DE102020003064A1 - Lasersysteme mit erhöhter Pulswiederholrate und modifiziertem Pulsprofil - Google Patents

Lasersysteme mit erhöhter Pulswiederholrate und modifiziertem Pulsprofil Download PDF

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Abstract

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Laseranordnungen anzugeben, mit denen die Pulswiederholrate von Ultrakurzpulslasern auf Multi 100MHz, Multi GHz oder gar THz erhöht werden kann.Die Lösung der Aufgabe besteht in der Verwendung von einem Seeder, der Ultrakurzpulse mit einer konstanten Pulswiderholrate fSeedergeneriert. Die Ultrakurzpulse werden als ein Pulszug zusammengefasst. Der vom Seeder generierte Pulszug wird in zwei Pulszüge aufgeteilt. Einer der Pulszüge läuft durch eine Verzögerungsstrecke. Danach werden die beiden Pulszügen wieder koaxial vereint, damit die Anzahl der Pulse pro Zeiteinheit um Faktor 2 erhöht wird. Wird die Verzögerungsstrecke so ausgelegt, dass die Verzögerung eines Pulszuges die Hälfte der Periode von den Seederpulsen beinhaltet, so erhöht sich die Pulswiederholrate um Faktor 2. Ein Pulszug mit einer doppelten Pulswiederholrate konstanter Pulsenergie erhält man, wenn die Optiken zur Aufteilung und zur Zusammenführung der Pulszüge entsprechend ausgelegt werden.

