DE102020207949A1

DE102020207949A1 - Laservorrichtung und Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung

Info

Publication number: DE102020207949A1
Application number: DE102020207949.8A
Authority: DE
Inventors: Marc Eichhorn; Christelle Kieleck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2021-12-30
Also published as: WO2021260051A1; EP4173091A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung. Die Laservorrichtung umfasst einen Laserresonator (1), welcher ein Lasermedium (3) aufweist. Zudem umfasst die Laservorrichtung einen ersten Modulator (4), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen ersten Ausgangsstrahl (6) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln. Des Weiteren umfasst die Laservorrichtung einen zweiten Modulator (5), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrahl (7) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Für Anwendungen im Bereich optronischer Gegenmaßnahmen mit Lasern, der Laserkommunikation und der Laser-Materialbearbeitung ist es häufig wünschenswert, eine entsprechend einem elektronischen Vorgabesignal gewünschte zeitlich variable mittlere Leistung und Pulsenergie abzustrahlen und auf zum Beispiel zwei Ausgangsstrahlen, wie zwei Kanäle, aufzuteilen. Dazu könnte eine gütegeschaltete Laserquelle in ihrer Ausgangsleistung und Pulsenergie von Puls zu Puls variabel einstellbar sein. Eine gütegeschaltete Laserquelle weist jedoch häufig keine gleichzeitig unabhängig von der gewählten mittleren Ausgangsleistung, Repetitionsrate oder Pulsenergie eine stabile Strahllage und Divergenz auf, welche von Puls zu Puls nicht schwankt.
Um die Strahleigenschaften, wie Lage, Divergenz und/oder Strahlqualität, nicht zu verändern wird die gütegeschaltete Laserquelle häufig bei konstanter Leistung im repetierenden Dauerbetrieb betrieben. Die Laserleistung und damit Pulsenergie wird im Nachhinein durch einen in den Ausgangsstrahl eingebrachten Modulator in ihrer Amplitude abgeschwächt, wodurch die gewünschte Intensitätsmodulation auf den Ausgangsstrahl aufgeprägt wird. Der dazu komplementäre Anteil erscheint dabei im zweiten vom Modulator erzeugten Strahl, beispielsweise eine zweite Polarisation bei einem elektrooptischen Modulator oder ein gebeugter Anteil bei einem akustooptischen Modulator.
Eine derartige gütegeschaltete Laserquelle arbeitet jedoch häufig bei voller Leistung, wodurch ein hoher Energieverbrauch und die Notwendigkeit eines entsprechenden Abwärmemanagements mit zusätzlichem Leistungs- und Platzbedarf entstehen kann. Zudem kann der Modulator im Ausgangsstrahl je nach thermischer Belastung, insbesondere bei sich variierenden Modulationsformaten, eine Strahllageänderung hervorrufen. Laserpulsdauer und Spitzenleistung hängen im gütegeschalteten Betrieb ferner signifikant von der gewählten Repetitionsrate ab, weshalb diese oft festgelegt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine verbesserte Laservorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung zu schaffen, mit denen eine Reduzierung der beim Erzeugen eines Laserstrahls entstehenden Abwärme und/oder eine Optimierung der Strahleigenschaften des erzeugten Laserstrahls erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Laservorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung gemäß Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass in einem Laserresonator zwei Modulatoren anordnet werden, und je nach gewünschter Leistungsverteilung auf die Kanäle, Pulsenergie und Pulsdauer diese Modulatoren spezifisch angesteuert werden. Mit einem derartigen Laserresonator können zwei Ausgangsstrahlen, welche Kanäle bilden können, erzeugt werden. Ein erster Ausgangsstrahl kann ein für die konkrete Anwendung, beispielsweise im Bereich optronischer Gegenmaßnahmen mit Lasern, der Laserkommunikation und der Laser-Materialbearbeitung, zu verwendender Nutzstrahl sein, welcher vorgegebene Strahleigenschaften aufweist. Zudem kann über den zweiten Ausgangsstrahl überschüssige Laserleistung aus dem Laserresonator ausgekoppelt werden, um den Laserresonator in seinem mittleren Arbeitspunkt zu halten und/oder die vorgegebenen Strahleigenschaften des Nutzstrahls zu gewährleisten. Es können auch beide Ausgangsstrahlen in der konkreten Anwendung zu verwendende Nutzstrahlen darstellen.
Erfindungsgemäß wird eine Laservorrichtung bereitgestellt. Die Laservorrichtung umfasst einen Laserresonator. Der Laserresonator weist ein Lasermedium auf. Zudem umfasst die Laservorrichtung einen ersten Modulator. Der erste Modulator ist in dem Laserresonator angeordnet. Ferner ist der erste Modulator ausgebildet, einen ersten Ausgangsstrahl aus dem Laserresonator auszukoppeln. Zudem umfasst die Laservorrichtung einen zweiten Modulator. Der zweite Modulator ist in dem Laserresonator angeordnet. Ferner ist der zweite Modulator ausgebildet, einen zweiten Ausgangsstrahl aus dem Laserresonator auszukoppeln.
Der Laserresonator kann ein linearer Resonator oder ein Ringresonator sein. Ferner kann der Laserresonator zumindest zwei Spiegel aufweisen, welche den Laserresonator räumlich begrenzen und eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweisen. Beispielsweise sind die Spiegel hochreflektierende Spiegel mit einer Reflektivität von mehr als 99,9%.
Das Lasermedium kann zwischen zwei Spiegeln des Laserresonators angeordnet sein. Ferner kann das Lasermedium ein laseraktives Medium sein. Zudem kann das Lasermedium ein Festkörper, beispielsweise ein dotierter Kristall oder ein dotiertes Glas, eine dotierte lichtführende Faser, eine Flüssigkeit, beispielsweise eine Farbstofflösung, oder ein Gas sein.
Der erste Modulator und der zweite Modulator können jeweils ausgebildet sein, die jeweiligen Ausgangsstrahlen durch Ablenkung von Laserstrahlung aus dem Laserresonator auszukoppeln. Ferner kann der erste Ausgangsstrahl und/oder der zweite Ausgangsstrahl ein Laserpuls oder ein Dauerstrich-Laserstrahl sein. Beispielsweise kann der erste Ausgangsstrahl ein in der konkreten Anwendung zu verwendender Nutzstrahl sein während über den zweiten Ausgangsstrahl überschüssige Leistung aus dem Laserresonator ausgekoppelt wird.
Der erste Modulator und der zweite Modulator können steuerbare Modulatoren sein. Zudem kann die Laservorrichtung ferner eine Steuereinrichtung umfassen. Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, den ersten Modulator und den zweiten Modulator unabhängig voneinander zu steuern. Durch die unabhängige Steuerung der jeweiligen Modulatoren wird der Vorteil erreicht, dass die Leistung der jeweiligen Ausgangsstrahlen individuell eingestellt werden kann. Hierdurch können die Strahleigenschaften der jeweiligen Ausgangsstrahlen optimiert werden. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung einen Mikrokontroller oder einen Prozessor umfassen.
