DE102020206636B3 - Laseranordnung und Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung (1) und ein Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung (1). Die Laseranordnung (1) weist eine Pumplaserquelle, welche eingerichtet ist, einen ersten Laserstrahl (4) zu erzeugen, auf. Zudem weist die Laseranordnung (1) eine Polarisationsmodulationsvorrichtung (2), welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl (4) zu empfangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) zu modulieren, um einen zweiten Laserstrahl (6) zu erzeugen, auf. Die Laseranordnung (1) weist ferner einen polarisationsabhängigen Konverter (3), welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl (6) zu empfangen, und einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls (6) mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl (9) zu konvertieren, auf. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung (2) ist ferner eingerichtet, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) derart zu modulieren, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls (9) einen vorgegebenen Zielwert annimmt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betriff eine Laseranordnung und ein Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
• Für viele Laseranwendungen, beispielsweise für Anwendungen im Bereich optronischer Gegenmaßnahmen mit Lasern, der Laserkommunikation und der Laser-Materialbearbeitung, ist es vorteilhaft, eine entsprechend einem elektronischen Vorgabesignal gewünschte zeitlich variable mittlere Leistung und Pulsenergie aus einem Laser mit einem nichtlinearen Konverter, wie einem optisch parametrischen Oszillator (OPO), abzustrahlen. Dazu kann eine gütegeschaltete Laserquelle verwendet werden, die in ihrer Ausgangsleistung und Pulsenergie von Puls zu Puls variabel einstellbar ist. Eine gütegeschaltete Laserquelle weist jedoch häufig keine unabhängig von der gewählten mittleren Ausgangsleistung und Pulsenergie stabile Strahllage und Divergenz auf, welche von Puls zu Puls nicht schwankt.
• Um die Strahleigenschaften, wie Lage, Divergenz und/oder Strahlqualität, der gütegeschalteten Laserquelle nicht zu verändern, wird die gütegeschaltete Laserquelle häufig bei konstanter Leistung im repetierenden Dauerbetrieb betrieben. Die Laserleistung und damit die Pulsenergie kann im Nachhinein durch einen in einen Ausgangsstrahl der gütegeschalteten Laserquelle eingebrachten Modulator in ihrer Amplitude abgeschwächt werden, wodurch die gewünschte Intensitätsmodulation auf den Ausgangsstrahl aufgeprägt wird. Der dazu komplementäre Anteil erscheint dabei in einem zweiten vom Modulator erzeugten Ausgangsstrahl, beispielsweise mit einer weiteren Polarisation bei einem elektrooptischen Modulator oder ein gebeugter Anteil bei einem akustooptischen Modulator.
• Bei einem derartigen Betrieb der gütegeschalteten Laserquelle arbeitet diese jedoch häufig mit voller Leistung, wodurch ein hoher Energieverbrauch und die Notwendigkeit eines entsprechenden Managements der entstehenden Abwärme mit zusätzlichem Leistungs- und Platzbedarf auftreten kann.
• Zudem wird der Modulator im Ausgangsstrahl und/oder ein eventuell nachgeschalteter nichtlinearer Konverter bei variabler thermischer Last betrieben. Hierdurch kann je nach thermischer Belastung des Modulators und/oder des nichtlinearen Konverters eine Strahllageänderung verursacht werden. Zudem hängt die Laserpulsdauer und Puls-Spitzenleistung einer Laserquelle im gütegeschalteten Betrieb häufig signifikant von der gewählten Repetitionsrate ab, weshalb diese oft festgelegt wird und nicht frei wählbar ist.
• Die US 2015 / 180 194 A1 beschreibt ein Lasersystem mit einer Laserquelle, welche einen Eingangs-Strahl einer ersten Wellenlänge erzeugt, mit einem Polarisations-Kontrollgerät aufweisend eine Wellenplatte zum Kontrollieren einer Polarisation des Eingangs-Strahles und mit einem Wellenlängenkonverter, welcher eine Leistung des Eingangs-Strahls aus des Polarisations-Kontrollgerät zumindest teilweise in eine Leistung eines konvertierten Strahls einer zweiten Wellenlänge umwandelt, wobei das Polarisations-Kontrollgerät so angeordnet ist, dass die relative Leistung von erster und zweiter Wellenlänge einstellbar ist.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Laseranordnung und ein verbessertes Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung zu schaffen, mit denen eine beim Erzeugen eines Ausgangsstrahls entstehende Abwärme oder die zeitliche Variation der thermischen Last reduziert werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch eine Laseranordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch geeignete Modulation eines Pumplaserstrahls eines nichtlinearen Konverters einer Laseranordnung in seiner Polarisation und/oder Intensität, um so die gewünschte Ausgangsleistung des nichtlinearen Konverters zu steuern, gelöst werden kann. Hierdurch kann ein dauerhafter Betrieb des nichtlinearen Konverters bei voller Leistung oder unter zeitlich stark variierender thermischer Belastung vermieden werden.
