DE102022104527A1 - Verfahren zum Optimieren der Strahlgüte - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren der Strahlgüte, bevorzugt der Beugungsmaßzahl M2, eines Ausgangslaserstrahls (12) eines Lasersystems (1000) mit Multipass-Verstärker (4), umfassend eine Spiegelanordnung (40) mit einem aktiven Medium (46) und einem optischen Sensor (44), wobei das aktive Medium (46) mit einem Pumplaserstrahl (30) in einem Pumpfleck (300) beaufschlagt wird, wobei bevorzugt das aktive Medium (46) scheibenförmig ist, wobei ein Seedlaserstrahl (10) in die Spiegelanordnung (40) mit dem aktiven Medium (46) eingekoppelt wird, wobei das aktive Medium (46) mit dem Seedlaserstrahl (10) in einem Summenspot (100) beaufschlagt wird, wobei der Pumpfleck (300) und der Summenspot (100) mindestens teilweise in einem Überlapp überlappen und der Seedlaserstrahl (10) durch Wechselwirkung mit dem aktiven Medium (46) in dem Überlapp aus Summenspot (100) und Pumpfleck (300) verstärkt wird, wobei der verstärkte Seedlaserstrahl (10) aus dem Spiegelanordnung (40) ausgekoppelt wird und so der Ausgangslaserstrahl (12) bereitstellt wird, wobei der Pumpfleck (300) des aktiven Mediums (46) abhängig vom Überlapp Fluoreszenzlicht (42) durch spontane Emission abgibt, wobei der optische Sensor (44), bevorzugt ein Fluoreszenzlichtsensor, das Fluoreszenzlicht (42) des Pumpflecks (300) als Ist-Fluoreszenzwert erfasst, wobei der Überlapp mittels des Ist-Fluoreszenzwerts eingestellt wird, wobei eine Differenz zwischen dem Ist-Fluoreszenzwert und einem Soll-Fluoreszenzwert minimiert wird, wodurch eine optimierte Strahlgüte des Ausgangslaserstrahls (12) erreicht wird.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Optimieren der Strahlgüte, bevorzugt der Beugungsmaßzahl M², eines Laserstrahls eines Lasersystems mit Multipass-Verstärker.
• Stand der Technik
• In modernen Hochleistungslasern, insbesondere in Scheibenlasern mit sogenannten Multipass-Verstärkern, wird die Laserstrahlung eines Seedlaserstrahls durch Wechselwirkung mit einem durch einen Pumplaserstrahl gepumpten aktiven Medium verstärkt. Die Strahlgüte des verstärkten Laserstrahls hängt hierbei besonders stark davon ab, wie und wo der Seedlaserstrahl mit dem gepumpten Bereich des aktiven Mediums überlappt. Die Auftrefforte des Seedlaserstrahls auf dem aktiven Medium werden hierbei als Summenspot und die Auftrefforte des Pumplaserstrahls als Pumpfleck bezeichnet. Während des Aufwärmprozesses und während des Betriebs eines Hochleistungslasers entstehen im aktiven Medium durch die Pump- und Seedlaserstrahlen und daraus folgende thermische Effekte optische Aberrationen, die die Strahlgüte des Ausgangslaserstrahls verringern. Daher muss die Strahlgüte im laufenden Betrieb stabilisiert und optimiert werden.
• Bisher wurde die Strahlgüte des Laserstrahls in Form der Beugungsmaßzahl M² bestimmt. Die Messung von M² sind jedoch sehr langsam und eignet sich daher nicht gut zur Optimierung der Strahlgüte des Laserstrahls im laufenden Betrieb.
