den Beispielen der Faserverstärkerketten gezeigt wurde, vorgenommen werden.With regard to the various concepts disclosed herein, e.g. a fiber-seed laser are used, the (possibly stretched) seed pulses are divided and at least one side given to a delay unit, which delays the split seed pulses to each other. The divided and possibly delayed seed pulses may optionally additionally or alternatively be modulated with a modulator in the respective branch in their energy and subsequently recombined. In addition, a modulator for merging may be provided to clip the correspondingly composed pulse. Thereafter, a series of further amplifiers, e.g. Fiber, rod, slab, disk-based, can form an amplifier chain. Between these amplifiers a supplementary pulse shaping as shown in the examples of fiber amplifier chains can be made.
Hinsichtlich des eingangs angesprochenen Seed-Quelle eines UKP-Lasers kann die Seed-Pulsfolge eine Einhüllende aufweisen, deren Amplitudenverlauf entsprechend mit den hierin offenbarten Konzepten eingestellt werden kann. Ferner können UKP-Seed-Pulse näher zusammenliegen als der Seed-Takt es vorgibt. Dies ist bei der Festlegung der Zielpulsform und der entsprechenden Ansteuerung der Seed-Dioden und/oder Modulator(en) von der Ansteuerungseinheit
Die hierin offenbarten Konzepte erlauben es ferner, den aus der (z.B. Faser-basierten) Verstärkerkette kommende Ausgangspuls (z.B. mit Leistungen im W-Bereich) als Eingangspuls für einen z.B. Scheibenlasermultipassverstärkersystem mit einer oder mehreren (Scheibenlaser-) Verstärkerstufen einzusetzen. Der letztendlich von der Laseranordnung zur Verfügung gestellte Laserstrahl hoher Leistung (z.B. im kW-Bereich) wird dann der jeweiligen Anwendung, beispielsweise einer Laserbearbeitungsanwendung, zugeführt.The concepts disclosed herein further allow the output pulse (e.g., with powers in the W range) coming from the (e.g., fiber-based) amplifier chain to be used as an input pulse for e.g. Insert a disk laser multiplex amplifier system with one or more (disk laser) amplifier stages. The high power laser beam (e.g., in the kW range) ultimately provided by the laser assembly is then applied to the particular application, for example, a laser processing application.
Bei manchen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, den Laserstrahl mit hoher Leistung, beispielsweise an einem zu bearbeitenden Werkstück, schnell in der Leistung zu modulieren, insbesondere auch die Bestrahlung zu unterbrechen. Hierzu können externe, der den Laserstrahl erzeugende Laseranordnung nachgeordnete, Modulatoren etc. eingesetzt werden. Diese erlauben es, die Laseranordnung in einem festgelegten (dem „optimalen“) Arbeitspunkt und damit bei konstanten und bekannten Strahlparametern zu betreiben. Jedoch sind derartige Modulatoren kostenintensiv und z.T. komplex in der Umsetzung, da sie und evtl. nachfolgende Aufbauten die z.T. sehr hohe ausgekoppelte Leistung handhaben (abführen) können müssen.In some applications, it may be advantageous to modulate the laser beam with high power, for example on a workpiece to be machined, quickly in the performance, in particular to interrupt the irradiation. For this purpose, external, the laser beam generating laser assembly downstream, modulators, etc. can be used. These allow the laser arrangement to be operated at a fixed (the "optimal") operating point and thus at constant and known beam parameters. However, such modulators are costly and z.T. complex in the implementation, since they and possibly subsequent structures the z.T. to handle (dissipate) very high decoupled power.
In einigen Ausführungsformen kann ein externer Modulator vor der Laserbearbeitung vorgesehen werden, um die Ausgangsleistung an Bearbeitungsverläufe anzupassen. So kann beispielsweise nach einem (z.B. kristallbasierten) Endverstärker der Ausgangspuls durch einen externen Modulator in seiner Intensität beschnitten werden, ohne dass dabei nennenswert eine Änderung der Pulsform (eines Einzelpulses oder einer Pulseinhüllenden bei Burst-Pulsfolgen) vorgenommen wird. Dies kann z.B. gewünscht werden, wenn man bei der Materialbearbeitung um eine Kurve fährt, z.B. eine Kurve schneidet, um z.B. die eingebrachte Energie konstant zu lassen.In some embodiments, an external modulator may be provided prior to laser processing to adjust the output power to processing histories. For example, according to a (e.g., crystal-based) power amplifier, the output pulse may be cropped by an external modulator without appreciably changing the pulse shape (a single pulse or a pulse envelope in burst pulse sequences). This can e.g. desired when turning around a curve in material processing, e.g. a curve intersects, e.g. to keep the introduced energy constant.