• Erfindungsgemäß wird eine Laseranordnung bereitgestellt. Die Laseranordnung weist eine Pumplaserquelle auf, welche eingerichtet ist, einen ersten Laserstrahl zu erzeugen. Zudem weist die Laseranordnung eine Polarisationsmodulationsvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl zu empfangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls zu modulieren, um einen zweiten Laserstrahl zu erzeugen. Die Laseranordnung weist ferner einen polarisationsabhängigen Konverter auf, welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl zu empfangen, und einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl zu konvertieren. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung ist darüber hinaus eingerichtet, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls derart zu modulieren, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls einen vorgegebenen Zielwert annimmt. Hierdurch kann ein dauerhafter Betrieb des Konverters bei voller Leistung vermieden werden. Dadurch kann die beim Erzeugen des Ausgangslaserstrahls entstehende Abwärme reduziert werden.
• Die Laseranordnung kann ausgebildet sein, Laserpulse oder einen Dauerstrichlaserstrahl zu erzeugen. Ferner kann der erste Laserstrahl ein polarisierter Laserstahl oder ein nichtpolarisierter Laserstahl sein. Beispielsweise enthält der erste Laserstrahl Laserstrahlung mit einer Polarisation oder Laserstrahlung unterschiedlicher Polarisationen. Die Polarisation des ersten Laserstrahls kann eine lineare Polarisation, eine zirkuläre Polarisation oder eine elliptische Polarisation sein. Zudem kann die Pumplaserquelle z.B. ein Festkörperlaser, ein Faserlaser, ein Diodenlaser, ein Farbstofflaser, ein Gaslaser oder ein Freier-Elektronen-Laser sein.
• Die Polarisationsmodulationsvorrichtung kann vorteilhaft eingerichtet sein, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls in Abhängigkeit von einem Steuersignal zu modulieren. Beispielsweise kann die Polarisationsmodulationsvorrichtung oder die Laseranordnung eine Steuerungseinrichtung zum Erzeugen des Steuersignals auf Basis des Zielwerts aufweisen. Beispielsweise kann die Polarisationsmodulationsvorrichtung die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls von linear unter 0° über elliptisch und zirkulär zurück nach elliptisch und linear unter 90° auf Basis des Steuersignals modulieren.
• Der polarisationsabhängige Konverter kann vorteilhaft ferner derart eingerichtet sein, dass ein weiterer Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls mit einer vorbestimmten weiteren Polarisation durch den polarisationsabhängigen Konverter keine Konversion erfährt. Zudem kann der polarisationsabhängige Konverter in einem Laserresonator angeordnet sein. Darüber hinaus kann der konvertierte Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls mehr als 10%, mehr als 20%, mehr als 30%, mehr als 40%, mehr als 50%, mehr als 60%, mehr als 70%, mehr als 80% oder mehr als 90% des empfangenen zweiten Laserstrahls betragen.
• Der vorgegebene Zielwert kann vorteilhaft aus einem Eingabesignal bestimmt werden. Beispielsweise kann die Laseranordnung eine Kommunikationsschnittstelle oder eine Benutzerschnittstelle zum Empfangen des Eingabesignals und eine Steuereinrichtung zum Extrahieren des Zielwerts oder einer Mehrzahl von Zielwerten aus dem empfangenen Eingabesignal und zum Steuern der Polarisationsmodulationsvorrichtung auf Basis des extrahierten Zielwerts oder der Mehrzahl von extrahierten Zielwerten aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der vorgegebene Zielwert oder eine Mehrzahl von nacheinander einzustellenden vorgegebenen Zielwerten in einem Speicher der Steuereinrichtung vorgespeichert sein. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung einen Mikrokontroller oder einen Prozessor, den Speicher, die Kommunikationsschnittstelle und/oder die Benutzerschnittstelle ausweisen.
• Die Laseranordnung kann vorteilhaft ferner einen steuerbaren Intensitätsmodulator umfassen, welcher eingerichtet ist, eine Intensität des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls zu modulieren. Hierdurch kann ein Einstellen der Leistung des Ausgangslaserstrahls auf den Zielwert erleichtert werden. Die Intensität des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls kann eine Leistung des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls sein. Beispielsweise kann der steuerbare Intensitätsmodulator eingerichtet sein, eine Leistung des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls zu modulieren, um die Intensität des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls zu modulieren. Zudem kann der steuerbare Intensitätsmodulator zwischen der Pumplaserquelle und der Polarisationsmodulationsvorrichtung oder zwischen der Polarisationsmodulationsvorrichtung und dem polarisationsabhängigen Konverter angeordnet sein.
• Die Laseranordnung kann ferner eingerichtet sein, den steuerbaren Intensitätsmodulator derart zu steuern, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl bewirkte Wärmebelastung des polarisationsabhängigen Konverters konstant oder auf der Zeitskala thermischer Effekte, insbesondere auf der Zeitskala thermischer Effekte in dem Konverter, weitgehend konstant ist. Hierdurch können die Auswirkungen der Polarisationsmodulation auf die Wärmebelastung des Konverters dergestalt durch Intensitätsmodulation kompensiert werden, dass im Endergebnis die Strahleigenschaften des konvertierten Strahls, wie Lage und Divergenz und/oder Strahlqualität, sich über einen weiten Bereich der Modulationsformate der Ausgangsleistung nur unwesentlich ändern. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung der Laseranordnung eingerichtet sein, die Polarisationsmodulationsvorrichtung und den Intensitätsmodulator derart zu steuern, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl bewirkte Wärmebelastung des polarisationsabhängigen Konverters konstant oder auf der Zeitskala thermischer Effekte, insbesondere auf der Zeitskala thermischer Effekte in dem Konverter, weitgehend konstant ist.