• In CZ307523 und Boge et. al. „Robust method for long-term energy and pointing stabilization of high energy, high average power solid state lasers", Review of Scientific Instruments 89, 023113 (2018) wird vorgeschlagen die Überlappung von Pumpfleck und Summenspot auf dem aktiven Medium mit einer Kamera zu messen, so dass der optimale Überlapp eingestellt werden kann. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nur, wenn Pumpfleck und Summenspot radialsymmetrisch sind. Zudem ist der Einsatz einer ortsaufgelösten Kamera und Auswertelektronik und die stete Beurteilung eines Kamerabildes kosten- und rechenintensiv.
• Darstellung der Erfindung
• Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Optimieren der Strahlgüte bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Optimieren der Strahlgüte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
• Entsprechend wird ein Verfahren zum Optimieren der Strahlgüte, bevorzugt der Beugungsmaßzahl M², eines Ausgangslaserstrahls eines Lasersystems mit Multipass-Verstärker, umfassend eine Spiegelanordnung mit einem aktiven Medium und einem optischen Sensor, vorgeschlagen, wobei das aktive Medium mit einem Pumplaserstrahl in einem Pumpfleck beaufschlagt wird, wobei bevorzugt das aktive Medium scheibenförmig ist, wobei ein Seedlaserstrahl in die Spiegelanordnung mit dem aktiven Medium eingekoppelt wird, wobei das aktive Medium mit dem Seedlaserstrahl in einem Summenspot beaufschlagt wird, wobei der Pumpfleck und der Summenspot mindestens teilweise in einem Überlapp überlappen und der Seedlaserstrahl durch Wechselwirkung mit dem aktiven Medium in dem Überlapp aus Summenspot und Pumpfleck verstärkt wird, wobei der verstärkte Seedlaserstrahl aus der Spiegelanordnung ausgekoppelt wird und so der Ausgangslaserstrahl bereitstellt wird, wobei der Pumpfleck des aktiven Mediums abhängig vom Überlapp Fluoreszenzlicht durch spontane Emission abgibt, wobei der optische Sensor, bevorzugt ein Fluoreszenzlichtsensor, das Fluoreszenzlicht des Pumpflecks als Ist-Fluoreszenzwert erfasst. Erfindungsgemäß wird der Überlapp mittels des Ist-Fluoreszenzwerts eingestellt, wobei eine Differenz zwischen dem Ist-Fluoreszenzwert und einem Soll-Fluoreszenzwert minimiert wird, wodurch eine optimierte Strahlgüte des Ausgangslaserstrahls erreicht wird.
• Ein Multipass-Verstärker kann hierbei verstanden werden als eine Vorrichtung, die eine Spiegelanordnung und ein scheibenförmiges aktives Medium umfasst. Insbesondere wird mit dem Multipass-Verstärker der Seedlaserstrahl eines Seedlasers durch Wechselwirkung mit einem gepumpten scheibenförmigen aktiven Medium verstärkt.
• Hierfür wird durch einen sogenannten Pumplaser über eine Pumpoptik ein Bereich in dem aktiven Medium mit dem Pumplaserstrahl angeregt. In dem Bereich, dem Pumpfleck, in dem der Pumplaserstrahl mit dem aktiven Medium wechselwirkt, insbesondere in dem das aktive Medium mit dem Pumplaserstrahl beaufschlagt wird, wird durch die Energiezufuhr des Pumplaserstrahls Energie im aktive Medium gespeichert. Der dadurch angeregte Zustand des aktiven Mediums zerfällt nach einer gewissen Lebensdauer über spontane Emission wieder in den Grundzustand, wobei Fluoreszenzlicht abgegeben wird.
• Es ist jedoch auch möglich, dass das Fluoreszenzlicht durch eine Restverschmutzung im aktiven Medium und/oder andere parasitäre Effekte getrieben wird. Gleichzeitig ist es möglich, dass der Pumplaserstrahl durch Second-Harmonic-Generation im aktiven Medium teilweise frequenzverdoppelt wird, so dass das Fluoreszenzlicht, hier dann in Form von sogenanntem „Up-Conversion Light“, die doppelte Frequenz des Pumplaserstrahls aufweist. Ebenso ist es möglich, dass auch höhere Harmonische als die zweite Harmonische im aktiven Medium erzeugt werden und das Fluoreszenzlicht beispielsweise die drei- oder vierfache-Frequenz des Pumplaserstrahls aufweist. Das Fluoreszenzlicht kann hierbei insbesondere eine Überlagerung aus all den vorgenannten Effekten sein.