Der erste Modulator und/oder der zweite Modulator kann ein akustooptischer Modulator, ein elektrooptischer Modulator, ein Frustrierte-Totalreflexion-Schalter oder eine mechanisch bewegte Wellenplatte sein.
Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, den ersten Modulator und den zweiten Modulator derart zu steuern, dass im kontinuierlichen Betrieb ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl und in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl und in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist oder dass eine Pulsdauer des ersten Ausgansstrahls oder des zweiten Ausgangsstrahls konstant ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, den ersten steuerbaren Modulator und den zweiten steuerbaren Modulator und die Pumpleistung des Lasers derart zu steuern, dass im kontinuierlichen Betrieb eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl oder in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl oder in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Strahleigenschaften der jeweiligen Ausgangsstrahlen optimiert werden können.
Der Gesamtauskopplungsgrad der jeweiligen Modulatoren kann durch $T_{OC} = 1 - {(1 - ρ_{1})}^{2} * {(1 - ρ_{2})}^{2}$
bei Doppel-Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator und den zweiten Modulator pro Umlauf oder während eines Resonatorumlaufs, beispielsweise in einem Stehwellenresonator, sofern jeder Durchgang auf Hin- und Rückweg zu einer Auskopplung führt, oder durch $T_{OC} = 1 - (1 - ρ_{1}) * (1 - ρ_{2})$
bei Einfach-Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator und den zweiten Modulator pro Umlauf oder während eines Resonatorumlaufs, beispielsweise in einem Ringresonator, gegeben sein. Hierbei ist ρ₁ der Anteil der bei einem Modulatordurchgang in den ersten Ausgangsstrahl ausgekoppelten Leistung. Ferner ist ρ₂ der Anteil der bei einem Modulatordurchgang in den zweiten Ausgangsstrahl ausgekoppelten Leistung. Durch geeignete Wahl von ρ₁ und ρ₂ wird der Vorteil erreicht, dass der Laserresonator in seinem mittleren Arbeitspunkt gehalten werden kann. Beispielsweise können bei Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator und den zweiten Modulator der erste Modulator und der zweite Modulator in Laufrichtung oder Umlaufrichtung einer Lasermode in dem Laserresonator nacheinander ohne Durchquerung des Lasermediums durch die Lasermode beaufschlagt werden und/oder bei Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator oder den zweiten Modulator der erste Modulator und der zweite Modulator in Laufrichtung oder Umlaufrichtung einer Lasermode in dem Laserresonator nacheinander mit Durchquerung des Lasermediums durch die Lasermode beaufschlagt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Laserresonator zusätzlich noch weitere Auskoppelstellen aufweisen, beispielsweise zu Mess- und Regelzwecken, oder durch unvermeidbare Verluste Λ.
Die Laservorrichtung kann ferner eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer effektiven Inversion des Lasermediums aufweisen. Zudem kann die Steuereinrichtung ferner ausgebildet sein, den ersten Modulator und/oder den zweiten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten effektiven Inversion des Lasermediums zu steuern. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass eine gewünschte Inversion des Lasermediums eingestellt werden kann.
Die Erfassungseinrichtung kann ausgebildet sein, eine Fluoreszenz des Lasermediums zu erfassen und die effektive Inversion des Lasermediums auf Basis der erfassten Fluoreszenz des Lasermediums zu bestimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die effektive Inversion des Lasermediums besonders genau bestimmt werden kann. Zudem kann die Steuereinrichtung ferner ausgebildet sein, den ersten Modulator und/oder den zweiten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten Fluoreszenz zu steuern.
Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung ausgebildet sein, eine Laserstrahlung des Lasermediums zu erfassen und die effektive Inversion des Lasermediums auf Basis der erfassten Laserstrahlung des Lasermediums zu bestimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die effektive Inversion des Lasermediums besonders genau bestimmt werden kann. Zudem kann die Steuereinrichtung ferner ausgebildet sein, den ersten Modulator und/oder den zweiten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten Laserstrahlung zu steuern.
Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung ausgebildet sein, eine Strahllage oder Strahldivergenz der Laserstrahlung des Lasermediums zu erfassen und eine Strahllage oder Strahldivergenz der Laserstrahlung des Lasermediums auf Basis der erfassten Laserstrahlung des Lasermediums zu bestimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die eine Strahllage oder Strahldivergenz der Laserstrahlung des Lasermediums besonders genau bestimmt werden kann.
Die Laservorrichtung kann ferner eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Laserleistung aufweisen. Zudem kann die Steuereinrichtung ferner ausgebildet sein, den ersten Modulator und/oder den zweiten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten Laserleistung zu steuern. Beispielsweise kann die erfasste Laserleistung eine Leistung des ersten Ausgangsstrahls, eine Leistung des zweiten Ausgangsstrahls oder eine Leistung eines an einer weiteren Auskopplungsstelle, wie einem Auskoppelspiegel, des Laserresonators ausgekoppelten Laserstrahls sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Laservorrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Strahllage oder einer Strahldivergenz der Laserstrahlung aufweisen. Ferner kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, den ersten Modulator und/oder den zweiten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten Strahllage oder Strahldivergenz zu steuern.
Der Laserresonator kann einen Auskoppelspiegel aufweisen, der eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweist. Zudem kann die Erfassungseinrichtung ausgebildet sein, die durch den Auskoppelspiegel ausgekoppelte Leistung zu erfassen und somit die Laserleistung oder eine Strahllage oder eine Strahldivergenz der Laserstrahlung auf Basis der erfassten ausgekoppelten Leistung zu bestimmen. Der Auskoppelspiegel kann ein den Laserresonator begrenzender Spiegel oder ein in dem Laserresonator angeordneter Umlenkspiegel oder ein in dem Laserresonator angeordneter Strahlteiler oder in dem Laserresonator angeordneter Polarisator sein.
Die jeweiligen Modulatoren können derart in dem Laserresonator angeordnet sein, dass die jeweiligen Modulatoren in dem Laserresonator durch in dem Laserresonator umlaufende Laserstrahlung nacheinander ohne Durchquerung des Lasermediums beaufschlagt werden.
Der Laserresonator kann einen Spiegel aufweisen. Zudem können der erste Modulator und der zweite Modulator zwischen dem Lasermedium und dem Spiegel angeordnet sein. Der Spiegel kann den Laserresonator räumlich begrenzen. Der Spiegel kann eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweisen. Beispielsweise kann der Spiegel ein hochreflektierender Spiegel mit einer Reflektivität von mehr als 99,9% sein. Zwischen dem Spiegel und dem ersten oder dem zweiten Modulator oder dem Lasermedium können optische Elemente, beispielsweise Linsen, Strahlteiler, Etalons, Filter, Polarisatoren oder Verzögerungsplatten, angeordnet sein.
