DE102019131507A1 - Scheibenlaserverstärker zur Erzeugung variabler Pulszüge - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) zur Erzeugung und/oder Verstärkung von Laserpulsen (2), umfassend einen Resonator (3) mit wenigstens einem elektrooptischen Schalter (4) zum Schließen oder Öffnen des Resonators (3) und wenigstens einem Laserverstärkungsmedium (5) als Festkörperscheibe, so dass bei geschlossenem Resonator (3) wenigstens einer der Laserpulse (2) den Resonator (3) mehrfach durchläuft und dabei auf eine Zielpulsenergie verstärkt wird. Der erfindungsgemäße Scheibenlaserverstärker zeichnet sich dadurch aus, dass der Scheibenlaserverstärker (1) Mittel zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung (11) des Laserverstärkungsmediums (5) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) zur Erzeugung und/oder Verstärkung von Laserpulsen (2), umfassend einen Resonator (3) mit wenigstens einem elektrooptischen Schalter (4) zum Schließen und Öffnen des Resonators (3) und wenigstens einem Laserverstärkungsmedium (5) als Festkörperscheibe, so dass bei geschlossenem Resonator (3) wenigstens einer der Laserpulse (2) den Resonator (3) mehrfach durchläuft und dabei auf eine Zielpulsenergie verstärkt wird.
  • Solche Scheibenlaserverstärker werden zur Erzeugung und/oder Verstärkung von mehreren aufeinanderfolgenden Laserpulsen, also Laserpulszügen eingesetzt. Dabei ist der Resonator zur Führung der Laserpulse entlang eines optischen Strahlengangs über das Laserverstärkungsmedium und den elektrooptischen Schalter ausgelegt. Der Schalter ist zwischen wenigstens zwei Zuständen - einem offenen und geschlossenen Zustand - schaltbar ausgelegt, wobei wenigstens einer der zu verstärkenden Laserpulse im geschlossenen Zustand im Resonator optisch eingesperrt ist und im offenen Zustand aus dem Resonator ein- und/oder ausgekoppelt wird.
  • Bei herkömmlichen Scheibenlaserverstärkern ist die Wiederhol- bzw. Repetitionsrate der verstärkten und/oder erzeugten Laserpulse üblicherweise fest vorgegeben, damit der Scheibenlaserverstärker in einem thermischen und laseroptischen Gleichgewichtszustand betrieben wird.
  • Die Laserpulse werden nach der Verstärkung z.B. mithilfe eines Scanners auf ein Werkstück geführt. Um eine gleichmäßige Bearbeitung des Werkstücks durch die Laserpulse zu gewährleisten ergibt sich die Anforderung, dass die Laserpulse passend zur Geschwindigkeit des Scanners und der gewünschten Bearbeitungsstruktur moduliert werden müssen. Hierfür wird herkömmlicherweise ein externer Modulator verwendet, um einzelne Laserpulse entweder teilweise oder vollständig abzuschwächen. So kann eine zur Scannergeschwindigkeit synchrone Folge aus Laserpulsen erzeugt werden.
  • Das Problem bei der Verwendung von externen Modulatoren ist die Notwendigkeit eines zusätzlichen elektrooptischen Schalters, sowie die Begrenzung der Wiederholrate auf ganzzahlige Teiler der Wiederholrate des vom Scheibenlaserverstärkers erzeugten Laserpulszuges. Vorteilhaft wäre es, die Repetitionsrate des Laserpulszuges an die Geschwindigkeit des Scanners anpassen zu können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Scheibenlaserverstärker bereitzustellen, der variable Laserpulszüge synchron zur Scannergeschwindigkeit ohne nachfolgend externen Modulator ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen Scheibenlaserverstärker nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass der Scheibenlaserverstärker Mittel zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung des Laserverstärkungsmediums umfasst.
  • Günstig ist es, wenn die Mittel zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung einen Fluoreszenzsensor und eine Recheneinheit umfassen, derart ausgelegt, dass die Kleinsignalverstärkung als Funktion des mit dem Fluoreszenzsensors gemessenen Signals bestimmt wird. Abzüglich einer Konstante ist ein proportionaler Zusammenhang zwischen Fluoreszenzsignal und Kleinsignalverstärkung denkbar. Besonders günstig ist es darüber hinaus, wenn die Kleinsignalverstärkung als Funktion des Fluoreszenzsignals und der Zielpulsenergie des ausgekoppelten Laserpulses bestimmt wird, um etwaige Sättigungseffekte abzubilden. Bei Einsatz eines Fluoreszenzsensors ist es günstig, wenn ein optischer Filter die Pumpwellenlänge blockiert und die Fluoreszenzwellenlänge wenigstens teilweise transmittiert.
  • Anstatt des Fluoreszenzsensors ist auch eine Photodiode denkbar, die die Leistung eines Messlaserstrahls nach Übergang über das Verstärkungsmediums vermisst. Im Folgenden wird das Messignal des Fluoreszenzsensors oder der Photodiode zur Messung der Verstärkung als Kleinsignalverstärkungsmesssignal bezeichnet.
  • Zweckmäßigerweise ist die Funktion zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung stetig und über eine zuvor festgelegte Kalibrierungsmatrix an Stützstellen vorgegeben.