Unter Verwendung der hierin offenbarten Konzepte kann alternativ oder ergänzend zu einem externen Modulator die Leistung der Eingangspulse für einen einer Verstärkungskette nachfolgenden Hauptverstärker, z.B. für den Scheibenmultipassverstärker, variiert werden. D.h., es werden z.B. die Ausgangspulse der Verstärkerkette 5 in
Nach einer Änderung der eingekoppelten Ausgangspulse der Verstärkerkette 5 ändert sich auch die Leistungsextraktion aus der Laserscheibe des Scheibenmultipassverstärkers. Dies kann schon nach kurzer Zeit (typischerweise im Bereich von Mikrosekunden) zu einer Änderung der Verstärkung im Hauptverstärker, zu einer Änderung des Gewinns aus der Laserscheibe sowie zu einer Änderung (typischerweise im Bereich von Millisekunden) von thermischen Belastungen z.B. der Laserscheibe führen.After a change in the coupled-in output pulses of the amplifier chain 5, the power extraction from the laser disk of the disk multiplex amplifier also changes. This can result in a change in the gain in the main amplifier, a change in the gain from the laser disk, and a change (typically in the millisecond range) in thermal stresses, e.g., after a short time (typically in the range of microseconds). lead the laser disc.
Um diese beiden Aspekte auszugleichen, kann bei einer Modulation der zugeführten Pulsleistung die Pumpleistung für den Scheibenmultipassverstärker derart geändert werden, dass die dissipierte Leistung und damit die thermische Linse, welche in der Laserscheibe entsteht, in erster Näherung konstant bleibt.To compensate for these two aspects, the pump power for the disk multiplex amplifier can be changed in a modulation of the supplied pulse power such that the dissipated power and thus the thermal lens, which arises in the laser disk, remains constant to a first approximation.
Ferner kann die Änderung im Gewinn des Scheibenmultipassverstärkers über eine dynamische Änderung der Eingangspulsleistung kompensiert werden oder die Änderung kann über einen Effekt, der die maximale Verstärkung limitiert (z.B. quer-ASE, Hilfsresonator oder gesteuerte Pumpleistung im Hauptverstärker), begrenzt werden.Further, the change in the gain of the disk multiplex amplifier may be compensated via a dynamic change in the input pulse power, or the change may be limited by an effect limiting the maximum gain (e.g., cross-ASE, auxiliary resonator or controlled pump power in the main amplifier).
Die Änderung der Pumpleistung im Hauptverstärker kann z.B. entweder gesteuert oder geregelt erfolgen. Für letzteren Fall kann eine Messung der Scheibenbrechkraft oder eines anderen, die thermische Linse beschreibenden Parameters (z.B. Scheibentemperatur) erfolgen. Z.B. können die Strahlparameter des Laserstrahls oder eines Hilfslaserstrahls, der kollinear zum Laserstrahl propagiert, vermessen und als Regelsignal dienen. Eine geeignete Modellbildung kann dabei eingesetzt werden, denn z.B. kann je nach Laserkonfiguration die Wärmeerzeugung bei reduzierter Eingangspulsleistung und konstanter Pumpleistung steigen oder fallen.The change in pump power in the main amplifier can be e.g. either controlled or regulated. For the latter case, a measurement may be made of the disk power or other parameter describing the thermal lens (e.g., disk temperature). For example, For example, the beam parameters of the laser beam or of an auxiliary laser beam, which propagates collinearly to the laser beam, can be measured and used as a control signal. Appropriate modeling can be used, e.g. Depending on the laser configuration, heat generation may increase or decrease with reduced input pulse power and constant pump power.