• Vorliegend kann entsprechend das sich aus den unterschiedlichen Komponenten zusammengesetzte Fluoreszenzlicht zur Einstellung des Überlapps verwendet werden, oder einzelne Komponenten des Fluoreszenzlichts herausgegriffen werden, um den Überlapp einzustellen. Das Herausgreifen einzelner Komponenten des Fluoreszenzlichts kann beispielsweise durch Filterung oder über ein Gitter erreicht werden.
• Die in dem aktiven Medium gespeicherte Energie kann durch Einstrahlung eines Seedlaserstrahls mit geeigneter Wellenlänge zur Verstärkung des Seedlaserstrahls aus dem aktiven Medium ausgekoppelt werden.
• Der Seedlaserstrahl wird hierfür in die Spiegelanordnung des Multipass-Verstärkers eingekoppelt. Die Spiegelanordnung umfasst hierbei mindestens einen Spiegel oder mindestens ein Spiegelsegment sowie das aktive Medium. Die Spiegelanordnung führt hierbei den Seedlaserstrahl wiederholt durch das aktive Medium. Das aktive Medium ist hierbei typischerweise mit einer hochreflektierenden Schicht beschichtet und dient daher als Resonatorspiegel.
• Das aktive Medium ist hierbei scheibenförmig, wobei ein scheibenförmiges aktives Medium all diejenigen Formen umfasst, bei welchen die lateralen Dimensionen deutlich größer sind als deren Dicke. Ein scheibenförmiges aktives Medium umfasst aber auch eine und/oder mehrere transmissive Scheiben, die beiderseits mit einer antireflektiven Beschichtungen beschichtet sein können. Das aktive Medium muss auch keine Scheibenform aufweisen, sondern kann auch andere Geometrien aufweisen.
• Eine Scheibenform des aktiven Mediums ermöglicht insbesondere eine effizientere Kühlung des aktiven Mediums, da die Wärme auf mindesten einer Seite der reflektierenden Schicht über dessen verhältnismäßig große laterale Ausdehnung abgeführt werden kann. Zusätzlich zu dieser effizienten Kühlung, ermöglicht die spezielle Form des aktiven Mediums eines Scheibenlasers eine Wärmeabfuhr mit einem Temperaturgradienten, der fast ausschließlich senkrecht zur lateralen Ausdehnung vorliegt. Dies führt zu einer Verringerung der im Betrieb entstehenden thermischen Effekte auf der Scheibe, welche sich negativ auf die Strahlqualität auswirken. Es kann jedoch auch sein, dass die Spiegelanordnung als Resonator ausgeführt ist, der zwei Spiegelelemente umfasst, wobei das aktive Medium zwischen den Spiegelelementen angeordnet ist.
• Indem der Summenspot und der Pumpfleck mindestens teilweise überlappen, kann aus dem Pumpfleck die in dem aktiven Medium gespeicherte Energie ausgekoppelt werden. Dementsprechend wird der Seedlaserstrahl durch die Wechselwirkung mit dem aktiven Medium in dem Pumpfleck verstärkt. Ein teilweises Überlappen liegt beispielsweise bereits dann vor, wenn der Pumpfleck und der Summenspot eine geometrische Schnittmenge aufweisen.
• Indem der Seedlaserstrahl mehrfach durch das aktive Medium geführt wird, wird der Seedlaserstrahl bei jedem Durchgang weiter verstärkt. Die Verstärkung des Seedlaserstrahls hängt somit auch von der räumlichen Überlappung von Summenspot und Pumpfleck ab.