• Der steuerbare Intensitätsmodulator, die Polarisationsmodulationsvorrichtung und der polarisationsabhängige Konverter können auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet sein. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass auch bei Ausfall oder nach Ausschalten des Intensitätsmodulators oder der Modulationsvorrichtung ein Ausgangslaserstrahl erzeugt werden kann. Zudem können eine Linse, ein Etalon, ein Filter, oder ähnliches zwischen dem Intensitätsmodulator, der Polarisationsmodulationsvorrichtung und dem Konverter angeordnet werden, deren Funktion, z.B. zur Anpassung von Strahldurchmessern oder spektralen Anpassungen dient, und die einen lateralen Strahlversatz verursachen, womit der Intensitätsmodulator, die Polarisationsmodulationsvorrichtung und der Konverter nicht mehr exakt auf der gemeinsamen Gerade liegen.
• Alternativ können die Polarisationsmodulationsvorrichtung und der polarisationsabhängige Konverter auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet sein, wobei der steuerbare Intensitätsmodulator beabstandet von der gemeinsamen Geraden angeordnet ist. Hierdurch kann der Vorteil erreicht werden, dass bei Ausfall oder Abschalten des Intensitätsmodulators kein Pumplicht auf den Konverter fällt und damit ein Erzeugen des Ausganglaserstrahls durch den Konverter vermieden werden kann. Hierdurch kann eine Sicherheit bei einem Betrieb der Laseranordnung erhöht werden.
• Alternativ können der steuerbare Intensitätsmodulator und der polarisationsabhängige Konverter auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet sein, wobei die Polarisationsmodulationsvorrichtung beabstandet von der gemeinsamen Geraden angeordnet ist. Hierdurch kann der Vorteil erreicht werden, dass bei Ausfall oder Abschalten der Polarisationsmodulationsvorrichtung oder des Intensitätsmodulators kein Pumplicht auf den Konverter fällt und damit ein Erzeugen des Ausganglaserstrahls durch den Konverter vermieden werden kann. Hierdurch kann eine Sicherheit bei einem Betrieb der Laseranordnung erhöht werden.
• Alternativ können die Polarisationsmodulationsvorrichtung und der steuerbare Intensitätsmodulator auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet sein, wobei der polarisationsabhängige Konverter beabstandet von der gemeinsamen Geraden angeordnet ist. Hierdurch kann der Vorteil erreicht werden, dass bei Ausfall oder Abschalten der Polarisationsmodulationsvorrichtung oder des Intensitätsmodulators kein Pumplicht auf den Konverter fällt und damit ein Erzeugen des Ausganglaserstrahls durch den Konverter vermieden werden kann. Hierdurch kann eine Sicherheit bei einem Betrieb der Laseranordnung erhöht werden.
• Der steuerbare Intensitätsmodulator kann ein elektrooptischer Modulator, ein akustooptischer Modulator, eine Kombination aus mechanisch bewegbaren Wellenplatten mit einem Polarisator oder ein Frustrierte-Totalreflexion-Schalter sein.
• Die Polarisationsmodulationsvorrichtung kann eine Pockelszelle, einen Flüssigkristall, mechanisch bewegbare Wellenplatten oder extern erzeugte Spannungsdoppelbrechung in optischen Medien umfassen.
• Der polarisationsabhängige Konverter kann einen nichtlinearen Kristall umfassen. Der nichtlineare Kristall kann ein Zink-Germanium-Phosphid-Kristall, ein Cadmium-Silizium-Phosphid-Kristall, ein Barium-Gallium-Selenid-Kristall, ein Barium-Gallium-Sulfid-Kristall, ein Quecksilber-Gallium-Sulfid-Kristall, ein Cadmium-Selenid-Kristall, ein periodisch-gepolter Lithium-Niobat-Kristall, ein periodisch-gepolter Kalium-Titanyl-Phosphat-Kristall, ein periodisch-gepolter Rubidium-Titanyl-Phosphat-Kristall, ein periodisch-orientierter Gallium-Arsenid-Kristall, ein periodisch-orientierter Gallium-Phosphid-Kristall oder ein periodisch-orientierter Gallium-Nitrid-Kristall sein.
• Die Laseranordnung kann ferner einen Sensor zum Erfassen einer Temperatur des polarisationsabhängigen Konverters oder einer temperaturabhängigen Charakteristik, wie einer temperaturabhängigen Strahlungscharakteristik, des polarisationsabhängigen Konverters aufweisen. Zudem kann die Laseranordnung ausgebildet sein, die Polarisationsmodulationsvorrichtung und/oder den Intensitätsmodulator auf Basis der erfassten Temperatur oder der erfassten Charakteristik zu steuern.
• Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung bereitgestellt. Die Laseranordnung umfasst eine Pumplaserquelle, welche eingerichtet ist, einen ersten Laserstrahl zu erzeugen, eine Polarisationsmodulationsvorrichtung, welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl zu empfangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls zu modulieren, um einen zweiten Laserstrahl zu erzeugen, und einen polarisationsabhängigen Konverter, welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl zu empfangen, und einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl zu konvertieren. Das Verfahren umfasst Modulieren der Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls derart, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls einen vorgegebenen Zielwert annimmt. Hierdurch kann ein dauerhafter Betrieb des Konverters bei voller Leistung vermieden werden. Dadurch kann die beim Erzeugen des Ausgangslaserstrahls entstehende Abwärme oder die zeitliche Variation der thermischen Last reduziert werden. Das Verfahren kann ein computerimplementiertes Verfahren sein.
• Die Laseranordnung kann ferner einen steuerbaren Intensitätsmodulator, welcher eingerichtet ist, eine Intensität des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls zu modulieren, umfassen. Zudem kann das Verfahren ferner Steuern des steuerbaren Intensitätsmodulators derart, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl bewirkte Wärmebelastung des polarisationsabhängigen Konverters konstant oder auf der Zeitskala thermischer Effekte, insbesondere auf der Zeitskala thermischer Effekte in dem Konverter, weitgehend konstant ist, umfassen. Hierdurch können die Auswirkungen der Polarisationsmodulation auf die Wärmebelastung des Konverters dergestalt durch Intensitätsmodulation kompensiert werden, dass im Endergebnis die Strahleigenschaften des konvertierten Strahls, wie Lage und Divergenz und/oder Strahlqualität, sich über einen weiten Bereich der Modulationsformate der Ausgangsleistung nur unwesentlich ändern. Beispielsweise können die Polarisationsmodulationsvorrichtung und der Intensitätsmodulator derart gesteuert werden, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl bewirkte Wärmebelastung des polarisationsabhängigen Konverters konstant oder auf der Zeitskala thermischer Effekte, insbesondere auf der Zeitskala thermischer Effekte in dem Konverter, weitgehend konstant ist.
• Das Verfahren kann mit der erfindungsgemäßen Laseranordnung ausgeführt wird.
• Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Dazu zeigen:
• 1: eine schematische Darstellung einer Laseranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
• 2: eine schematische Darstellung einer Laseranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
• 3: eine schematische Darstellung einer Laseranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
• 4a bis 4d: schematische Darstellungen einer Laseranordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel; und
• 5a und 5b: schematische Darstellungen einer Laseranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laseranordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 weist eine Polarisationsmodulationsvorrichtung 2, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Pockelszelle gebildet ist, und einen polarisationsabhängigen Konverter 3 auf. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 empfängt einen von einer nichtabgebildeten Pumplaserquelle erzeugten ersten Laserstrahl 4, wie einen Pumplaserstrahl. Der erste Laserstrahl 4 ist ein polarisierter Laserstrahl mit einer durch den Pfeil 5 angedeuteten Polarisation senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des ersten Laserstrahls 4. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 moduliert die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls 4, um einen zweiten Laserstrahl 6 zu erzeugen. Der zweite Laserstrahl 6 weist, wie durch die Pfeile 7 und 8 und die dazwischenliegenden Ellipsen und den Kreis veranschaulicht, eine Polarisation je nach Ansteuerung der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 auf. Der polarisationsabhängige Konverter 3 empfängt den zweiten Laserstrahl 6 und konvertiert einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls 6 mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl 9. Zudem tritt aus dem Konverter 3 nicht-konvertierte Pumpstrahlung 10 aus. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 ist ferner eingerichtet, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls 4 derart zu modulieren, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls 9 einen vorgegebenen Zielwert annimmt. Das erste Ausführungsbeispiel weist die minimale Anzahl von Komponenten zur Realisierung der vorliegenden Erfindung auf.
• Gemäß einer Ausführungsform kann der Konverter 3 ein optisch parametrischer Oszillator sein. Zudem kann die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 die Polarisation des ersten Laserstrahls entsprechend einem angelegten Spannungssignal von linear unter 0° über elliptisch und zirkular zurück nach elliptisch und linear unter 90° verändern. Beispielsweise wird das Spannungssignal von einer Steuerungseinrichtung der Laseranordnung 1 bereitgestellt. So konvertiert beispielsweise Zink-Germanium-Phosphid (ZGP) Pumplicht der Polarisation „o“, während Pumplicht der Polarisation „e“ keine Konversion erfährt, dafür aber stärker im ZGP absorbiert wird und mehr Wärme freisetzt als „o“-polarisiertes Pumplicht identischer Wellenlänge und Leistung. Die Ausgangsleistung des Konverters 3, wie die Leistung Pout des Ausgangslaserstrahls 9, kann dabei näherungsweise aus der Pumpleistung in „o“-Polarisation P_p,o, der Schwelle Pth und der Konversionseffizienz µ_conv des Konverters 3 bestimmt werden: $$P_{out}={\eta }_{conv}\left(P_{p,o}-P_{th}\right).$$