Der zweite Modulator kann beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher der erste Modulator und das Lasermedium liegen, angeordnet sein. Zudem kann der erste Modulator ferner ausgebildet sein, einen in Richtung des zweiten Modulators gerichteten Laserstrahl zu erzeugen. Des Weiteren kann der zweite Modulator ferner ausgebildet sein, den zweiten Ausgangsstrahl aus dem von dem ersten Modulator erzeugten Laserstrahl zu erzeugen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass durch die Auskopplung der jeweiligen Ausgangsstrahlen erzeugte Frequenzverschiebungen reduziert werden können.
Die jeweiligen Modulatoren können auf unterschiedlichen Seiten des Lasermediums angeordnet sein.
Der Laserresonator kann einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel aufweisen. Zudem kann das Lasermedium zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel angeordnet sein. Ferner kann der erste Modulator zwischen dem Lasermedium und dem ersten Spiegel angeordnet sein. Des Weiteren kann der zweite Modulator zwischen dem Lasermedium und dem zweiten Spiegel angeordnet sein. Die jeweiligen Spiegel können den Laserresonator räumlich begrenzen. Ferner können die jeweiligen Spiegel eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweisen. Beispielsweise können die jeweiligen Spiegel hochreflektierende Spiegel mit einer Reflektivität von mehr als 99,9% sein.
Die jeweiligen Spiegel, das Lasermedium und die jeweiligen Modulatoren können auf einer gemeinsamen Geraden liegen.
Mindestens einer der jeweiligen Modulatoren kann derart ausgebildet sein, dass die bei umgekehrtem Umlaufsinn in die dem als Auskoppelkanal definierten Ausgansstrahl entgegengesetzte Richtung ausgekoppelte Strahlung in sich zurückreflektiert wird. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Umlaufrichtung der Lasermode in dem Laserresonator durch die jeweiligen Modulatoren festgelegt werden kann.
Der Laserresonator kann derart ausgebildet sein, dass in einem Resonatorumlauf das Lasermedium viermal durchlaufen wird. Dadurch kann eine Verstärkung der Strahlung in dem Laserresonator pro Resonatorumlauf erhöht werden. Hierdurch können zudem kürzere Laserpulse ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung bereitgestellt. Die Laservorrichtung umfasst einen Laserresonator, welcher ein Lasermedium aufweist, einen ersten steuerbaren Modulator, welcher in dem Laserresonator angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen ersten Ausgangsstrahl aus dem Laserresonator auszukoppeln, und einen zweiten steuerbaren Modulator, welcher in dem Laserresonator angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrahl aus dem Laserresonator auszukoppeln. Das Verfahren umfasst Steuern des ersten steuerbaren Modulators und des zweiten steuerbaren Modulators und/oder der Laserpumpleistung derart, dass im kontinuierlichen Betrieb eine Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl und in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl und in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist oder dass eine Pulsdauer des ersten Ausgansstrahls oder des zweiten Ausgangsstrahls konstant ist. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren Steuern des ersten steuerbaren Modulators und des zweiten steuerbaren Modulators und der Pumpleistung des Lasers derart, dass im kontinuierlichen Betrieb eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl oder in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl oder in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist. Durch die vorgenannte Steuerung der jeweiligen Modulatoren oder der Pumpleistung des Lasers können die Strahleigenschaften der jeweiligen Ausgangsstrahlen optimiert werden. Ferner kann das Verfahren ein computerimplementiertes Ansteuerverfahren sein, das beispielsweise auf direkten Berechnungen oder der Nutzung einer Hash-Tabelle oder der Verwendung künstlicher Intelligenz beruht.
Das Verfahren kann ferner Erfassen einer effektiven Inversion des Lasermediums oder einer Fluoreszenz oder einer Laserstrahlung oder einer Laserleistung oder einer Strahllage oder Strahldivergenz der Laserstrahlung des Lasermediums und Steuern des ersten steuerbaren Modulators und/oder des zweiten steuerbaren Modulators und/oder der Pumpleistung des Lasers auf Basis der erfassten effektiven Inversion des Lasermediums oder der Fluoreszenz oder der Laserstrahlung oder der Laserleistung oder der Strahllage oder der Strahldivergenz der Laserstrahlung des Lasermediums umfassen.
Das Verfahren kann mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung ausgeführt werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Dazu zeigen:

1a bis 1c: Laservorrichtungen gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen;
2a bis 2e: Laserresonatoren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;
3a bis 3f: Laserresonatoren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;
4a und 4b: Laserresonatoren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; und
5: ein Funktionsprinzip eines Frustrierte-Totalreflexion-Schalters.

1a bis 1c zeigen Laservorrichtungen gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen. Die Laservorrichtungen weisen jeweils einen Laserresonator 1 auf, welcher durch Spiegel 2 begrenzt ist. Hierbei ist der in 1a gezeigte Laserresonator 1 ein Ringresonator während die in den 1b und 1c gezeigten Laserresonatoren 1 lineare Resonatoren oder Stehwellenresonatoren sind. In den Laserresonatoren 1 ist jeweils ein Lasermedium 3, ein erster Modulator 4 und ein zweiter Modulator 5 angeordnet. Der erste Modulator 4 ist ausgebildet, einen ersten Ausgangsstrahl 6 aus dem Laserresonator 1 auszukoppeln. Ferner ist der zweite Modulator 5 ausgebildet, einen zweiten Ausgangsstrahl 7 aus dem Laserresonator 1 auszukoppeln. Die jeweiligen Modulatoren 4, 5 koppeln die jeweiligen Ausgangsstrahlen 6, 7 aus in dem Laserresonator 1 befindlicher Laserstrahlung 8 aus. Die Laserstrahlung 8 wird von den Spiegeln 2 reflektiert. Die Spiegel 2 können jeweils eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweisen. Beispielsweise sind die Spiegel 2 hochreflektierende Spiegel mit einer Reflektivität von mehr als 99,9%.