  • Es ist günstig, wenn der Scheibenlaserverstärker eine Verzögerungsschaltung, zum Schalten des elektrooptischen Schalters in den geschlossenen Zustand nach einem variablen Zeitintervall t1 nach einem Triggersignal, sowie eine weitere Verzögerungsschaltung zum Schalten des elektrooptischen Schalters in den offenen Zustand nach einem Zeitintervall t2 nach dem Triggersignal umfasst und die Verzögerungsschaltungen so ausgelegt sind, dass die Differenz der beiden Zeitintervalle t1 und t2, also die Verstärkungszeit, anti-proportional zur Kleinsignalverstärkung ist.
  • Vorzugsweise ist dabei das Zeitintervall t2 als fest, also nicht veränderbar, vorgegeben. Bei bekanntem und sich nicht verändernden Zeitintervall t2 ist die Verzögerung zwischen Triggersignal und Auskoppeln des verstärkten oder erzeugten Laserpulses aus dem Resonator konstant. Ein Scanner und/oder Bearbeitungsanlage kann dann auf diese Verzögerung hin eingestellt werden. Wenn das Zeitintervall t2 konstant ist, so ist in Folge das Zeitintervall t1 proportional zur Kleinsignalverstärkung.
  • Durch die Veränderung der Verstärkungszeit und damit Anzahl der Umläufe des Laserpulses im Resonator, kann effektiv eine Variation der sich über die Umläufe ergebenden Gesamtlänge des Laserverstärkungsmediums realisiert werden, was bei linearen Verstärkerkonzepten wie z.B. Stablaserverstärkern oder Faserlaserverstärkern, oder auch Scheibenlaserverstärker mit fester Zahl an Übergängen über das Verstärkungsmedium nicht möglich ist.
  • Als Resonator ist ein Ringresonator oder aber auch ein linearer Resonator denkbar.
  • Bei Verstärkung eines Seedlaserpulses, ist die Verzögerungsschaltung günstigerweise so ausgelegt, dass das Zeitintervall t1 nicht stetig, sondern in Intervallen, die einer Umlaufzeit des Laserpulses im Resonator entsprechen, variiert wird.
  • Bei Verstärkung eines Seedlaserpulses, der zuvor mithilfe eines Laseroszillators generiert wurde, ergibt sich die Gesamtverstärkung in etwas aus der Verstärkung bei einem einfachen Übergang des Seedlaserpulses über das Laserverstärkungsmedium und der Anzahl an Umläufen des Laserpulses im Resonator. Dadurch können sich Abweichungen in der Pulsenergie von der Zielpulsenergie bei Veränderung der Repetitionsrate und etwaiger Anpassung der Länge der Verstärkungszeit ergeben. Um die Pulsenergie des verstärkten Laserpulses konstant zu halten ist es in diesem Fall zweckmäßig, dass der Scheibenlaserverstärker Mittel zur Abschwächung der Seedlaserpulseenergie vor Einkopplung in den Resonator umfasst.
  • Solche Mittel zur Abschwächung der Seedlaserpulsenergie können beispielsweise einen weiteren elektrooptischen Modulator (z.B. AOM oder Pockelszelle) umfassen.
  • Günstig ist es, wenn die Mittel zur Abschwächung der Seedlaserpulsenergie so ausgelegt sind, dass das Verhältnis aus Zielpulsenergie zur abgeschwächten Seedlaserpulseenergie gleich einer aus der Kleinsignalverstärkung (6) berechneten Gesamtverstärkung ist.
  • Zweckmäßigerweise wird die Gesamtverstärkung derart berechnet, dass sich diese als Exponentialfunktion aus dem Produkt der Zahl der Umläufe multipliziert mit der zuvor bestimmten Kleinsignalverstärkung (6) ergibt, wobei die Zahl der Umläufe gleich der Verstärkungszeit geteilt durch die Umlaufzeit eines Pulses im Resonator ist. Günstig ist es, wenn die Verzögerungsschaltung so ausgelegt ist, dass eine Verstärkungszeit gewählt wurde, bei der die sich aus der Gesamtverstärkung ergebende Pulsenergie bei nicht abgeschwächter Seedpulsenergie gleich oder größer ist als die gewünschte Zielpulsenergie.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mittel zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung ferner Mittel zur Kalibrierung des Kleinsignalverstärkungsmesssignals umfasst und diese Kalibriermittel ein Pulsenergiemeter zur Messung der Pulsenergie des Seedlaserpulses vor Einkopplung, sowie des verstärkten Laserpulses nach Auskopplung aus dem Resonator umfasst und die Kleinsignalverstärkung als Funktion des Kleinsignalverstärkungsmesssignals und der Pulsenergie nach dem Resonator in der Kalibrierungsmatrix gespeichert wird, wobei sich die Kleinsignalverstärkung aus der Gesamtverstärkung, also dem Verhältnis der Pulsenergie nach dem Resonator zur Pulsenergie vor dem Resonator, und einer für diese Gesamtverstärkung angenommenen Exponentialfunktion aus dem Produkt aus Verstärkungszeit und Kleinsignalverstärkung ergibt. Als Pulsenergiemeter ist eine entsprechend ausgebildete Photodiode denkbar. Zweckmäßigerweise wird so aus den gemessenen Pulseenergien bestimmte Kleinsignalverstärkung als einzelner Stützpunkt bzw. Kalibrierungswert in der Kalibrierungsmatrix gespeichert.