  

  Nimmt man an, dass der erste Laserstrahl 6 mit Leistung P_p bereits in „o“-Richtung polarisiert ist, so führt die Modulation durch die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 zu einer je nach angelegter Spannung UPM veränderten effektiven Leistung in „o“-Polarisation P_ρ,ο und „e“-Polarisation P_p,e, beispielsweise für eine Pockels-Zelle: $$P_{p,o}=P_p{T}_{PM}co{s}^2\left(\frac{\pi }{2}\frac{U_{PM}\left(t\right)}{U_{\lambda /2}}\right),$$

  

  $$P_{p,e}=P_p{T}_{PM}si{n}^2\left(\frac{\pi }{2}\frac{U_{PM}\left(t\right)}{U_{\lambda /2}}\right).$$

  

  Dabei ist T_PM die (von der angelegten Spannung unabhängige) Transmission der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und U_λ/2 die Halbwellenspannung der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2, d.h. die angelegte Spannung, bei der die lineare Polarisation von „o“ nach „e“ gedreht wird. Somit lässt sich die Ausgangsleistung des Konverters 3, beispielsweise die Leistung des Ausgangslaserstrahls 9, gemäß $$P_{out}\left(t\right)={\eta }_{conv}\left(P_p{T}_{PM}co{s}^2\left(\frac{\pi }{2}\frac{U_{PM}\left(t\right)}{U_{\lambda /2}}\right)-P_{th}\right)$$

  

  über die angelegte Spannung U_PM an der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 variabel einstellen, da nur die „o“-Polarisation optisch phasenangepasst ist und konvertiert wird.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Laseranordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann ähnlich wie die Laseranordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Zusätzlich zu den Merkmalen der Laseranordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen Intensitätsmodulator 11 auf, welcher zwischen der Pumplaserquelle und der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 angeordnet ist. Der Intensitätsmodulator 11 empfängt den ersten Laserstrahl 6 und moduliert dessen Intensität, um einen intensitätsmodulierten Laserstrahl 12 zu erhalten. Beispielsweise weist der erste Laserstrahl 6 eine Leistung P_P auf und weist der intensitätsmodulierte Laserstrahl 12 eine Leistung P_p*T_mod auf, wobei Tmod die modulierbare Transmission des Intensitätsmodulators angibt. Zudem erzeugt der Intensitätsmodulator 11 einen weiteren Laserstahl 13, welcher beispielsweise die ausgekoppelte Leistung P_p*(1-T_mod) aufweist. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 empfängt den intensitätsmodulierten Laserstrahl 12 und moduliert diesen in gleicher Weise wie für den ersten Laserstrahl 6 im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, um einen weiteren Laserstrahl 14 mit einer Polarisationsmodulation 15 zu erzeugen. Der weitere Laserstahl 14 wird vom Konverter 3 empfangen und konvertiert. Das zweite Ausführungsbeispiel weist den Vorteil auf, dass, wenn die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 die Polarisation des ersten Laserstrahls 6 auf „nicht konvertieren“ ändert oder moduliert, die am Konverter 3 ankommende Pumpleistung reduziert werden kann. Hierdurch kann eine durch die ankommende Pumpleistung bewirkte Erwärmung des Konverters 3 reduziert werden. Zudem sind in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Intensitätsmodulator 6, die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und der Konverter 3 auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet.
• Gemäß einer Ausführungsform wird der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 der Intensitätsmodulator 11, beispielsweise ein akustooptischer Modulator oder ein elektrooptischer Modulator mit Polarisator, vor oder nachgeschaltet, wobei der Intensitätsmodulator 11 keine Änderung der Polarisation des modulierten Strahls verursacht. Der erste Laserstrahl 6 beaufschlagt beispielsweise zunächst den Intensitätsmodulator 11. Dieser moduliert die Intensität des ersten Laserstrahls 6. Beispielsweise ist der Intensitätsmodulator 11 ein akustooptischer Modulator oder ein elektrooptischer Modulator mit Polarisator. Der intensitätsmodulierte Laserstrahl 12 beaufschlagt danach die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2, welche die Polarisation des intensitätsmodulierten Laserstrahls 12 verändert oder moduliert und dadurch die Effizienz des nichtlinearen Konversionsprozesses im Konverter 3 beeinflusst. Bei ZGP als Kristall des Konverters 3 besitzt z.B. die nicht konvertierte „e“-Polarisation eine höhere Absorption mit Absorptionskoeffizient α_e als die konvertierte „o“-Polarisation mit Absorptionskoeffizient α_o. Als Konsequenz würde daher durch reine Polarisationsmodulation mit der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 zwar die gewünschte Ausgangsleistungsmodulation erreicht werden können, die thermische Belastung des Kristalls des Konverters 3 steigt jedoch im „aus“-Zustand aufgrund der erhöhten Absorption der Pumpstrahlung bei gleichzeitig verhinderter Konversion, d.h. fehlender Reduktion der Leistung in „o“-Polarisation durch Konversion während der Propagation im Kristall. Somit ist die Wärmebelastung des Kristalls des Konverters 3 im Allgemeinen nicht zeitlich konstant und kann zu modulationsabhängigen thermischen Effekten wie z.B. Strahllage- oder Strahldurchmesser-Veränderungen führen. Bei Systemen höherer Laserleistung kann dies sogar zur Zerstörung des ZGP-Kristalls führen. Durch einen vorgeschalteten Intensitätsmodulator 11 mit der variablen Transmission T_Mod fällt auf die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 nur die Leistung $$P_{p,PM}=P_p{T}_{Mod}\left(t\right).$$