• Nach der Verstärkung des Seedlaserstrahls wird dieser als Ausgangslaserstrahl aus dem Spiegelanordnung ausgekoppelt.
• Indem der Seedlaserstrahl lokal Energie aus dem aktiven Medium extrahiert, steht diese stark verringert für Fluoreszenzlicht oder spontane Emission zur Verfügung. Dementsprechend wird auch die Stärke der spontanen Emission des Pumpflecks des aktiven Mediums durch den Überlapp beeinflusst. Im Unterschied zur stimulierten Emission ist die spontane Emission und das Fluoreszenzlicht ungerichtet, so dass ein optischer Sensor zur Überwachung der Fluoreszenz außerhalb des Strahlengangs der Spiegelanordnung angeordnet sein kann. Der optische Sensor benötigt hierbei lediglich ein freies Sichtfeld auf das aktive Medium, so dass das Fluoreszenzlicht den optischen Sensor überhaupt erreichen kann.
• Der optische Sensor kann hierbei ein Fluoreszenzlichtsensor sein, wobei der Fluoreszenzlichtsensor beispielsweise eine besonders hohe Empfindlichkeit für die Wellenlänge des Fluoreszenzlichts aufweist. Der optische Sensor und/oder der Fluoreszenzlichtsensor kann beispielsweise eine Photodiode sein, mit der die Stärke des Fluoreszenzlichts als eine elektrische Spannung oder Strom misst. Der entsprechende Messwert des Fluoreszenzlichts ist der sogenannte Ist-Fluoreszenzwert. Beispielsweise kann das Fluoreszenzlicht dem optischen Sensor über eine Abbildungsvorrichtung zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, dass das Fluoreszenzlicht direkt auf den optischen Sensor trifft. Des Weiteren ist es möglich, dass der Fluoreszenzlichtsensor eine Kamera ist oder einen Kamerasensor, beispielsweise einen CMOS- oder CCD-Sensor umfasst.
• Der Ausgangslaserstrahl weist eine gewisse Strahlgüte auf. Die Strahlgüte beschreibt hierbei, wie gut ein Laserstrahl fokussierbar ist und wie schnell er sich bei der Ausbreitung relativ zu seinem Durchmesser aufweitet. Mit anderen Worten beschreibt die Strahlgüte, wie sehr der Ausgangslaserstrahl einem idealen Gauß'schen Laserstrahl entspricht, dessen Intensitätsquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer Gauß'schen Glockenkurve entspricht, die sogenannte TEM00-Mode.
• Ein Maß für die Strahlgüte ist durch die Beugungsmaßzahl M² gegeben, die gemäß ISO-Norm 11146 definiert ist als M² = πw₀θ/λ, wobei w₀ die Strahltaille, θ der Divergenzwinkel des Ausgangslaserstrahls und λ die Wellenlänge des Ausgangslaserstrahls ist. Wenn der Ausgangslaserstrahl ein idealer Gauß'scher Laserstrahl ist, dann ist M²=1. Für reale Laserstrahlen ist die Beugungsmaßzahl M²>1, so dass unter einer Optimierung der Strahlgüte beziehungsweise der Beugungsmaßzahl eine Annäherung von M² nach 1 verstanden werden kann.
• Die Strahlgüte kann durch den räumlichen Überlapp von Summenspot und Pumpfleck beeinflusst werden, da thermische Effekte in dem aktiven Medium Einfluss auf die Phasenfront des Laserstrahls haben. Gleichzeitig hat der räumliche Überlapp von Summenspot und Pumpfleck einen Einfluss auf die spontane Emission und die Stärke des Fluoreszenzlichts, wie oben beschrieben. Dementsprechend kann die Stärke des Fluoreszenzlichts, der Ist-Fluoreszenzwert, als Maß für die Energieextraktion aus dem Pumpfleck angesehen werden. Dadurch verringern sich die thermischen Effekte in dem aktiven Medium, wodurch sich eine bessere Strahlqualität ergibt. Folglich kann der Ist-Fluoreszenzwert als Maß für die Strahlgüte, bevorzugt für die Beugungsmaßzahl M², herangezogen werden.