In den in den 1a und 1b abgebildeten Laserresonatoren 1 sind der erste Modulator 4 und der zweite Modulator 5 jeweils zwischen dem Lasermedium 3 und dem Spiegel 2-1 angeordnet, während in dem in der 1c abgebildeten Laserresonator 1 der erste Modulator 4 zwischen dem Spiegel 2-2 und dem Lasermedium 3 und der zweite Modulator 5 zwischen dem Lasermedium 3 und dem Spiegel 2-1 angeordnet ist. Zudem sind in den in den 1a bis 1c abgebildeten Laserresonatoren 1 das Lasermedium 3 und die jeweiligen Modulatoren 4, 5 auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet. Ferner kann in den in den 1b und 1c abgebildeten Laserresonatoren 1 die Laserstrahlung 8 eine stehende Welle zwischen den Spiegeln 2 bilden während in dem in der 1a abgebildeten Laserresonator 1 die Laserstrahlung 8 in einer Umlaufrichtung 9 oder einem Umlaufsinn umlaufen kann. Die Umlaufrichtung 9 kann durch weitere, nicht abgebildete Elemente in dem Laserresonator 1 oder durch externe Injektion festgelegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die jeweiligen Modulatoren 4, 5 akustooptische Modulatoren sein. Dabei bildet z.B. der durch die akustische Welle in dem jeweiligen akustooptischen Modulator gebeugte Strahl den jeweiligen ausgekoppelten Ausgangsstrahl 6, 7. Der Anteil der ausgekoppelten Leistung ρ₁ für den ersten Ausgangsstrahl 6, wie einen Kanal 1, kann durch geeignete Wahl der akustischen Leistung des Modulators eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die jeweiligen Modulatoren 4, 5 elektrooptische Modulatoren (EOM) bestehend aus einer elektrooptischen Zelle und mindestens einem polarisierenden Strahlteiler sein. Dabei bildet die Kombination aus je einem EOM mit dem Strahlteiler jeweils eine einstellbare Auskopplung ρ₁ für die diesen EOM durchschreitende Laserstrahlung 8 beim Auftreffen auf den jeweiligen Strahlteiler, beispielsweise für den ersten Ausgangsstrahl 6. Der jeweils ausgekoppelte Anteil stellt einen der zwei Ausgangsstrahlen 6, 7 oder Ausgangskanäle dar. Dabei kann natürlich je nach Aufbau der vom Strahlteiler transmittierte oder der reflektierte Anteil der ausgekoppelte Anteil sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die jeweiligen Modulatoren 4, 5 die Abstandsänderung zweier optischer Medien benutzen, um durch frustrierte Totalreflektion (Englisch: „frustrated total internal reflection, FTIR“) eine Auskopplung zu erzielen.
Nachfolgend wird beispielhaft ein Betrieb der Laservorrichtung und des Laserresonators 1 beschrieben. Hierbei bildet der erste Ausgangsstrahl 6 einen Kanal 1 und bildet der zweite Ausgangsstrahl 7 einen Kanal 2. Zur Erzeugung von Laserpulsen durch Güteschaltung wird mindestens einer der beiden Modulatoren 4, 5 oder beide gemeinsam erst dergestalt angesteuert, dass es zu einer ausreichend großen Gesamtauskopplung kommt, so dass der Laserresonator 1 nicht anschwingt und während dieser Zeit durch Pumpen Inversion in dem Lasermedium 3 aufgebaut wird. Dies kann auch durch Ansteuerung nur eines der Modulatoren 4, 5 erreicht werden.
Abhängig von der vor dem Pumpvorgang möglicherweise vorhandenen Restinversion ${〈 Δ N 〉}_{f}^{'} (t = 0)$
des Lasermediums 3 steigt die effektive Inversion ${〈 Δ N 〉}_{i}^{'} (t)$
des Lasermediums 3 durch den Pumpvorgang zeitlich an: ${〈 Δ N 〉}_{i}^{'} (t) = (R_{p} τ_{f} - \frac{σ_{a} - σ_{e}}{σ_{a} + σ_{e}} 〈 N 〉) (1 - e^{- t / τ_{f}}) - {〈 Δ N 〉}_{f}^{'} (t = 0)$
Dabei sind σ_a der spektroskopische Absorptionsquerschnitt und σ_e der spektroskopische Emissionsquerschnitt des Laserübergangs, R_p die Pumprate, τ_f die Fluoreszenzlebensdauer und (N) die mittlere Konzentration des laseraktiven Dotierstoffs in dem Lasermedium 3. Die effektive Inversion (ΔN)_i ^' ergibt sich mathematisch durch Verschiebung der Besetzungsinversion 〈ΔN〉_i=〈N₂〉-〈N₁〉 um einen von den spektroskopischen Wirkungsquerschnitten und von der mittleren aktiven Konzentration abhängigen Wert: ${〈 Δ N 〉}_{i}^{'} = {〈 Δ N 〉}_{i} - \frac{σ_{a} - σ_{e}}{σ_{a} + σ_{e}} 〈 N 〉$
Dann wird die Ansteuerung so verändert, dass ein gewünschtes Maß an Gesamtauskopplungsgrad T_OC=1-R_OC erzielt wird. Somit läuft die Laservorrichtung vergleichbar zu einem normalen, gütegeschalteten Laser und erzeugt einen Puls mit der Pulsdauer $t_{p} \approx \frac{r η (r)}{r - 1 - l n (r)} τ_{c}$
Dabei ist τ_c die Photonenlebensdauer im Laserresonator, η(r) die Extraktionseffizienz und $r = \frac{{〈 Δ N 〉}_{i}^{'}}{{〈 Δ N 〉}_{t h}^{'}} = \frac{g_{i}}{g_{t h}}$
das Verhältnis der logarithmischen Verstärkung bei Auslösen des Pulses $g_{i} = \frac{1}{2} (σ_{a} + σ_{e}) {〈 Δ N 〉}_{i}^{'} = \frac{1}{2} [(σ_{a} + σ_{e}) {〈 Δ N 〉}_{i} - (σ_{a} - σ_{e}) 〈 N 〉]$
zur logarithmischen Verstärkung eines vergleichbaren Dauerstrichlasers an der Laserschwelle g_th (Schwellverstärkung) $g_{t h} = \frac{1}{2} (σ_{a} + σ_{e}) {〈 Δ N 〉}_{t h}^{'} = \frac{1}{2} [(σ_{a} + σ_{e}) {〈 Δ N 〉}_{t h} - (σ_{a} - σ_{e}) 〈 N 〉]$
Soll an Kanal 1, beispielsweise durch den ersten Ausgangsstrahl 6, nun eine bestimmter Anteil γ₁ der gesamten Pulsenergie emittiert werden, kann durch geeignete Wahl der ausgekoppelten Anteile ρ₁ und ρ₂ das Verhältnis der Auskopplung in Kanal 1 und Kanal 2, beispielsweise in den ersten Ausgangsstrahl 6 und in den zweiten Ausgangsstrahl 7, festgelegt werden und gleichzeitig sichergestellt werden, dass der Laser bei gleicher Gesamtauskopplung T_OC=1-R_OC, d.h. mit beispielsweise gleichem $R_{O C} = (1 - ρ_{1}) (1 - ρ_{2}) = k o n s t .$
für einen Ringresonator, beziehungsweise $R_{O C} = {(1 - ρ_{1})}^{2} {(1 - ρ_{2})}^{2} = k o n s t .$
für einen Stehwellenresonator, für diesen Puls betrieben wird. Dadurch wird der Laserresonator 1 in seinem mittleren Arbeitspunkt nicht gestört.