  

  Somit erhält man als Leistung des Ausgangslaserstrahls 9 $$P_{out}\left(t\right)={\eta }_{conv}\left(P_p{T}_{Mod}\left(t\right)T_{PM}co{s}^2\left(\frac{\pi }{2}\frac{U_{PM}\left(t\right)}{U_{\lambda /2}}\right)-P_{th}\right),$$

  

  während die im Kristall mit der (Propagations-)Länge L absorbierte Leistung näherungsweise durch $$\begin{array}{l}{P}_{abs}\left(t\right)=\left(1-e^{-{\alpha }_{o}L}\right)P_p{T}_{Mod}\left(t\right)T_{PM}co{s}^2\left(\frac{\pi }{2}\frac{U_{PM}\left(t\right)}{U_{\lambda /2}}\right)\\ +\left(1-e^{-{\alpha }_{e}L}\right)P_p{T}_{Mod}\left(t\right)T_{PM}si{n}^2\left(\frac{\pi }{2}\frac{U_{PM}\left(t\right)}{U_{\lambda /2}}\right)\\ =P_p{T}_{Mod}\left(t\right)T_{PM}[\left(1-e^{-{\alpha }_{o}L}\right)co{s}^2\left(\frac{\pi }{2}\frac{U_{PM}\left(t\right)}{U_{\lambda /2}}\right)\\ +\left(1-e^{-{\alpha }_{e}L}\right)si{n}^2\left(\frac{\pi }{2}\frac{U_{PM}\left(t\right)}{U_{\lambda /2}}\right)]\end{array}$$

  

  gegeben ist. In dieser Formel ist die Konversion und der damit einhergehende Abfall von Pumpstrahlung in „o“-Polarisation während der Propagation im Konverter vernachlässigt. Durch geeignete Wahl von T_Mod(t) und U_PM(t), welche beispielsweise durch eine computerimplementierte Berechnung, beispielsweise auch unter Berücksichtigung des konversionsbedingten Leistungsabfalls in „o“-Polarisation, der nötigen Werte oder durch Nutzung einer Hashtabelle (Englisch: „Hash table“) erfolgt, erreicht man nun, dass gleichzeitig das gewünschte „Signal“ P_out(t) emittiert wird und P_abs(t)=const zeitlich unabhängig von der „Signal“-Form wird. Dies wird in obiger Näherung beispielsweise erreicht durch die Wahl von $$T_{Mod}\left(t\right)=\frac{e^{-{\alpha }_{o}L}-e^{-{\alpha }_{e}L}}{1-e^{-{\alpha }_{e}L}}\times \frac{P_{out}\left(t\right)}{{\eta }_{conv}{T}_{PM}{P}_p}+C,$$