• Eine optimierte Strahlgüte kann über einen vorher festgelegten Soll-Fluoreszenzwert erreicht werden, so dass die Optimierung der Strahlgüte darin besteht, die Differenz zwischen dem Ist-Fluoreszenzwert und dem Soll-Fluoreszenzwert zu minimieren. Beispielsweise kann als ein besonders stabiles Maß der Betrag der Differenzen herangezogen werden, oder der euklidische Abstand oder eine andere Abstandsmetrik.
• Vorteilhaft ist hierbei der Einsatz des optischen Sensors, der bislang in einem solchen Hochleistungslaser nur dazu diente, den Multipass-Verstärker vor Beschädigungen zu schützen, beziehungsweise eine Notabschaltung des Pumplasers herbeizuführen, wenn der Seedlaser ausfällt. Der optische Sensor kann nun jedoch zur schnellen Bestimmung des Ist-Fluoreszenzwerts verwendet werden, wodurch eine schnelle Optimierung der Justage und damit der Strahlgüte erreicht werden kann, insbesondere auch im laufenden Laserbetrieb.
• Der Soll-Fluoreszenzwert kann während der Laserproduktion festgelegt werden und mit der vorgegebenen Strahlgüte verknüpft sein. Beispielsweise kann während der Laserproduktion eine Messung der tatsächlichen Strahlgüte in Verbindung mit dem Ist-Fluoreszenzwert vorgenommen werden. Dadurch kann die Strahlgüte mit dem Ist-Fluoreszenzwert verknüpft werden. Eine Optimierung der Strahlgüte hin zu der optimierten Strahlgüte kann demnach durch die Ist-Fluoreszenzwerte abgebildet werden. Der Ist-Fluoreszenzwert bei optimierter Strahlgüte in der Produktion ist dann der Soll-Fluoreszenzwert für den laufenden Laserbetrieb, zu dem die Differenz der Ist-Fluoreszenzwerte minimiert werden soll.
• Der Soll-Fluoreszenzwert kann auch 0 sein, um steuerungstechnisch anzugeben, dass der Soll-Fluoreszenzwert möglichst klein werden soll. Beispielsweise kann, wenn die gesamte gespeicherte Energie aus dem aktiven Medium durch den Seedlaserstrahl ausgekoppelt wird, angenommen werden, dass die spontane Emission versiegt, so dass kein ungerichtetes Fluoreszenzlicht entsteht.
• Unter der Annahme, dass in einem realen Lasersystem die spontane Emission nie vollständig versiegt, genügt es jedoch, wenn der Ist-Fluoreszenzwert nur möglichst klein ist. Der Soll-Fluoreszenzwert kann demnach ein lokales oder globales Ist-Fluoreszenzminimum sein. Beispielsweise kann hierfür der Ist-Fluoreszenzwert stetig minimiert werden. Ein lokales Minimum des Ist-Fluoreszenzwerts kann hierbei bereits mit einer stabilen und optimierten Strahlgüte verknüpft sein, obwohl der Ist-Fluoreszenzwert global noch weiter minimiert werden könnte. Beispielsweise kann es mehrere gleich optimale lokale Minima geben. Idealerweise kann jedoch durch eine entsprechende Optimierungsroutine immer dasselbe lokale Minimum erreicht werden.
• Wie oben beschrieben kann der Ist-Fluoreszenzwert durch das Einstellen des Überlapps des Summenspots und des Pumpflecks eingestellt werden, wobei dies wie oben beschrieben dazu führt, dass die Extraktion der gespeicherten Energie besonders effektiv verläuft.