Werden die Auskoppelstellen für beide Kanäle oder Ausgangsstrahlen 6, 7, wie in der 1a abgebildet, in Umlaufrichtung 9 der Lasermode nacheinander ohne weitere Durchquerung des Lasermediums 3 durch die umlaufende Laserstrahlung 8 beaufschlagt, beginnend mit Kanal 1 oder dem ersten Ausgangsstrahl 6, gilt für die je Kanal ausgekoppelten Leistungen $P_{1} = ρ_{1} P_{i n c,1} (t)$
$P_{2} = ρ_{2} (1 - ρ_{1}) P_{i n c,1} (t)$
wobei P_inc,1(t) die innerhalb des Laserresonators 1 auf den Modulator 4 für Kanal 1 fallende über den Puls zeitlich variierende Leistung ist. Somit sind die Verhältnisse $\begin{matrix} γ_{1} = \frac{P_{1}}{P_{1} + P_{2}} = \frac{ρ_{1}}{ρ_{1} + (1 - ρ_{1}) ρ_{2}} \\ γ_{2} = \frac{P_{2}}{P_{1} + P_{2}} = \frac{(1 - ρ_{1}) ρ_{2}}{ρ_{1} + (1 - ρ_{1}) ρ_{2}} \\ γ = \frac{P_{2}}{P_{1}} = \frac{(1 - ρ_{1}) ρ_{2}}{ρ_{1}} \end{matrix}$
unabhängig von der Pulsform P_inc,1(t).
Durch Lösen der entsprechenden Gleichungen erhält man die nötigen auszukoppelnden Anteile je Kanal: $ρ_{1} = (1 - R_{O C}) γ_{1} = (1 - R_{O C}) (1 - γ_{2}) = \frac{1 - R_{O C}}{1 + γ}$
$ρ_{2} = \frac{(1 - R_{O C}) (1 - γ_{1})}{1 - γ_{1} (1 - R_{O C})} = \frac{γ_{2} (1 - R_{O C})}{R_{O C} + γ_{2} (1 - R_{O C})} = \frac{γ (1 - R_{O C})}{R_{O C} + γ}$
Somit ist das entsprechende Verhältnis γ der Ausgangsleistung und Pulsenergie zwischen beiden Ausgangskanälen oder Ausgangsstrahlen 6, 7 bei konstanter Gesamt-Pulsenergie und Pulsdauer von Puls zu Puls frei einstellbar. Bei entsprechend schneller Ansteuerung und Reaktion der Modulatoren 4, 5 wäre sogar eine Änderung der Verteilung während eines Pulses möglich. Im anderen Kanal wird dann immer der zur in Kanal 1 emittierten Leistung komplementäre Anteil emittiert.
Liegen die Auskoppelstellen oder Modulatoren 4, 5 auf unterschiedlichen Seiten des Lasermediums 3, z.B. wird zuerst in Umlaufrichtung 9 die Auskoppelstelle für Kanal 1 oder der erste Modulator 4, dann das Lasermedium 3 und dann die Auskoppelstelle für Kanal 2 oder der zweite Modulator 5 beaufschlagt oder wie zum Beispiel in dem in der 1c abgebildeten Laserresonator 1, gilt $P_{1} = ρ_{1} P_{i n c,1} (t)$
$P_{2} = (1 - ρ_{1}) G (t) ρ_{2} P_{i n c,1} (t)$
Dabei ist zu beachten, dass nun die über einen Puls zeitabhängige Verstärkung G(t) zusätzlich den zeitlichen Verlauf der in Kanal 2 emittierten Leistung P₂ mitbestimmt. In diesem Fall wäre $γ_{1} = \frac{P_{1}}{P_{1} + P_{2}} = \frac{ρ_{1}}{ρ_{1} + (1 - ρ_{1}) ρ_{2} G (t)}$
Damit dieses Verhältnis von der Pulsform unabhängig einstellbar ist und weiterhin $R_{O C} = (1 - ρ_{1}) (1 - ρ_{2}) = k o n s t .$
gilt müssen beide Auskoppelgrade nun zeitabhängig sein. Dies wäre technisch aufwändiger, kann aber prinzipiell ebenfalls im Sinne der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Soll die Laservorrichtung bei veränderter Pumpleistung und/oder variabler Repetitionsrate, jedoch möglichst vergleichbarer Pulsenergie oder Pulsdauer, betrieben werden, wählt man den Gesamtauskoppelgrad T_OC=1-R_OC und/oder die Pumpleistung dergestalt, dass durch die sich damit verändernde Laserschwelle $P_{t h} = \frac{I_{s a t}^{p}}{η_{a b s}} (l n (G_{t h}) - σ_{a} 〈 N 〉 L),$
mit der Sättigungsintensität auf dem Pumpübergang $I_{s a t'}^{p}$
der Pumplicht-Absorptionseffizienz η_abs, der Länge des Lasermediums L und der Schwellverstärkung des Dauerstichlasers $G_{t h} = \frac{1}{\sqrt{R_{O C} (1 - Λ)}}$
für den Stehwellenresonator, bzw. $G_{t h} = \frac{1}{R_{O C} (1 - Λ)}$
für den Ringresonator, wobei Λ für die resonatorinternen Verluste steht, in Kombination mit der sich je nach zeitlicher Pumpleistung seit dem letzten Puls ergebender Inversion (ΔN)_f ^' sich die gewünschte Gesamt-Ausgangspulsenergie E_out durch Erzeugung einer spezifischen Inversion vor Pulsauslösung (ΔN)_i ^' ergibt: $E_{o u t} = \frac{1}{2} h v V [{〈 Δ N 〉}_{i}^{'} - {〈 Δ N 〉}_{f}^{'}] = \frac{1}{2} h v V η (r) {〈 Δ N 〉}_{l}^{'}$
Darin ist hv die Photonenenergie eines Laserphotons (h: Planck'sches Wirkungsquantum, v: Frequenz des Photons) und V das aktive Volumen des Lasermediums. Bei r=konst. lässt sich die Ausgangs-Pulsenergie somit durch Veränderung von R_OC über die effektive Inversion des Lasermediums 3 vor dem Puls einstellen, während wegen r=konst. auch die Extraktionseffizienz konstant und somit die Pulsdauer konstant ist.
Dazu ist $\begin{array}{l} r = \frac{{〈 Δ N 〉}_{i}^{'}}{{〈 Δ N 〉}_{t h}^{'}} = \frac{g_{i}}{g_{t h}} = \frac{\frac{1}{2} (σ_{a} + σ_{e}) {〈 Δ N 〉}_{i}^{'}}{l n (G_{t h})} = \frac{\frac{(σ_{a} + σ_{e})}{h v V η (r)} E_{o u t}}{- \frac{1}{2} l n (R_{O C} (1 - Λ))} \\ \Rightarrow E_{o u t} = - \frac{1}{2} \frac{h v V r η (r)}{(σ_{a} + σ_{e})} l n (R_{O C} (1 - Λ)) \\ P_{o u t} = η_{a b s} η_{s t} \frac{- l n (R_{O C})}{2 l n (G_{t h})} (P_{p} - P_{t h}) \end{array}$
für den Stehwellenresonator, bzw. $\begin{array}{l} r = \frac{\frac{(σ_{a} + σ_{e})}{h v V η (r)} E_{o u t}}{- l n (R_{O C} (1 - Λ))} \\ \Rightarrow E_{o u t} = - \frac{h v V r η (r)}{(σ_{a} + σ_{e})} l n (R_{O C} (1 - Λ)) \\ P_{o u t} = η_{a b s} η_{s t} \frac{- l n (R_{O C})}{l n (G_{t h})} (P_{p} - P_{t h}) \end{array}$
für den Ringresonator, η_st der Stokes-Wirkungsgrad und Pout die mittlere Gesamt-Ausgangsleistung des Lasers.