  

  was T_Mod(t) bis auf eine Konstante C festlegt. Durch die Konstante C kann die Wärmebelastung des Konverters im Rahmen des physikalisch Möglichen vorgegeben werden. Diese Konstante kann beispielsweise dergestalt gewählt werden, dass sich eine maximale Nutzbarkeit der zur Verfügung gestellten Pumpleistung P_p der Laseranordnung, d.h. eine maximale Effizienz ergibt. Dies erreicht man beispielsweise, indem C dergestalt gewählt wird, dass sich, wenn P_out(t) der technisch maximal gewünschten oder möglichen Ausgangsleistung entspricht, gerade T_Mod(t) = 1 wird. Diese Wahl ist Vorteilhaft für α_o < α_e wie z.B. bei ZGP, oder allgemein bei einer stärkeren Absorption der nicht konvertierenden Polarisation im Vergleich zur konvertierenden Polarisation, da es die Ausnutzung des vollen Ausgangsleistungsbereichs erlaubt.
  Für α_o > α_e, oder allgemein bei einer stärkeren Absorption der konvertierenden Polarisation im Vergleich zur nicht konvertierenden Polarisation, kann es beispielsweise von Vorteil sein, C = 1 zu setzen. Bei dieser Wahl kann man unter Anwendung des Verfahrens die größtmöglich zugängliche Ausgangsleistung Pout erzielen, welche jedoch geringer ist als die physikalisch maximal mögliche Ausgangsleistung ohne Modulation aufgrund der installierten Pumpleistung.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Konverter 3 eine beliebig wählbare Ausgangsleistung, wie die Leistung des Ausgangslaserstrahls 9, bei einer minimalen Anzahl an zusätzlich nötigen Komponenten auf. Weitere Vorteile bestehen darin, dass die Laseranordnung 1 oder der Konverter 3 bei konstantem Arbeitspunkt betrieben werden kann und somit die Strahllage und Strahlqualität aufgrund konstanter thermischer Effekte unabhängig von der Modulation unverändert bleiben. Zudem erlaubt es die Anordnung zusätzlich, die thermische Last des nachgeschalteten Kristalls des Konverters 3 bestmöglich zeitlich konstant zu halten, um Variationen in Strahllage oder Stahldivergenz zu minimieren.
• 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Laseranordnung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kann ähnlich wie die Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Ferner unterscheidet sich die Laseranordnung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von der Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Intensitätsmodulator 11 durch eine Pockelszelle 16 und einen Polarisator 17 gebildet ist. Beispielsweise weist der erste Laserstrahl 6 eine Leistung P_P auf und weist der intensitätsmodulierte Laserstrahl 12 eine Leistung P_p*T₁ auf, wobei T₁ die modulierbare Transmission des Intensitätsmodulators 11 angibt.
• 4a bis 4d zeigen schematische Darstellungen einer Laseranordnung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel kann ähnlich wie die Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Ferner unterscheidet sich die Laseranordnung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel von der Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Intensitätsmodulator 11 durch einen akustooptischen Modulator 18 gebildet ist. In den 4a und 4b ist der Intensitätsmodulator 11 zwischen der Pumplaserquelle und der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 angeordnet während in den 4c und 4d der Intensitätsmodulator 11 zwischen der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und dem Konverter 3 angeordnet ist. Ferner sind in den 4a und 4c der Intensitätsmodulator 11, der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und der Konverter 3 auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet während in der 4b der Intensitätsmodulator 11 beabstandet von einer gemeinsamen Gerade, auf welcher der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und der Konverter 3 angeordnet sind, angeordnet ist und in der 4d der Konverter 3 beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und der Intensitätsmodulator angeordnet sind, angeordnet ist. Die in den 4a und 4c gezeigten Anordnungen weisen den Vorteil auf, dass, wenn der Intensitätsmodulator 11 ausgeschaltet ist, die volle Leistung des den Intensitätsmodulator 11 durchquerenden Laserstrahls zur Verfügung stehen. Ferner weisen die in den 4b und 4d gezeigten Anordnungen den Vorteil auf, dass, wenn der Intensitätsmodulator 11 ausgeschaltet ist, kein Laserstrahl oder kein Pumplicht auf den Konverter 3 fällt. Hierdurch kann eine Sicherheit bei einem Betrieb der Laseranordnung 1 erhöht werden.
• 5a und 5b zeigen schematische Darstellungen einer Laseranordnung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel kann ähnlich wie die Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Ferner unterscheidet sich die Laseranordnung 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel von der Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Intensitätsmodulator 11 durch einen Frustrierte-Totalreflexion (Englisch: „frustrated total internal reflection, FTIR“) -Schalter 19 gebildet ist. Beispielsweise weist der erste Laserstrahl 6 eine Leistung P_P auf und weist der intensitätsmodulierte Laserstrahl 12 eine Leistung P_P*T_FTIR auf, wobei T_FTIR die modulierbare Transmission des Intensitätsmodulators angibt. Ferner ist in der 5a der Intensitätsmodulator 11 zwischen der Pumplaserquelle und der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 angeordnet während in der 5b der Intensitätsmodulator 11 zwischen der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und dem Konverter 3 angeordnet ist.
• Bezugszeichenliste