Description

  • Die Lasermaterialbearbeitung, insbesondere mit Ultrakurzpulslasern, gewinnt zunehmend an Bedeutung als präzises und flexibles Produktionsverfahren. Oszillator-Leistungsverstärker werden zunehmend zur Erhöhung der Leistung bzw. Energie von Lasern u. a. von besonders leistungsfähigen ultrakurzen Pulslasern verwendet, da die hohe erforderliche Leistung/Energie allein mit einem Oszillator nicht zu erreichen ist. Der Oszillator wird in den folgenden Beschreibungen als Seeder bezeichnet. Die am häufigsten verwendeten Seeder sind modegelockte Faserlaser oder Festkörperlaser. Ein Kernelement eines passiv modegelockten Seeders ist SESAM. Die typische Pulswiederholrate liegt bei einigen 10MHz. Dabei beträgt der Pulsabstand einige 10ns. Die Erfahrung zeigt, dass die Produktivität mit Ultrakurzpulslasern durch den Burst-Mode erheblich erhöht werden kann. Weitere Erhöhung der Produktivität wird erwartet, wenn die Pulsabstände verringert werde.
  • In den letzten Jahren gab es mehr Anstrengungen zur Erhöhung der verfügbaren Pulswiederholrate von Seedern. Allerdings ist die erreichbare Pulswiederholrate durch die verfügbare Verstärkung und die Beschädigungsschwelle des SESAM limitiert.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Laseranordnungen anzugeben, mit denen die Pulswiederholrate von Ultrakurzpulslasern auf Multi 100MHz, Multi GHz oder gar THz erhöht werden kann.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht in der Verwendung von einem Seeder, der Ultrakurzpulse mit einer konstanten Pulswiderholrate fSeeder generiert. Die Ultrakurzpulse werden als ein Pulszug zusammengefasst. Der vom Seeder generierten Pulszug wird in zwei Pulszüge aufgeteilt. Einer der Pulszügen läuft durch eine Verzögerungsstrecke. Danach werden die beiden Pulszügen wieder koaxial vereint, damit die Anzahl der Pulse pro Zeiteinheit um Faktor 2 erhöht wird Wird die Verzögerungsstrecke so ausgelegt, dass die Verzögerung eines Pulszuges die Hälfte der Periode von den Seederpulsen beinhaltet, so erhöht sich die Pulswiederholrate um Faktor 2. Ein Pulszug mit einer doppelten Pulswiederholrate konstanter Pulsenergie erhält man, wenn die Optiken zur Aufteilung und zur Zusammenführung der Pulszüge entsprechend ausgelegt werden.
  • zeigt eine erste Ausführung gemäß dieser vorliegenden Patentanmeldung. Der Oszillator (101) emittiert einen Pulszug mit einer Pulswiederholrate von fSeeder. Die Zeitkonstante zwischen den benachbarten Pulsen beträgt TSeeder = 1/ fSeeder. Der Spiegel (141) ist ein teiltransmittierender Spiegel, der den vom Oszillator (101) abgegebenen Pulszug in zwei Pulszüge (411) und (412) aufteilt. Der Pulszug (412) läuft durch eine Verzögerungsstrecke, die durch die Spiegel (142) und (143) gebildet wird. Durch die Verzögerungsstrecke wird der Pulszug (412) in Relation zu dem Pulszug (411) um Td1 verzögert. Der Spiegel (146) ist ebenfalls ein teiltransmittierender Spiegel, der die Pulszüge (411) und (412) koaxial zu einem Pulszug (117) überlagert.
  • zeigt den Pulszug der vom Seeder (101) emittiert wird. Die Pulse haben ein Zeitintervall von TSeeder = 1/ fSeeder, fSeeder ist hierbei die Pulswiederholrate des Seeders.
  • zeigt den Ausgangsstrahl (117), wobei der eine Pulszug (411) durch die durchgezogenen Linien und der andere Pulszug (412) durch die gestrichelten Linien dargestellt wird. Die beiden Pulszüge haben eine zeitliche Verschiebung von Td1.
  • Ein spezieller Fall ergibt sich, wenn die Verzögerungsstrecke so gebildet ist, dass Td1 = 1/2TSeeder gilt. In diesem Fall hat der entstandene Pulszug (117) ein Pulswiederholrate von 2*fSeeder. Darüber hinaus können die Spiegel (141) und (146) so beschaffen werden, dass die Amplituden der beiden Pulszüge gleich sind, so dass der Pulszug (117) aus Pulsen besteht, die konstante Pulsenergie aufweisen. Dies ist in veranschaulicht. Eine einfachste Ausführung ergibt sich, wenn die Spiegel (141) und (146) so beschichtet werden, dass sie eine Transmission von 50% aufweisen.
  • Um weitere Pulszüge zu generieren, kann die Optikanordnung aus Spiegel (141), 142), (143) und (146) wiederholt verwendet werden. So ein Beispiel zeigt . Dabei wird mittels einer nachgeschalteten Anordnung aus einem Teilungsspiegel (241), einer Verzögerungsstrecke (242) und (243) und einem Überlagerungsspiegel (246) ein Pulszug mit einer Verzögerung von Td2 (vgl. ) generiert. Werden die Spiegel so angeordnet, dass Td2 = Td1/2 = TSeeder/4, so entsteht ein Pulszug (149) mit einer vervierfachten Pulswiederholrate (f = 4 fSeeder). Des weiteren können die Transmission/Reflektion der Spiegel so gewählt werden, dass die Pulsenergie aller Pulse gleich ist.
  • In den beiden oben diskutierten Ausführungen werden die Pulszügen mittels der teiltransmittierenden Spiegel (146) und (246) zusammengeführt. Dabei geht jedes Mal etwa 50% Pulsenergie verloren. Dieser Verlust kann mit dem Ausführungsbeispiel, das in dargestellt ist, vermieden werden. Dabei emittiert der Oszillator (101) einen linear polarisierten Laserpulszug. Beispielsweise liegt die Polarisation in der Papier-Ebene. Bei dem Oszillator handelt es sich hier um einen Seeder (101), der einen linearen polarisierten Pulszug mit einer Pulswiederholrate von fs emittiert. Die Zeitkonstante zwischen den Pulsen beträgt Ts=1/fs. Der vom Seeder emittierte Strahl durchläuft eine Verzögerungsplatte (311). Die Verzögerungsplatte kann vorzugsweise eine λ/2-Platte sein. Hinter der Verzögerungsplatte entstehen zwei Pulszügen (421) und 422) mit senkrecht zueinander stehender Polarisation. Der Pulszug (422) mit einer s-Polarisation wird von einem Polarisationsstrahlteiler (161) reflektiert und läuft durch eine Verzögerungsstrecke hindurch. Die Verzögerungsstrecke wird durch die Spiegel (161) und (163) gebildet. Die p-Polarisation läuft durch den Polarisationsstrahlteiler (161). Ein zweiter Polarisationsstrahlteiler (166) vereint die beiden Pulszügen (421) und (422). So entsteht ein Pulszug (119), der aus dem p-polarisierten Pulszug (421) und dem s-polarisierten Pulszug (422) besteht, wobei der s-polarisierte Pulszug eine Verzögerung Td1 in Bezug auf den p-polarisierten Pulszug aufweist. Wird die optische Achse der Verzögerungsplatte (311) unter einem 45° Winkel zu der Polarisation des Oszillators orientiert, so haben die beiden Pulszüge die gleiche Leistung bzw. Pulsenergie. Wird die Verzögerung so gewählt, dass Td1 = Tseeder/2, so hat der Pulszug (119) eine Pulswiederholrate von 2 fseeder.
  • Wie in dargestellt ist, kann die oben beschriebene Anordnung aus Verzögerungsplatte, Polarisatoren und Verzögerungsstrecke wiederholt verwendet werden, um Pulszüge zu generieren. Dabei besteht die zweite optische Anordnung aus einer Verzögerungsplatte (321), einem ersten Polarisator (261), zwei Umlenkspiegeln (262) und (263) und einem zweiten Polarisator (266). Wird die Verzögerung so gewählt, dass Td2 = Td1/2 = TSeeder/4 gilt, so wird die Pulswiederholrate vervierfacht. Durch weitere nachgeschaltete optische Anordnungen wird die Pulswiederholrate verachtfacht, verzehnfacht, etc.
  • Für viele Anwendung ist die Pulsenergie vom Oszillator bei weiten nicht ausreichend. In diesem Fall kann die Pulsenergie durch nachgeschaltete Verstärker gesteigert werden. Ein Beispiel zeigt . Dabei wird die Pulsenergie durch eine Verstärker-Anordnung (188) hoch skaliert.
  • Bei einer Verstärker-Anordnung, die polarisationsabhängige Verstärkungsmedien enthält, ist es vorteilhaft, wenn der zu verstärkende Pulszug linear polarisiert ist. Wie in dargestellt, kann ein Pulszug aus zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationen zu einem Pulszug mit einer linearen Polarisation umgewandelt werden. Dabei wird eine Verzögerungsplatte (312) und ein Polarisator (372) verwendet. Hinter dem Polarisator entsteht ein linear polarisierter Pulszug (129). Die Pulsenergie von (129) wird durch das Verstärkersystem gesteigert.
  • Aufgrund wellenlängenabhängiger Absorption wird die Anwendungsqualität durch die Wellenlänge des Laserstrahls bestimmt. Zur Konvertierung der Wellenlänge können nichtlineare Kristalle verwendet werden. zeigt eine derartige Anordnung, wobei der verstärkte Pulszug (169) z. B. durch einen Frequenzverdopplungskristall (182) läuft. Dabei entsteht ein Pulszug (193), dessen Wellenlänge halb so groß wie die vom Pulszug (169) ist. Da der Pulszug (169) zwei zueinander stehende Polarisationen hat, erfolgt vorteilweise die Frequenzverdopplung unter einer Phasenanpassung Typ II.
  • Um die Pulswiederholrate weiter zu erhöhen, können weitere optische Anordnungen zur Multiplikation der Pulse verwendet werden. zeigt, dass hinter der Frequenzkonversionseinheit eine optische Anordnung aus einer Verzögerungsplatte (317), einem ersten Polarisator (661), zwei Umlenkspiegeln (662) und (663) und einem zweiten Polarisator (666) angebracht wird, wobei die Verzögerungsstrecke durch die beiden Umlenkspiegel (662) und (663) gebildet wird.
  • Das Pulsprofil und die Pulslänge eines Lasers werden durch ddas Resonator-Design, das Einschalten des Verstärkungsmediums und den Mechanismus der Schaltung/Modulation bestimmt. Zur Modifikation des Pulsprofils und zur Verlängerung der Pulsdauer zeigt eine planparallele Platte (41). Die erste Fläche der Platte wird teiltransmittierend und die zweite Fläche hochreflektierend beschichtet. Die planparallele Platte hat eine Dicke von d. Dabei ist der Eingangspuls (111) linear polarisiert. Ein Polarisator (31) und eine λ/4-Verzögerungsplatte (32) werden zur Trennung des Ausgangspulses (91) von dem Eingangspuls (111) verwendet. Der linear polarisierte Eingangspuls läuft durch den Polarisator (31) hindurch und der reflektierte Puls läuft zwei Mal durch die λ/4 Verzögerungsplatte (32). Danach haben die reflektierten Pulse eine Polarisation, die senkrecht zu der vom Eingangspuls steht. Der Polarisator reflektiert die von den Reflexionselementen reflektierten Pulse und somit wird der Ausgangspuls (Summe der von den Reflexionselementen reflektierten Pulse) von dem Eingangspuls getrennt.
  • Vorzugsweise wird die Dicke der Platte d so gewählt, dass die relative Zeitverzögerung von den reflektierten Pulsen vergleichbar oder größer als die Kohärenzlänge τc ist. Beim Beispiel eines ps-Lasers mit einer Kohärenzlänge τc = 10ps, beträgt die Dicke um die 1mm. Dann ist die Verzögerung vergleichbar mit der Kohärenzlänge τc. Dabei wird ein Brechungsindex von 1,5 für die Glasplatten angenommen.
  • Eine Erweiterung der optischen Anordnung zur Modifikation des Pulsprofils zeigt . Bei dieser Ausführung werden 4 teilreflektierende Elemente (51, 52, 53, 54) und ein hochreflektierendes Element (59) verwendet. Die 4 teilreflektierenden Elemente bestehen jeweils aus einer planparallelen Platte (Etalon), die eine teilreflektierende Fläche und eine hochtransmittierende Fläche hat. Das hochreflektierende Element wird durch eine hochreflektierende Beschichtung auf einer Platte realisiert. Die Dicken der Platten (d1, d2, d3 und d4) können unterschiedlich gewählt werden. Durch Wahl der Reflexion und die Dicke der Platten kann das gewünschte Pulsprofil eingestellt werden.