  • Zweckmäßigerweise erfolgt eine Anpassung einzelner Kalibrierungswerte der Kalibrierungsmatrix kontinuierlich während des Betriebs des Scheibenlaserverstärkers. Vorteilhaft ist eine Mittelung aufeinanderfolgend bestimmter Kalibrierungswerte.
  • Günstig ist es auch, wenn der Scheibenlaserverstärker einen Kalibrierungsmodus umfasst, in dem der Scheibenlaserverstärker derart angesteuert wird, dass verschiedene Pulsenergien und Repetitionsraten durchgefahren werden und so die Kalibrierungsmatrix mit Werten gefüllt wird.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Scheibenlaserverstärker einen Frequenzgenerator zur Erzeugung mehrerer aufeinanderfolgender Triggersignale als Triggerpulszug, einen elektrischen Eingang zum Auswählen der Repetitionsrate und/oder einen elektrischen Eingang zur Festlegung der Phase des Triggerpulszuges umfasst.
  • Denkbar ist auch ein digitaler Eingang, über den verschiedene zuvor festgelegte Programme mit zuvor festgelegter Phase und Repetitionsrate für den Triggerpulszug ausgewählt werden können.
  • Zusätzlich kann der Scheibenlaserverstärker einen Eingang für ein „Pulse on Demand“ Triggersignal umfassen, bei dem die Phase des Triggerpulszuges auf Null gesetzt wird, und unmittelbar ein Triggerpuls folgt.
  • Um etwaige Resonanzen des elektrooptischen Schalters zu vermeiden, umfasst der Scheibenlaserverstärker eine Schaltung zur Vermeidung von Resonanzfrequenzen des elektrooptischen Schalters. Bei dem elektrooptischen Schalter handelt es sich beispielsweise um eine Pockelszelle. Beim Anlegen einer osszillierenden Hochspannung an einen elektrooptischen Kristall kann es bei bestimmten Resonanzfrequenzen zu resonanten mechanische Schwingungen kommen. Mithilfe der Schaltung zur Vermeidung von Resonanzfrequenzen, werden bestimmte voreingestellte Frequenzfenster bei der Erzeugung des Triggerpulszuges mithilfe des Frequenzgenerators unterbunden. Beispielsweise ist die Schaltung so ausgelegt, dass ein Betrieb bei voreingespeicherten Repetitionsraten unterbunden wird, indem abweichend von dem über den Eingang angeforderten Wert, die Repetitionsrate des Triggerpulszuges auf die nächste erlaubte benachbarte Repetitionsrate verändert wird.
  • Denkbar sind auch Mittel zur Detektion von Resonanzfrequenzen, so dass bei Detektion einer Resonanz die Frequenz des Triggerpulszuges verändert wird. Solche Mittel zur Detektion von Resonanzfrequenzen könnten beispielsweise eine Photodiode umfassen, die die mittlere Leistung und/oder Energie von durch den elektrooptischen Schalter transmittierten Laserpulse bei offenem Schalterzustand überwachen.
  • Bei der Verstärkung eines Laserpulses mithilfe des Scheibenlaserverstärkers, wird ein Seedlaserpuls vor der Verstärkung über einen externen Laseroszillator erzeugt und über Mittel zur Einkopplung der Seedlaserpulse in den Resonator in diesen eingekoppelt, wobei bei der Erzeugung von Laserpulsen mithilfe des Scheibenlaserverstärkers sich ein solcher Laserpuls im geschlossenen Resonator als Laserleistung aus dem Fluoreszenzlicht selbständig aufbaut. Letzteren Betriebsmodus des Scheibenlaserverstärkers ist als sog. „Cavitydumped mode“ bekannt.
  • Durch den elektrooptischen Schalter transmittierte Laserpulse zur Detektion von Resonanzen des elektrooptischen Schalters können beispielsweise die Seedlaserpulse sein. Eine Oszillation der Seedlaserpulsenergie während des geöffneten Zustands des elektrooptischen Schalters über eine zuvor festgelegte Amplitudendifferenz hinaus, bedeutet das Vorhandensein einer Resonanz. Der Scheibenlaserverstärker ist dann so ausgelegt, dass die Wiederholrate des Triggerpulszuges in einem solchen Fall um einen vordefinierten Wert verändert wird. Zweckmäßigerweise erfolgt die Veränderung der Wiederholrate proportional zur Amplitudendifferenz der oszillierenden Seedlaserpulsenergie.
  • Vorteilhaft ist es, wenn der Scheibenlaserverstärker einen elektrischen Ausgang umfasst, der den vom Frequenzgenerator erzeugten Triggerpulszug und/oder ein analoges Signal dass die aktuelle Repetitionsrate angibt bereitstellt. So kann ein mit dem Scheibenlaserverstärker verbundener Scanner in seiner Geschwindigkeit auf die tatsächliche Wiederholrate der erzeugten und/oder verstärkten Laserpulse hin korrigiert werden.
  • Eine Veränderung in der Repetitionsrate der verstärkten bzw. erzeugten Laserpulse bei konstanter Energie der Laserpulse führt zu einer Veränderung der extrahierten Laserleistung und in Folge zu einer Variation der Kleinsignalverstärkung im Laserverstärkungsmedium. Um die Gesamtverstärkung möglichst genau vorhersagen zu können, ist es zweckmäßig wenn die Mittel zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung so ausgelegt sind, dass die Bestimmung unmittelbar nach dem Triggersignal erfolgt.