Ein Nachteil bei der zuvor beschriebenen Vorgehensweise ist, dass die Laserverstärkung, insbesondere der Lasergewinn über die Pulsdauer, nicht konstant gehalten werden kann, so dass es bei einer Änderung der Eingangspulsleistung zu entsprechenden Pulsüberhöhungen kommen kann. Derartige Pulsüberhöhungen können beispielsweise über eine geeignete Anpassung der Eingangspulsenergie, und insbesondere über eine Anpassung des Amplitudenverlaufs der eingekoppelten Ausgangspulse mithilfe der hierin offenbarten Konzepte des dynamischen Seedens, unterdrückt werden.A disadvantage of the procedure described above is that the laser gain, in particular the laser gain over the pulse duration, can not be kept constant, so that when the input pulse power changes, corresponding pulse peaks can occur. Such pulse overshoots can be suppressed, for example, by suitable adaptation of the input pulse energy, and in particular by adaptation of the amplitude profile of the injected output pulses by means of the dynamic seed concepts disclosed herein.
Ein beispielhafter Ablauf kann zusammenfassend die folgenden Schritte aufweisen:
- (1) Die Ausgangsleistung der Laseranordnung wird über die Eingangspulserzeugung des Scheibenmultipassverstärkers nach unten moduliert, beispielsweise um die halbe Ausgangsleistung zu erhalten.
- (2) Die Sättigung des Scheibenmultipassverstärkers ändert sich und die Scheibe wird z.B. wärmer, da das Inversionsniveau steigt. Gleichzeit steigt die Verstärkung des Scheibenmultipassverstärkers.
- (3) Die Pumpleistung wird reduziert, so dass die Verstärkung zurückgeht.
- (4) Die Eingangspulsenergie muss wieder etwas angehoben werden, um eine konstante Ausgangsenergie nach dem Scheibenmultipassverstärker beizubehalten.
- (5) Es ergibt sich eine bessere Sättigung und die Laserscheibe wird kälter. Entsprechend wird die Pumpleistung für den Scheibenmultipassverstärker erhöht, die Eingangspulsenergie ist wieder zu reduzieren und so fort.
- (1) The output power of the laser array is modulated down through the input pulse generation of the disk multiplex amplifier, for example, to obtain half the output power.
- (2) The saturation of the disk multiplex amplifier changes and the disk becomes warmer, for example, as the inversion level increases. At the same time, the gain of the disk multiplex amplifier increases.
- (3) The pump power is reduced so that the gain decreases.
- (4) The input pulse power must be raised again slightly to maintain a constant output power after the disc multiplex amplifier.
- (5) There is better saturation and the laser disc gets colder. Accordingly, the pump power for the disk multiplex amplifier is increased, the input power is to be reduced again and so forth.
Immer wenn im Rahmen eines vorgenommenen Schrittes Pulsüberhöhungen zu erwarten sind, kann der Amplitudenverlauf der in den Hauptverstärker eingekoppelten Ausgangspulse der Verstärkungskette entsprechend angepasst werden. Zusätzlich kann sich auch die Strahlkaustik durch die Modulation ändern, so dass auch die Ausgangsstrahlgröße eventuell anzupassen ist, wobei den Veränderungen unterschiedliche Zeitskalen zugrunde liegen können. Es ist dabei zu erkennen, dass die Amplitudenanpassung an den jeweiligen Zielamplitudenverlauf im Allgemeinen ein komplexer regelungstechnischer Vorgang ist, der z.B. über ein geeignetes Modell parametrisiert werden kann.Whenever pulse peaks are to be expected within the scope of a step taken, the amplitude characteristic of the output pulses of the amplification chain coupled into the main amplifier can be adapted accordingly. In addition, the beam caustics may change due to the modulation, so that the output beam size may also have to be adapted, whereby the changes may be based on different time scales. It will be appreciated that the amplitude adjustment to the respective target amplitude curve is generally a complex control process, e.g. can be parameterized via a suitable model.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly pointed out that all features disclosed in the description and / or the claims are considered separate and independent of each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the feature combinations in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range indications or indications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as the limit of a range indication.
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