Claims (11)

  1. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate, bestehend aus einem Seeder (101), der einen Pulszug mit einer Pulswiederholrate von Multi 100MHz emittiert, einer Optik (141), die den Pulszug in zwei Pulszüge (411) und (412) aufteilt, einer optischen Verzögerungsstrecke, die bei dem Pulszug (412) in Bezug auf den Pulszug (411) eine Verzögerung Td1 generiert, einer Optik (146), die die beiden Pulszüge zu einem Pulszug (117) koaxial zusammenführt, wobei die Anzahl der Pulse von dem Pulszug (117) pro Zeiteinheit im Vergleich von dem Seeder um Faktor 2 erhöht wird.
  2. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsstrecke so ausgelegt wird, dass die Verzögerung Td1 = TSeeder/2 gilt, so dass die Pulswiederholrate verdoppelt wird.
  3. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (141) zur Aufteilung der Pulse und die Optik (146) zur Zusammenführung der Pulse so beschichtet werden, dass deren Transmission 50% beträgt.
  4. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Optik (241) zur Aufteilung der Pulse, eine weitere Verzögerungsstrecke aus Spiegeln (242) und (243) und eine weitere Optik (246) zur Zusammenführung der Pulse verwendet werden, so dass die Wiederholrate des Pulszuges (149) weiter gesteigert wird.
  5. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufteilung eine Verzögerungsplatte (311) und ein Polarisationsstrahlteiler (161) verwendet wird und zur Zusammenführung ein Polarisationsstrahlteiler (166) verwendet wird.
  6. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Seeder linear polarisierte Pulse emittiert, wobei die Verzögerungsplatte (311) eine λ/2 Platte ist, wobei deren optische Achse 45° zu der Polarisation der Pulse orientiert ist.
  7. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufteilung eine Verzögerungsplatte (311) und ein Polarisationsstrahlteiler (161) verwendet wird und zur Zusammenführung ein Polarisationsstrahlteiler (166) verwendet wird.
  8. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steigerung der Pulsenergie ein Verstärker (188) verwendet wird.
  9. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung neuer Wellenlängen eine Frequenzkonversionseinheit (182), die aus mindestens einem nichtlinearen Kristall besteht, verwendet wird.
  10. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Erhöhung der Pulswiederholrate eine λ/2-Verzögerungsplatte (317) und ein Polarisator (661) zur Aufteilung der Pulse, eine Verzögerungsstrecke aus den Spiegeln (662) und (663) und ein Polarisator (666) zur Zusammenführung der Pulse verwendet werden.
  11. Laseranordnung hoher Pulswiederholrate nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine beschichtete planparallele Platte (41) zur Erzeugung von Multipulsen aus einem Puls verwendet wird, wobei die zeitlichen Abstände vergleichbar mit der Pulsdauer eines Ultrakurzpulses sind.
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