  • Ferner ist es günstig, wenn der Scheibenlaserverstärker einen weiteren elektrischen Eingang zur Veränderung bzw. Modulierung der Energie der verstärkten Laserpulse, also zur Vorgabe der Zielpulsenergie umfasst.
  • Eine variable Repetitionsrate des verstärkten Pulszuges führt bei gleichbleibender Pulsenergie dazu, dass mehr oder weniger Leistung aus dem Laserverstärkungsmedium extrahiert wird. Dies kann zu einer Veränderung des thermischen Gleichgewichts im Laserverstärkungsmedium führen.
  • Zur Vermeidung einer Änderung des thermischen Gleichgewichtzustandes ist es zweckmäßig, wenn der Scheibenlaserverstärker Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Laserverstärkungsmediums umfasst, sowie Mittel zur Veränderung der Pumpleistung. Dabei wird die Temperatur z.B. über einen IR Sensor bestimmt, oder eine Temperatur indirekt über eine zuvor festgelegten Zusammenhang zwischen Pumpleistung und extrahierter Leistung berechnet und die Pumpleistung so angepasst, dass die Temperatur im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Es ist ferner zweckmäßig, wenn der Scheibenlaserverstärker Mittel zur Bestimmung der thermischen Linse des Laserverstärkungsmediums umfasst. Diese können z.B. ein Kamerasystem zur Überwachung der Strahlgröße, oder einem Shack-Hartmann Sensor umfassen. Die Mittel zur Veränderung der Pumpleistung sind dann so ausgelegt, dass die Pumpleistung entsprechend zur thermischen Linse verändert wird und so die thermische Linse des Laserverstärkungsmediums im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Auch kann der Scheibenlaserverstärker Mittel zur Bestimmung des Verkippungsgrades des Laserverstärkungsmediums umfassen. In diesem Fall ist es dann zweckmäßig, dass die Verkippung des Laserverstärkungsmediums über einen im Winkel veränderbaren Halter, zur Halterung einer im Strahlengang des Resonators angeordneten Optik (z.B. Scheibenlaserverstärkermedium oder Spiegel), ausgeglichen wird.
  • Um thermische Veränderungen möglichst gering zu halten, ist es zweckmäßig, wenn die Scheibendicke des Laserverstärkungsmediums < 200 um oder < 150 um ist. Als Laserverstärkungsmedium kommen zum Beispiel Yb dotierte Kristalle, wie Yb:YAG, Yb:LuAG, Yb:CALGO, Yb:KGW in Frage. Auch andere Laserkristalle sind denkbar.
  • Günstig sind ferner Mittel zur Messung der Pulsenergie des im Resonator umlaufenden Laserpulses nach einigen Umläufen im Resonator, wobei der Scheibenlaserverstärker zusätzlich eine Begrenzerschaltung umfasst, die das Zeitintervall t2 bei Überschreiten der gemessen Pulsenergie von einer zuvor festgelegten Triggerpulsenergie derart verkleinert, dass die Pulsenergie des verstärkten Laserpulses auf eine Maximalpulsenergie begrenzt wird.
  • Zweckmäßigerweise umfasst der Scheibenlaserverstärker zusätzlich Mittel zur Bestimmung der Seedlaserpulsenergie, wobei dann die Seedlaserpulsabschwächung so ausgebildet ist, dass Veränderungen in der Seedlaserpulsenergie ausgeglichen werden.
  • Vorteilhaft ist es, wenn der Scheibenlaserverstärker zusätzlich einen Hilfsresonator umfasst, der bei Überschreiten einer bestimmten Fluoreszenzleistung automatisch anschwingt. Dazu muss die Auskoppelrate des Hilfsresonators so groß gewählt werden, dass der Hilfsresonator bei einem normalen Betrieb des Scheibenlaserverstärkers gerade nicht anschwingt.
  • Es ist denkbar, dass der Scheibenlaserverstärker Mittel zur Frequenzkonversion der verstärkten Laserpulse umfasst. Solche Mittel können einen oder mehrere nichtlineare Kristalle umfassen, wie z.B. BBO oder LBO. Zweckmäßigerweise sind die Mittel zur Frequenzkonversion außerhalb des Resonators zur Konversion der verstärkten Laserpulse angeordnet.
  • Es ist dann zweckmäßig, wenn der Scheibenlaserverstärker wenigstens einen Filter, der den nicht konvertierten Wellenlängenanteil herausfiltert, sowie Mittel zur Veränderung der Spitzenleistung des ausgekoppelten verstärkten Laserpulses umfasst.
  • Die Mittel zur Veränderung der Spitzenleistung des ausgekoppelten verstärkten Laserpulses können beispielsweise als elektrooptischer Schalter, welcher mit zwei unterschiedlichen Schaltgeschwindigkeiten geöffnet werden kann, realisiert sein. Im geöffneten Zustand des elektrooptischen Schalters werden Laserpulse aus dem Resonator ausgekoppelt. Es ist dann günstig, wenn eine der Schaltgeschwindigkeiten langsamer ist, als die Zeit, die ein Puls benötigt um im Resonator umzulaufen. Noch günstiger ist es, wenn die Schaltgeschwindigkeit wesentlich länger ist als mehrere, z.B. > 10, Umläufe im Resonator.