Durch z.B. Messen der Fluoreszenz des Lasermediums 3 lässt sich die aktuelle effektive Inversion des Lasermediums 3 bestimmen und bei gegebener Pumprate der Inversionsverlauf vor dem nächsten Puls bzw. bei gegebener Zeit bis zum nächsten Puls die nötige Pumprate, d.h. die zu applizierende Pumpleistung, bestimmen, um die gewünschte Inversion bei Auslösen des nächsten Pulses zu erreichen. In Kombination mit der geeigneten Wahl der Gesamtauskopplung oder R_OC wird dann r und somit die Pulsdauer eingestellt.
Gemäß einer Ausführungsform kann mit der Laservorrichtung eine beliebig wählbare komplementäre Aufteilung der Laseremission in zwei Kanäle bei einer minimalen Anzahl an zusätzlich nötigen Komponenten bewirkt werden. Die Vorteile bestehen darin, dass die Laservorrichtung bei konstantem Arbeitspunkt betrieben werden kann und somit die Strahllage und Strahlqualität aufgrund konstanter thermischer Effekte unabhängig von der Modulation unverändert bleiben, und dass die Anordnung es zusätzlich erlaubt, die Laservorrichtung ohne Einschränkung dieser Flexibilität bei unterschiedlichen Pumpleistungen oder Repetitionsraten zu betreiben und durch Wahl der Gesamtauskopplung soweit physikalisch möglich die ursprüngliche Pulsdauer bzw. Pulsenergie konstant zu halten.
Gemäß einer Ausführungsform der Laservorrichtung kann beispielsweise auch durch Bestimmen einer Strahllage oder einer Strahldivergenz des Lasers erreicht werden, indem durch z.B. computerimplementierte Berechnungen oder über eine Hash-Tabelle oder durch Verwendung künstlicher Intelligenz die Pumpleistung oder die Auskopplung des ersten Modulators oder die Auskopplung des zweiten Modulators dergestalt bestimmt und gesteuert werden, dass sich die gewünschte Leistungs- oder Energieverteilung und / oder Pulsdauer in die beiden Kanäle ergibt und dabei eine vorgegebene Strahllage und/oder Strahldivergenz oder eine Toleranz einer Abweichung von einer gewünschten Strahllage und/oder Strahldivergenz möglichst erreicht wird.
2a bis 2e zeigen Laserresonatoren 1 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. Die in den 2a bis 2e gezeigten Laserresonatoren 1 können ähnlich wie die im Zusammenhang mit den 1a bis 1c beschriebenen Laserresonatoren ausgebildet sein. In dem in der 2a gezeigten Laserresonator 1 sind zwei Pockelszellen 10 und ein Polarisator 11 angeordnet. Hierbei bilden die Pockelszelle 10-1 und der Polarisator 11 den ersten Modulator 4, welcher den ersten Ausgangsstrahl 6 auskoppelt. Ferner bilden die Pockelszelle 10-2 und der Polarisator 11 den zweiten Modulator 5, welcher den zweiten Ausgangsstrahl 7 auskoppelt. Durch das Verwenden eines einzigen Polarisators 11 für beide Modulatoren 4, 5 kann die Anzahl der zum Herstellen des Laserresonators 1 benötigten Bauteile reduziert werden. Da die Pockelszellen 10 auf derselben Seite des Lasermediums 3 angeordnet sind, kann zudem der Vorteil erreicht werden, dass eine feste Beziehung der Auskopplungsgrade bewirkt werden kann.
Der in 2b gezeigte Laserresonator 1 weist zwei Pockelszellen 10 und zwei Polarisatoren 11 auf. Hierbei bilden die Pockelszelle 10-1 und der Polarisator 11-1 den ersten Modulator 4 währen die Pockelszelle 10-2 und der Polarisator 11-2 den zweiten Modulator 5 bilden. Die Modulatoren 4, 5 sind auf unterschiedlichen Seiten des Lasermediums 3 angeordnet. Dabei kann zudem der Vorteil erreicht werden, dass ein fester Polarisationszustand im Lasermedium bewirkt werden kann.
Der in der 2c gezeigte Laserresonator 1 weist zwei Pockelszellen 10, zwei Polarisatoren 11 und eine Viertelwellen-Verzögerungsplatte 12 auf. Hierbei bilden die Pockelszelle 10-1 und der Polarisator 11-1 den ersten Modulator 4 währen die Pockelszelle 10-2 und der Polarisator 11-2 den zweiten Modulator 5 bilden. Zudem sind in der 2c die Laufrichtungen 13 der Laserstrahlung mit unterschiedlichen Polarisationen dargestellt. Ferner ist der zweite Modulator 5 beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher der erste Modulator 4 und das Lasermedium 3 angeordnet sind, angeordnet. Des Weiteren erzeugt der erste Modulator 4 bzw. der Polarisator 11-1 einen weiteren Laserstrahl 14, aus welchem der zweite Modulator 5 den zweiten Ausgangsstrahl 7 erzeugt. Durch diese Anordnung wird der Vorteil erreicht, dass das Lasermedium 3 bei jedem Umlauf im Laserresonator 1 viermal durchlaufen wird. Hierdurch kann eine Verstärkung doppelt so hoch wie bei dem in der 2b gezeigten Laserresonator 1 sein. Dadurch können zudem kürzere Laserpulse erzeugt werden.
Der in der 2d gezeigte Laserresonator 1 ist ein unidirektionaler Ringresonator. Die Umlaufrichtung 9 in dem Laserresonator 1 wird hierbei durch einen in dem Laserresonator 1 angeordneten optischen Isolator 15 eingestellt.
Der in der 2e gezeigte Laserresonator 1 unterscheidet sich von dem in der 2d gezeigten Laserresonator 1 dadurch, dass anstelle des optischen Isolators 15 mindestens einer der Spiegel 16 an den Polarisatoren 11 angeordnet sind, um die Umlaufrichtung 9 oder einen unidirektionalen Umlaufsinn zu erzwingen.