1

Laseranordnung

2

Polarisationsmodulationsvorrichtung

3

Konverter

4

erster Laserstrahl

5

Pfeil

6

zweiter Laserstrahl

7, 8

Pfeile

9

Ausgangslaserstrahl

10

nicht-konvertierte Pumpstrahlung

11

Intensitätsmodulator

12

intensitätsmodulierter Laserstrahl

13

weiterer Laserstrahl

14

weiterer Laserstrahl

15

Polarisationsmodulation

16

Pockelszelle

17

Polarisator

18

akustooptischer Modulator

19

Frustrierte-Totalreflexion-Schalter

Claims (8)

1. Laseranordnung (1), mit: einer Pumplaserquelle, welche eingerichtet ist, einen ersten Laserstrahl (4) zu erzeugen; einer Polarisationsmodulationsvorrichtung (2), welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl (4) zu empfangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) zu modulieren, um einen zweiten Laserstrahl (6) zu erzeugen; und einem polarisationsabhängigen Konverter (3), welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl (6) zu empfangen, und einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls (6) mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl (9) zu konvertieren; wobei die Polarisationsmodulationsvorrichtung (2) ferner eingerichtet ist, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) derart zu modulieren, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls (9) einen vorgegebenen Zielwert annimmt; gekennzeichnet durch einen steuerbaren Intensitätsmodulator (11), welcher eingerichtet ist, eine Intensität des ersten Laserstrahls (4) oder des zweiten Laserstrahls (6) zu modulieren.
2. Laseranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Laseranordnung (1) ferner eingerichtet ist, den steuerbaren Intensitätsmodulator (11) derart zu steuern, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl (6) bewirkte Wärmebelastung des polarisationsabhängigen Konverters (3) auf der Zeitskala thermischer Effekte weitgehend konstant ist.
3. Laseranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der steuerbare Intensitätsmodulator (11) ein elektrooptischer Modulator (16, 17), ein akustooptischer Modulator (18) oder ein Frustrierte-Totalreflexion-Schalter (19) ist.
4. Laseranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Polarisationsmodulationsvorrichtung (2) eine Pockelszelle, einen Flüssigkristall, mechanisch bewegbare Wellenplatten oder extern erzeugte Spannungsdoppelbrechung in optischen Medien umfasst.
5. Laseranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der polarisationsabhängige Konverter (3) einen nichtlinearen Kristall umfasst.
6. Laseranordnung nach Anspruch 5, wobei der nichtlineare Kristall ein Zink-Germanium-Phosphid-Kristall, ein Cadmium-Silizium-Phosphid-Kristall, ein Barium-Gallium-Selenid-Kristall, ein Barium-Gallium-Sulfid-Kristall, ein Quecksilber-Gallium-Sulfid-Kristall, ein Cadmium-Selenid-Kristall, ein periodisch-gepolter Lithium-Niobat-Kristall, ein periodisch-gepolter Kalium-Titanyl-Phosphat-Kristall, ein periodisch-gepolter Rubidium-Titanyl-Phosphat-Kristall, ein periodisch-orientierter Gallium-Arsenid-Kristall, ein periodisch-orientierter Gallium-Phosphid-Kristall oder ein periodisch-orientierter Gallium-Nitrid-Kristall ist.
7. Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung (1), wobei die Laseranordnung (1) eine Pumplaserquelle, welche eingerichtet ist, einen ersten Laserstrahl (4) zu erzeugen, eine Polarisationsmodulationsvorrichtung (2), welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl (4) zu empfangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) zu modulieren, um einen zweiten Laserstrahl (6) zu erzeugen, und einen polarisationsabhängigen Konverter (3), welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl (6) zu empfangen, und einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls (6) mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl (9) zu konvertieren, umfasst, wobei die Laseranordnung (1) ferner einen steuerbaren Intensitätsmodulator (11), welcher eingerichtet ist, eine Intensität des ersten Laserstrahls (4) oder des zweiten Laserstrahls (6) zu modulieren, umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Modulieren der Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) derart, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls (9) einen vorgegebenen Zielwert annimmt, durch die Polarisationsmodulationsvorrichtung (2), gekennzeichnet durch: Modulieren einer Intensität des ersten Laserstrahls (4) oder des zweiten Laserstrahls (6) durch den zusätzlichen steuerbaren Intensitätsmodulator (11).
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren ferner umfasst: Steuern des steuerbaren Intensitätsmodulators (11) derart, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl bewirkte Wärmebelastung des polarisationsabhängigen Konverters (3) auf der Zeitskala thermischer Effekte weitgehend konstant ist.

Images