  • Ein elektrooptischer Schalter mit mehreren Schaltgeschwindigkeiten kann mehrere elektrooptische Schalter umfassen, die jeweils für sich genommen eine feste Schaltgeschwindigkeit aufweisen, aber in Kombination zwei Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen. Z.B. können diese Schalter in Reihe geschaltet sein. Dabei kann - bei zwei elektrooptischen Schaltern - z.B. der langsame Schalter zunächst geschlossen sein und der schnelle Schalter geöffnet. Zum schnellen Schließen des elektrooptischen Schalters zum Einkoppeln eines Pulses in den Resonator kann daraufhin der schnelle Schalter geschlossen werden. Beim Auskoppeln des verstärkten Pulses wird dann entweder der schnelle oder der langsame Schalter geöffnet.
  • Zur Erzeugung eines modulierten Pulszuges lässt sich zweckmäßigerweise in einem Zeitintervall, welches kleiner als ein Resonatorumlauf ist, der elektrooptische Schalter nur teilweise auf eine bestimmte Auskoppelrate schalten und/oder in einem längeren zweiten Zeitintervall, welches größer als ein oder mehrere Resonatorumläufe ist, auf eine zweite Auskoppelrate.
  • Beim Schalten des elektrooptischen Schalter mit einer langsamen Geschwindigkeit, also über ein im Vergleich zur Umlaufzeit im Resonator langes Zeitintervall, vergrößert sich nur langsam die Auskoppelrate aus dem Resonator, so dass mehrere Einzelpulse mit geringerer Energie ausgekoppelt werden.
  • Da die Konversion in einem nichtlinearen Kristall nichtlinear mit der Pulsenergie skaliert, wird die Konversionsrate reduziert, so dass Laserpulse aus dem frequenzkonvertierten Laserpulszug moduliert oder sogar vollständig abgeschwächt werden können.
  • Auch denkbar ist es, wenn der Scheibenlaserverstärker zur Verstärkung von Laserpulsen mit zwei unterschiedlichen Pulsdauern ausgelegt ist.
  • Günstig ist es, wenn der Scheibenlaserverstärker ausgelegt ist einen Seedlaserpuls mit Piko- oder Femtosekundenlänge zu verstärken, ein einzelner Puls weggelassen werden kann, indem der Scheibenlaserverstärker anstatt einen Seedlaserpuls einzukoppeln, ohne Seedlaserpuls betrieben wird und das Verstärkungsfenster zur Erzeugung eines Cavity-Gedumpten Pulses verlängert wird. Es wird dann ein langer Puls mit ns-Länge erzeugt, passend zur Länge des Resonators. Um den Resonator ohne Seedlaserpuls zu schließen, muss das Zeitintervall t1 derart gewählt werden, dass der Schaltvorgang zu einer Zeit erfolgt in der kein Seedlaserpuls im Resonator verweilt. Um zu verhindern, dass ein Seedlaserpuls in den Resonator eingekoppelt wird, kann auch der Seedlaserpuls mithilfe der Mittel zur Abschwächung der Seedlaserpulse vollständig abgeschwächt werden.
  • Auch denkbar ist es, dass der Scheibenlaserverstärker zwei Seedlaserosszillatoren umfasst, einen zur Erzeugung von Femtosekunden oder Pikosekundenpulsen und einen zur Erzeugung von Nanosekundenpulsen.
  • Zweckmäßigerweise sind die Mittel zur Messung der Pulsenergie des verstärkten Laserpulses nach dem Auskoppeln aus dem Resonator bei Vorhandensein von Mitteln zur Frequenzkonversion nach dem Wellenlängenfilter angeordnet. So kann eine sich mit der Wiederholrate verändernde Konversionseffizienz in der Kalibrierungsfunktion bzw. Kalibrierungsmatrix Berücksichtigung finden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Scheibenlaserverstärkers wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Scheibenlaserverstärkers und
    • 2 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Scheibenlaserverstärkers mit Mitteln zur Frequenzkonversion und
    • 3 ein Zeitablaufdiagramm für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Schei be n laserverstärke rs.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines regenerativen Scheibenlaserverstärkers (1) zur Erzeugung und/oder Verstärkung von ultrakurzen Laserpulsen (2).
  • Der Scheibenlaserverstärker (1) umfasst einen Seedlaser (22) zur Erzeugung von Seedlaserpulsen (23), sowie einen Isolator (24) zum Schutz des Seedlasers vor Rückreflexen. Die Seedlaserpulse (23) propagieren durch einen akustooptischen Modulator (AOM) (11) um dort abgeschwächt und/oder vollständig umgelenkt zu werden.
  • Je nach Ansteuerung des AOM (11), werden die Seedlaserpulse (23) über einen Polarisator (25) in den Resonator (3) eingekoppelt. Dabei ist der Resonator (3) als Ringresonator ausgebildet und besteht aus zwei Polarisatoren (25,26), zwei Umlenkspiegeln (27,28), einem Scheibenlaserverstärkungsmedium (5), sowie einer Pockelszelle (4) als elektrooptischem Schalter zum Öffnen und oder Schließen des Resonators (3), wobei die Pockelszelle eine Wellenplatte zur Drehung der Polarisation um 90° umfasst.