3a bis 3f zeigen Laserresonatoren 1 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. Die in den 3a bis 3f gezeigten Laserresonatoren 1 können ähnlich wie die im Zusammenhang mit den 1a bis 1c beschriebenen Laserresonatoren ausgebildet sein. In den in den 3a und 3b gezeigten Laserresonatoren 1 ist der erste Modulator 4 durch einen akustooptischen Modulator 17-1 und einen weiteren Spiegel 16-1 gebildet. Zudem ist der zweite Modulator 5 durch einen akustooptischen Modulator 17-2 und einen weiteren Spiegel 16-2 gebildet. In dem in der 3a gezeigten Laserresonator 1 sind die jeweiligen Modulatoren 4, 5 auf derselben Seite des Lasermediums 3 angeordnet während in dem in der 3b gezeigten Laserresonator 1 die jeweiligen Modulatoren 4, 5 auf unterschiedlichen Seiten des Lasermediums 3 angeordnet sind. Durch weglassen der Spiegel 16-1 oder 16-2 kann eine Vorrichtung realisiert werden, in der vier Ausgangskanäle vorliegen. Dabei sind die beiden durch den ersten Modulator erzeugten zwei Kanäle komplementär zu den durch den zweiten Modulator erzeugten zwei Kanäle. Die beiden Kanäle eines jeden Modulators besitzen dabei jedoch eine unterschiedliche Leistung, je nach Auskoppelgrad des jeweiligen Modulators. Dies kann je nach Anwendung von Vorteil sein.
Der in der 3c gezeigte Laserresonator 1 weist zwei sphärische Spiegel 18 auf, welche den Laserresonator 1 räumlich begrenzen. Zudem sind in dem Laserresonator 1 zwei akustooptische Modulatoren 17 angeordnet. Der Radius des sphärischen Spiegels 18-1 entspricht dem Abstand des sphärischen Spiegels 18-1 zu dem akustooptischen Modulator 17-1 dergestalt, dass der gebeugte Strahl unabhängig vom Beugungswinkel in sich selbst zurück reflektiert wird. Ferner entspricht der Radius des sphärischen Spiegels 18-2 dem Abstand des sphärischen Spiegels 18-2 zu dem akustooptischen Modulator 17-2 dergestalt, dass der gebeugte Strahl unabhängig vom Beugungswinkel in sich selbst zurück reflektiert wird. Des Weiteren bilden der akustooptische Modulator 17-1 und der sphärische Spiegel 18-1 den ersten Modulator 4 während der akustooptische Modulator 17-2 und der sphärische Spiegel 18-2 den zweiten Modulator 5 bilden. Ferner können die sphärischen Spiegel 18 hochreflektierende Spiegel, beispielsweise Spiegel mit einer Reflektivität von mehr als 99%, sein.
Der in der 3d gezeigte Laserresonator 1 unterscheidet sich von dem in der 3b gezeigten Laserresonator 1 dadurch, dass der akustooptische Modulator 17-2 beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher das Lasermedium 3 und der akustooptische Modulator 17-1 angeordnet sind, angeordnet ist.
Der in der 3e gezeigte Laserresonator 1 unterscheidet sich von dem in der 3a gezeigten Laserresonator 1 dadurch, dass der in der 3e gezeigte Laserresonator 1 als ein unidirektionaler Ringresonator mit einem optischen Isolator 15 ausgebildet ist.
Der in der 3f gezeigte Laserresonator 1 unterscheidet sich von dem in der 3d gezeigten Laserresonator 1 dadurch, dass der in der 3f gezeigte Laserresonator 1 als ein unidirektionaler Ringresonator ausgebildet ist. Zudem sind in der 3f Ordnungen 19 der gebeugten Laserstrahlen angezeigt.
Die in den 3d und 3f gezeigten Laserresonatoren 1 weisen den Vorteil auf, dass die von dem akustooptischen Modulator 17-1 gebeugte 1. Ordnung durch den akustooptischen Modulator 17-2 von der -1. Ordnung in die 0. Ordnung erneut gebeugt wird. Dadurch können sich die durch die in den akustooptischen Modulatoren 17-1, 17-2 durchgeführte Beugung verursachten Frequenzverschiebungen gegenseitig aufheben. Dadurch erfährt das in dem Laserresonator 1 umlaufende Licht keine Frequenzverschiebung.
4a und 4b zeigen Laserresonatoren 1 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. Die in den 4a und 4b gezeigten Laserresonatoren 1 können ähnlich wie die im Zusammenhang mit den 1a bis 1c beschriebenen Laserresonatoren ausgebildet sein. In den in den 4a und 4b gezeigten Laserresonatoren 1 ist der erste Modulator 4 durch einen Frustrierte-Totalreflexion-Schalter 20-1 und einen weiteren Spiegel 16-1 gebildet. Zudem ist der zweite Modulator 5 durch einen Frustrierte-Totalreflexion-Schalter 20-2 und einen weiteren Spiegel 16-2 gebildet. Des Weiteren ist der in der 4a gezeigte Laserresonator 1 als ein linearer Resonator ausgebildet während der in der 4b gezeigte Laserresonator 1 als ein unidirektionaler Ringresonator ausgebildet ist. Ferner ergibt sich bei dem in der 4b gezeigten Laserresonator 1 die Umlaufrichtung 9 automatisch durch Selbstinjektion durch die weiteren Spiegel 16.
5 zeigt ein Funktionsprinzip eines Frustrierte-Totalreflexion-Schalters 20. Der Frustrierte-Totalreflexion-Schalter 20 umfasst zwei Körper 21 aus einem optisch dichten Material, die in einem Abstand d voneinander angeordnet sind. Zwischen den Körpern 21 ist ein optisch dünnes Material 22 angeordnet. Ein in den Körper 21-1 einfallender Strahl 23 wird an einer Grenzfläche 24 zwischen dem Körper 21-1 und dem optisch dünnem Material 22 reflektiert. Dabei wird ein reflektierte Strahl 25 gebildet. Ist der Abstand d zwischen den Körpern 21 klein genug, beispielsweise weniger als das Doppelte der Wellenlänge des einfallenden Strahls 23, kann ein Anteil des einfallenden Strahls 23 in den Körper 21-2 transmittieren. Eine derartige Transmission wird auch als optischer Tunneleffekt bezeichnet. Der in den Körper 21-2 transmittierte Anteil des einfallenden Strahls 23 bildet einen optisch getunnelten Stahl 26. Durch Veränderung des Abstands d zwischen den Körpern 21 kann die Leistung des optisch getunnelten Strahls 26 moduliert werden. Wie durch die gestrichelten Pfeile in der 5 angedeutet, kann der optische Tunneleffekt auch in der umgekehrten Richtung erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Laserresonator
2: Spiegel
3: Lasermedium
4: erster Modulator
5: zweiter Modulator
6: erster Ausgangsstrahl
7: zweiter Ausgangsstrahl
8: Laserstrahlung
9: Umlaufrichtung
10: Pockelszelle
11: Polarisator
12: Viertelwellen-Verzögerungsplatte
13: Laufrichtungen
14: weiterer Laserstrahl
15: optischer Isolator
16: weitere Spiegel
17: akustooptischer Modulator
18: sphärischer Spiegel
19: Ordnung
20: Frustrierte-Totalreflexion-Schalter
21: Körper
22: optisch dünnes Material
23: einfallender Strahl
24: Grenzfläche
25: reflektierter Strahl
26: optisch getunnelter Strahl
d: Abstand

Claims

Laservorrichtung, mit: einem Laserresonator (1), welcher ein Lasermedium (3) aufweist; einem ersten Modulator (4), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen ersten Ausgangsstrahl (6) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln; und einem zweiten Modulator (5), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrahl (7) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Modulator (4) und der zweite Modulator (5) steuerbare Modulatoren sind, und wobei die Laservorrichtung ferner eine Steuereinrichtung umfasst, welche ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) und den zweiten Modulator (5) unabhängig voneinander zu steuern.
Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Modulator (1) und/oder der zweite Modulator (2) ein akustooptischer Modulator (17), ein elektrooptischer Modulator (10, 11), ein Frustrierte-Totalreflexion-Schalter (20) oder eine mechanisch bewegte Wellenplatte ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) und den zweiten Modulator (5) derart zu steuern, dass im kontinuierlichen Betrieb ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) und in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) und in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist oder dass eine Pulsdauer des ersten Ausgansstrahls (6) oder des zweiten Ausgangsstrahls (7) konstant ist, oder im kontinuierlichen Betrieb eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) oder in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) oder in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Gesamtauskopplungsgrad der jeweiligen Modulatoren (4, 5) durch T_OC = (1 - (1 - ρ₁)² * (1 - ρ₂)²) bei Doppel-Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator (4) und den zweiten Modulator (5) pro Umlauf, oder T_OC = (1 - (1 - ρ₁) * (1 - ρ₂)) bei Einfach-Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator (1) und den zweiten Modulator (5) pro Umlauf gegeben ist, wobei p₁ der Anteil der bei einem Modulatordurchgang in den ersten Ausgangsstrahl (6) ausgekoppelten Leistung ist, und wobei ρ₂ der Anteil der bei einem Modulatordurchgang in den zweiten Ausgangsstrahl (7) ausgekoppelten Leistung ist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Laservorrichtung ferner eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer effektiven Inversion des Lasermediums (3) aufweist, und wobei die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) oder den zweiten Modulator (5) auf Basis der erfassten effektiven Inversion des Lasermediums (3) zu steuern.
Laservorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, eine Fluoreszenz des Lasermediums (3) zu erfassen und die effektive Inversion des Lasermediums (3) auf Basis der erfassten Fluoreszenz des Lasermediums (3) zu bestimmen.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Laservorrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Laserleistung aufweist, und wobei die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) oder den zweiten Modulator (5) auf Basis der erfassten Laserleistung zu steuern.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Laservorrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Strahllage oder einer Strahldivergenz der Laserstrahlung aufweist, und wobei die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) oder den zweiten Modulator (5) auf Basis der erfassten Laserleistung zu steuern.
Laservorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Laserresonator (3) einen Auskoppelspiegel aufweist, der eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweist, und wobei die Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, die durch den Auskoppelspiegel ausgekoppelte Leistung zu erfassen und somit die Laserleistung oder eine Strahllage oder eine Strahldivergenz der Laserstrahlung auf Basis der erfassten ausgekoppelten Leistung zu bestimmen.
Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Modulatoren (4, 5) derart in dem Laserresonator (3) angeordnet sind, dass die jeweiligen Modulatoren (4, 5) in dem Laserresonator (1) durch in dem Laserresonator (1) umlaufende Laserstrahlung (8) nacheinander ohne Durchquerung des Lasermediums (3) beaufschlagt werden.
Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laserresonator (1) einen Spiegel (2-1) aufweist, und wobei der erste Modulator (4) und der zweite Modulator (5) zwischen dem Lasermedium (3) und dem Spiegel (2-1) angeordnet sind.
Laservorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Spiegel (2-1) eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der zweite Modulator (5) beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher der erste Modulator (4) und das Lasermedium (3) liegen, angeordnet ist, wobei der erste Modulator (4) ferner ausgebildet ist, einen in Richtung des zweiten Modulators (5) gerichteten Laserstrahl (14) zu erzeugen, und wobei der zweite Modulator (5) ferner ausgebildet ist, den zweiten Ausgangsstrahl (7) aus dem von dem ersten Modulator (4) erzeugten Laserstrahl (14) zu erzeugen.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die jeweiligen Modulatoren (4, 5) auf unterschiedlichen Seiten des Lasermediums (3) angeordnet sind.
Laservorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Laserresonator (1) einen ersten Spiegel (2-2) und einen zweiten Spiegel (2-1) aufweist, wobei das Lasermedium (3) zwischen dem ersten Spiegel (2-2) und dem zweiten Spiegel (2-1) angeordnet ist, wobei der erste Modulator (4) zwischen dem Lasermedium (3) und dem ersten Spiegel (2-2) angeordnet ist, und wobei der zweite Modulator (5) zwischen dem Lasermedium (3) und dem zweiten Spiegel (2-1) angeordnet ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 16, wobei die jeweiligen Spiegel (2), das Lasermedium (3) und die jeweiligen Modulatoren (4, 5) auf einer gemeinsamen Geraden liegen.
Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laserresonator (1) ein linearer Resonator oder ein Ringresonator ist.
Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der jeweiligen Modulatoren (4, 5) derart ausgebildet ist, dass die bei umgekehrtem Umlaufsinn in die dem als Auskoppelkanal definierten Ausgansstrahl entgegengesetzte Richtung ausgekoppelte Strahlung in sich zurückreflektiert wird.
Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laserresonator (1) derart ausgebildet ist, dass in einem Resonatorumlauf das Lasermedium (3) viermal durchlaufen wird.
Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung, wobei die Laservorrichtung einen Laserresonator (1), welcher ein Lasermedium (3) aufweist, einen ersten steuerbaren Modulator (4), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen ersten Ausgangsstrahl (6) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln, und einen zweiten steuerbaren Modulator (5), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrahl (7) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln, umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Steuern des ersten steuerbaren Modulators (4) und des zweiten steuerbaren Modulators (5) derart, • dass im kontinuierlichen Betrieb ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) und in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) und in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist oder dass eine Pulsdauer des ersten Ausgansstrahls (6) oder des zweiten Ausgangsstrahls (7) konstant ist, oder • dass im kontinuierlichen Betrieb eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) oder in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) oder in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend: Erfassen einer effektiven Inversion des Lasermediums (3) oder einer Fluoreszenz oder einer Laserstrahlung oder einer Laserleistung oder einer Strahllage oder Strahldivergenz; und Steuern des ersten steuerbaren Modulators (4) oder des zweiten steuerbaren Modulators (5) auf Basis der erfassten effektiven Inversion des Lasermediums (3) oder der Fluoreszenz oder der Laserstrahlung oder der Laserleistung oder der Strahllage oder der Strahldivergenz.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Verfahren mit einer Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgeführt wird.