• Der Ist-Fluoreszenzwert kann durch Einstellen des Strahlengangs der Spiegelanordnung, bevorzugt mit einer Piezoansteuerung, eingestellt werden. Durch die Spiegelanordnung kann der Strahlengang besonders genau eingestellt werden. Beispielsweise kann die Spiegelanordnung mindestens ein Spiegelsegment, insbesondere einen Monolithen, umfassen. Beispielsweise kann die Spiegelanordnung auch zwei Spiegelsegmente aufweisen, wobei jedes Spiegelsegment einzeln und unabhängig eingestellt werden kann, um einen möglichst idealen Strahlengang für den Seedlaserstrahl zu erzeugen.
• Der Ist-Fluoreszenzwert kann durch Einstellen des Strahlengangs vor der Spiegelanordnung mit mindestens einer Umlenkoptik, eingestellt werden. Der Strahlengang vor der Spiegelanordnung ist hierbei gegeben durch die Strahllage und Strahlrichtung des Seedlaserstrahls bevor der Seedlaserstrahl in die Spiegelanordnung eingekoppelt wird. Eine Umlenkoptik ist hierbei ein optisches Element, welches die Strahllage des Seedlaserstrahls ändern kann. Die Umlenkoptik kann beispielsweise ein Strahlteiler sein und/oder ein Umlenkspiegel sein und/oder eine Versatzvorrichtung sein, welche einen Parallelversatz des Laserstrahls erzeugt. Beispielsweise kann durch einen ersten Spiegel ein Winkelversatz erzeugt werden und zusammen mit einem zweiten Spiegel ein Parallelversatz erzeugt werden. Beispielsweise können der erste Spiegel und der zweite Spiegel zusammen die Umlenkoptik bilden.
• Durch das Einstellen des Strahlengangs vor der Spiegelanordnung kann besonders eine grobe Justage des Ist-Fluoreszenzwerts vorgenommen werden, welche die Feinjustage durch die Spiegelanordnung ideal ergänzt.
• Die Spiegelanordnung und/oder die Umlenkoptik können durch eine Schrittmotoransteuerung und/oder eine Piezoansteuerung eingestellt werden. Die Piezoansteuerung hat den Vorteil, dass eine stufenlose Verstellung der Spiegelanordnung möglich ist. Jedes optische Element der Spiegelanordnung und/oder der Umlenkoptik kann eine eigene Piezoansteuerung aufweisen. Insbesondere kann ein monolithischer Spiegel der Spiegelanordnung eine eigene Piezoansteuerung aufweisen. Wenn die Spiegelanordnung und/oder die Umlenkoptik mehrere optische Elemente umfassen, dann kann ebenfalls jedes optische Element eine eigene Piezoansteuerung aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die optischen Elemente über eine Schrittmotoransteuerung verfügen, so dass eine grobe und schnelle Optimierung der Strahlgüte erfolgen kann.
• Beim Einstellen des Ist-Fluoreszenzwerts kann der Summenspot über den Pumpfleck zentriert werden und/oder der Summenspot über dem Pumpfleck verteilt werden, insbesondere homogenisiert werden, und/oder der Durchmesser des Summenspots angepasst, insbesondere vergrößert werden, wodurch bevorzugt die Phasenkrümmung des Ausgangslaserstrahls reduziert wird.
• Durch das Zentrieren von Summenspot und Pumpfleck wird die Grundvoraussetzung für optimierte Strahlgüte geschaffen.
• Durch das Verteilen, insbesondere das Homogenisieren des Summenspots über den Pumpfleck wird erreicht, dass die Wechselwirkung des Summenspots mit dem Pumpfleck nicht stark lokalisiert ist, sondern die Extraktion der gespeicherten Energie gleichmäßig erfolgt. Dies bewirkt beispielsweise, dass das aktive Medium in dem Pumpfleck gleichmäßig thermisch belastet wird. Durch eine gleichmäßige thermische Belastung weist das aktive Medium in dem Pumpfleck homogene optische Eigenschaften auf. Dies führt dazu, dass der Seedlaserstrahl beim Durchgang durch das aktive Medium keine bis wenig ortsabhängige Phase aufsammelt, sondern in seiner Phasenkrümmung, beziehungsweise der Krümmung der Phasenfront, nicht oder kaum beeinflusst wird. Dadurch weist der Ausgangslaserstrahl eine höhere Strahlgüte auf.