  • Bei geöffneter Pockelszelle (4) liegt keine Hochspannung an dem BBO Kristall der Pockelszelle (4) an und es findet aufgrund der Wellenplatte eine Polarisationsdrehung um 90° statt. In diesem Fall werden die Seedpulse (23) abhängig von Ansteuerung des AOM (11) in unterschiedlichen Propagationsrichtungen durch den Resonator (3) einmal über das Verstärkungsmedium (5) geführt. Dabei wird der Seedpulslaserstrahl zweimal oder gar nicht über die Pockelszelle (4) geführt, in jedem Fall aber am zweiten Polarisator (26) aus dem Resonator (3) ausgekoppelt.
  • Der AOM (11) wird in diesem Ausführungsbeispiel so angesteuert, dass bei geöffneter Pockelszelle (4) die Seedpulse (23) in Uhrzeigerrichtung über das Verstärkungsmedium (5) geführt werden. Eine Kamera (13,14) hinter dem zweiten Polarisator dient dann zur Messung der Seedpulsenergie, sowie zur Bestimmung einer etwaigen Verkippung des Laserverstärkungsmediums (5). Bei einer Veränderung der Strahlposition auf der Kamera (13,14), kann ein das Verstärkungsmedium (5) aufnehmender Halter korrigierend in eine andere Richtung verkippt werden. Auch denkbar ist eine entsprechende Ansteuerung eines oder mehrerer anderer Spiegelhalter um die Verkippung des Laserverstärkungsmediums (5) zu kompensieren.
  • Die Messung der über den einfachen Übergang realisierten Verstärkung des Seedlaserpulses (23) dient als Messsignal (13) zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung (6). So kann beispielsweise die Pumpleistung von Null Watt langsam auf die Betriebspumpleistung erhöht werden und dabei die Veränderung der Seedlaserpulsenergie beobachtet werden. Die Messdaten können als direktes Maß für die Kleinsignalverstärkung (6) verwendet werden.
  • Bei Eingang bzw. Detektion eines Triggersignals wird ein Verstärkungszyklus in Gang gesetzt. Dazu kann entweder ein analoges oder digitales Eingangssignal vorhanden sein, oder es wird ein Triggerpulszug intern über einen Frequenzgenerator (7) erzeugt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel gibt es zwei Eingänge für die Phase (10) und die Repetitionsrate bzw. Wiederholrate (9) der Triggerpulse im Triggerpulszug. Entsprechnend wird ein Triggerpuls also vom Laserverstärker selbst erzeugt.
  • Sobald dieser Triggerpuls detektiert wird, wird die aktuell vorliegende Kleinsignalverstärkung des Laserverstärkungsmediums (5) bestimmt. Dazu werden die Messwerte für die Fluoreszenz und/oder der einfachen Verstärkung der Seedlaserpulse (23), gemessen an der Photodiode (12) aufgenommen. Ferner wird das Eingangssignal (29) für eine etwaige Modulation der Zielpulsenergie ausgelesen. Über das Messignal für die Kleinsigalverstärkung, sowie der Zielpulsenergie kann eine Kalibrierungsfunktion bzw. Kalibrierungsmatrix für die Kleinsignalverstärkung ausgelesen werden. Sind dort noch keine Werte gespeichert, so kann die gemessene Kleinsignalverstärkung oder ein zuvor festgelegter Zusammenhang zwischen Fluoreszenzsignal und Kleinsignalverstärkung zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung genutzt werden.
  • Aus der Kleinsignalverstärkung (6) und der Seed- bzw. Zielpulsenergie wird nun die zum Erreichen der Zielpulsenergie notwendige Zahl an Umläufe, also - unter Berücksichtigung der Umlaufzeit für einen einzelnen Laserpuls - die Verstärkungszeit t2-t1 bestimmt, wobei diese von einer zuvor festgelegten Verzögerungszeit t2 abgezogen wird, um eine Verzögerungszeit t1 zwischen Triggersignal und Schließen der Pockelszelle (4) zu bestimmen. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein exponentieller Zusammenhang zwischen Gesamtverstärkung und dem Produkt aus Kleinsignalverstärkung und der Zahl der Umläufe angenommen. Da die Zielpulsenergie ohne Modulation über das Modulationssignal bei dem Laserverstärkersystem bei unterschiedlichen Wiederholraten konstant gehalten werden soll, ergibt sich eine zur Kleinsignalverstärkung anti-proportionale Verstärkungszeit.
  • Nach Ablauf der Verzögerungszeit t1 wird der AOM (11) angesteuert um die Seedlaserpulse (23) in Gegenuhrzeigerrichtung durch den Resonator (3) zu führen, so dass der Laserstrahl (23) für die Seedlaserpulse durch die Pockelzelle (4) verläuft. Sobald sich darauffolgend ein Laserpuls im Resonator befindet (also nach einem entsprechenden Triggersignal vom Oszillator) wird die Pockelszelle angesteuert um diese zu Schließen. Nach Schließen der Pockelszelle (4) wird die Polarisation des im Resonator (3) herumlaufenden Pulses nicht mehr gedreht, da eine Hochspannung an einen BBO Kristall angelegt wird und so die Polarisation um 90° gegenüber der Polarisation der Wellenplatte zurück bzw. weiter auf 180° gedreht wird.
  • Mit jedem Übergang über das Verstärkungsmedium (5) wird der Laserpuls im Resonator (3) weiter verstärkt. Die sich dabei vergrößernde Pulsenergie des Laserpulses wird mithilfe einer Photodiode (21) überwacht. Überschreitet die dort gemessene Pulsenergie nach einer festgelegten Zahl an Umläufen (also z.B. nach der halben Verstärkungszeit, also halben Anzahl an Umläufen) eine Triggerpulsenergie, so wird die Pockelzelle (4) zum Öffnen angesteuert um den Resonator (3) vor Erzeugung einer zu großen Pulsenergie zu schützen.
  • Wenn andererseits die Triggerpulsenergie nicht erreicht wird, wird nach Ablauf der Verzögerungszeit t2 die Pockelszelle wiederum geöffnet und der verstärkte Laserpuls (2) ausgekoppelt. Die Pulsenergie dieses Laserpulses wird daraufhin über die Photodiode (12) gemessen, so dass eine Gesamtverstärkung und daraus eine rechnerische Kleinsignalverstärkung bestimmt werden kann, die im Folgenden als Kalibrierungswert als Funktion des beim Start der Verstärkung gemessenen Kleinsignalverstärkungssignals, also des Fluoreszenzsignals oder der einfachen mit der Photodiode (12) gemessenen Verstärkung gespeichert werden kann.
  • In diesem Fall ist es günstig, wenn die Kalibrierungsfunktion als zusätzliche Variable die Zielpulsenergie aufnimmt, um so Sättigungseffekte des Laserverstärkungsmediums (5) abzubilden.
  • Die Verzögerungszeit t2 ist fest vorgegeben, so dass bei unterschiedlicher Verstärkungszeit der Zeitpunkt der Auskopplung von Laserpulsen nach dem Triggersignal konstant bleibt.
  • Bei einer darauffolgenden Verstärkung eines Seedlaserpulses (23) wird zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung (6) die Kalibrierungsfunktion verwendet, sofern entsprechende Werte für die angeforderte Zielpulsenergie, sowie das gemessene Kleinsignalverstärkungssignal vorhanden sind. Bei ausreichendem Vorhandensein von Stützstelllen dieser Kalibrierungsfunktion werden dazwischenliegende Funktionswerte über eine entsprechende Interpolation bestimmt.
  • Der Laserverstärker besitzt zum Füllen der Kalibrierungsfunktion einen Kalibrierungsmodus, bei dem die Repetitionsrate und Pumpleistung über passende Intervalle variiert werden und die Kalibrierungsfunktion entsprechend mit Werten gefüllt wird.
  • Da die Zahl der Umläufe über das Verstärkungsmedium (5) nur ganzzahlige Werte annehmen kann, ist es nicht möglich die Zielpulsenergie bei gegebener Kleinsignalverstärkung exakt zu erreichen. Um dieses Problem zu umgehen, wird der AOM vor Einkoppeln des Seedlaserpulses in den Resonator (3) derart abgeschwächt, dass die Gesamtverstärkung aus der bestimmten Kleinsignalverstärkung (6) und der Anzahl an Umläufen gleich ist, wie das Verhältnis aus Zielpulsenergie und Pulsenergie des abgeschwächten Seedlaserpulses.
  • Im geöffneten Zustand wird über die Kamera (13,14) neben der Position des Seedlaserstrahls und der Kleinsignalverstärkung auch die Größe des Seedlaserstrahls bestimmt. Daraus lässt sich die thermische Linse oder zumindest eine Änderung der thermischen Linse des Verstärkungsmediums (5) bestimmen. Um diese thermische Linse konstant zu halten und den Resonator (4) in thermischem Gleichgewicht zu betreiben wird in diesem Ausführungsbeispiel die Pumpleistung so gesteuert, dass die thermische Linse konstant bleibt.
  • Um die thermische Linse auf der anderen Seite so klein wie möglich so halten, beträgt die Scheibendicke in diesem Ausführungsbeispiel 130 um.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems (1) ist in 2 gezeigt. Neben den bereits beschriebenen Komponenten umfasst dieses Laserverstärkersystem (1) zusätzlich einen SHG Kristall (17) zur Konversion des mit dem Laserverstärkersystem (1) erzeugten Infrarotstrahls ins Grüne. Dazu ist hinter dem SHG Kristall ferner ein Wellenlängenfilter (18) angeordnet, der Infrarotstrahlung durchlässt und kürzere Wellenlängen im Grünen reflektiert.
  • Die Pockelszelle (4) ist hier mit zwei Schaltgeschwindigkeiten ausgelegt, so dass bei einem entsprechenden Triggersignal oder bei fehlen eines Triggersignals die Schaltgeschwindigkeit verlangsamt werden kann. Dabei wird die Schaltgeschwindigkeit derart verlangsamt, dass ein Schaltvorgang über mehrere Umläufe im Resonator (3) erfolgt. Die Hochspannung in der Pockelszelle nimmt dabei langsam an Spannung ab, so dass der verstärkte Laserpuls nicht vollständig ausgekoppelt wird, sondern anteilig über mehrere Umläufe hinweg. Es wird so ein Pulszug generiert mit zahlreichen Pulsen kleiner Amplitude.
  • Da die Frequenzkonversion ins Grüne ein nichtlinearer Prozess ist, wird der Pulszug mit einer wesentlich abgeschwächten Konversionseffizienz beim Durchtritt durch den SHG Kristall konvertiert, so dass im Wesentlichen keine Konversion stattfindet. Aus dem frequenzkonvertierten Pulszug können so einzelne Pulse weggelassen werden. Dabei bleibt die Leistung des Infraroten Laserstrahls der durch den SHG Kristall transmittiert wird konstant, so dass sich die thermischen Verhältnisse im Kristall nicht ändern.
  • Zur Kalibrierung der Kalibrierungsfunktion bzw Kalibrierungsmatrix findet in diesem Ausführungsbeispiel die Messung der Pulsenergie (12) des verstärkten Laserpulses (2) nach der Frequenzkonversion statt. So kann eine sich verändernde Konversionseffizienz bei unterschiedlichen Wiederholraten des Laserpulszuges bei der Kalibrierung der Kleinsignalverstärkung Berücksichtigung finden.
  • 3 zeigt ein zeitliches Ablaufdiagramm für die beiden Ausführungsbeispiele.

Claims (10)

  1. Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) zur Erzeugung und/oder Verstärkung von Laserpulsen (2), umfassend einen Resonator (3) mit wenigstens einem elektrooptischen Schalter (4) zum Schließen oder Öffnen des Resonators (3) und wenigstens einem Laserverstärkungsmedium (5) als Festkörperscheibe, so dass bei geschlossenem Resonator (3) wenigstens einer der Laserpulse (2) den Resonator (3) mehrfach durchläuft und dabei auf eine Zielpulsenergie verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenlaserverstärker (1) Mittel zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung (6) des Laserverstärkungsmediums (5) umfasst.
  2. Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenlaserverstärker (1) eine Verzögerungsschaltung (7), zum Schalten des elektrooptischen Schalters (4) in den geschlossenen Zustand nach einem variablen Zeitintervall t1 nach einem Triggersignal (8), sowie eine weitere Verzögerungsschaltung (9) zum Schalten des elektrooptischen Schalters (4) in den offenen Zustand nach einem Zeitintervall t2 nach dem Triggersignal (8) umfasst und die Verzögerungsschaltungen (7,9) so ausgelegt sind, dass die Differenz der beiden Zeitintervalle t1 und t2, also die Verstärkungszeit, anti-proportional zur Kleinsignalverstärkung ist.
  3. Scheibenlaserverstärker (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsschaltung (9) zum Schalten des elektrooptischen Schalters (4) in den offenen Zustand so ausgelegt ist, dass das Zeitintervall t2 fest ist.
  4. Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenlaserverstärker (1) Mittel zur Abschwächung der Seedlaserpulseenergie (11) vor Einkopplung in den Resonator (3) und diese so ausgelegt sind, dass das Verhältnis aus Zielpulsenergie zur abgeschwächte Seedlaserpulseenergie gleich einer aus der Kleinsignalverstärkung (6) berechneten Gesamtverstärkung ist.
  5. Scheibenlaserverstärker (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung der Kleinsignalverstärkung (6) zur Kalibrierung wenigstens ein Pulsenergiemeter (12) zur Messung der Pulsenergie des Seedlaserpulses vor Einkopplung, sowie des verstärkten Laserpulses nach Auskopplung aus dem Resonator (3) umfassen und die Kleinsignalverstärkung (6) als Funktion eines Kleinsignalverstärkungsmesssignals (13) und der Pulsenergie nach dem Resonator gespeichert wird, wobei sich die Kleinsignalverstärkung (6) aus der Gesamtverstärkung, also dem Verhältnis der Pulsenergie nach dem Resonator zur Pulsenergie vor dem Resonator, und einer für diese Gesamtverstärkung angenommenen Exponentialfunktion aus dem Produkt aus Verstärkungszeit (11) und Kleinsignalverstärkung (6) ergibt.
  6. Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenlaserverstärker (1) Mittel zur Bestimmung der Temperatur und/oder der thermischen Linse des Verstärkungsmediums (14) umfasst, sowie Mittel zur Veränderung der Pumpleistung (15), wobei die Mittel zur Veränderung der Pumpleistung (15) so ausgelegt sind, dass die Temperatur und/oder der thermischen Linse des Verstärkungsmediums (5) konstant bleibt.
  7. Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibendicke des Verstärkungsmediums (5) < 200 um oder < 100 um beträgt.
  8. Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenlaserverstärker (1) außerhalb des Resonators (3) Mittel zur Frequenzkonversion (17) der verstärkten Laserpulse, sowie wenigstens einen Wellenlängenfilter (18) umfasst, der den nicht konvertierten Wellenlängenanteil herausfiltert, und der Scheibenlaserverstärker (1) Mittel zur Veränderung der Spitzenleistung des ausgekoppelten verstärkten Laserpulses umfasst.
  9. Scheibenlaserverstärker (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrooptische Schalter (4) mit zwei unterschiedlichen Schaltgeschwindigkeiten in den Zustand zum Auskoppeln von Laserpulsen aus dem Resonator (3) geschaltet werden kann.
  10. Scheibenlaserverstärker (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheibenlaserverstärker (1) zur Verstärkung von Laserpulsen mit zwei unterschiedlichen Pulsdauern ausgelegt ist.
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