• Durch das Anpassen und insbesondere Vergrößern des Summenspots kann der Überlapp maximiert werden, so dass eine gleichförmige Extraktion der gespeicherten Energie aus dem aktiven Medium erfolgen kann.
• Der Ist-Fluoreszenzwert kann durch Einstellen der Auftrefforte des Seedlaserstrahls auf dem aktiven Medium sequenziell eingestellt werden, wobei insbesondere die Auftrefforte entlang zweier orthogonaler Raumachsen eingestellt werden.
• Ein sequenzielles Einstellen bedeutet, dass lediglich ein Parameter zur selben Zeit eingestellt wird.
• Wie oben beschrieben, können die Auftrefforte des Seedlaserstrahls beispielsweise durch die Ausrichtung des Strahlengangs vor der Spiegelanordnung und/oder durch Einstellen der Spiegelanordnung beziehungsweise der Spiegelsegmente eingestellt werden. Beispielsweise wird beim sequenziellen Einstellen zunächst ein erstes optisches Element eingestellt und danach ein weiteres optisches Element eingestellt. Das Einstellen kann insbesondere auch das Messen und Auslesen des optischen Sensors zur Beurteilung der Einstellung umfassen.
• Beispielsweise kann durch Einstellen des Strahlengangs vor der Spiegelanordnung der Mittelpunkt und/oder der Schwerpunkt des Summenspots festgelegt werden. Beispielsweise kann durch das Einstellen der Spiegelanordnung die Homogenität und/oder der Durchmesser des Summenspots eingestellt werden.
• Es ist aber auch möglich, dass die einzelnen Auftrefforte des Seedlaserstrahls auf dem aktiven Medium sequenziell eingestellt werden.
• Beispielsweise kann bei einem Spiegel mit einer Vielzahl von Spiegelsegmenten zunächst die Position des ersten Auftrefforts mit dem ersten Spiegelsegment eingestellt werden. Beispielsweise kann die Einstellung in x-Richtung auf dem aktiven Medium vorgenommen werden. Beispielsweise kann anschließend die Position des zweiten Auftrefforts mit dem zweiten Spiegelsegment in x-Richtung eingestellt werden, und so weiter. Beispielsweise können anschließend die Auftrefforte in y-Richtung eingestellt werden. Die verschiedenen Parameter sind hierbei die x-Verkippung des ersten Spiegelsegments, die y-Verkippung des ersten Spiegelsegments, die x-Verkippung des zweiten Spiegelsegments und so weiter.
• Es ist aber auch möglich, dass zunächst die Position des ersten Auftrefforts in x- und danach in y-Richtung eingestellt wird und danach die Position des zweiten Auftrefforts mit dem zweiten Spiegelsegment in x- und danach in y-Richtung eingestellt wird.
• Beispielsweise können bei einem monolithischen Spiegel die Auftrefforte in x- und danach in -y-Richtung eingestellt werden. Beispielsweise kann nach dem Einstellen der Position der Auftrefforte durch die Spiegelanordnung ein erneutes Einstellen der Strahllage vor der Spiegelanordnung durchgeführt werden.
• Dadurch kann die Stärke des Fluoreszenzlichts fein eingestellt werden und zu jeder Veränderung des jeweiligen Auftrefforts kann die Auswirkung auf das Fluoreszenzsignal gemessen werden.
• Der Ist-Fluoreszenzwert kann mittels einer Steuereinheit eingestellt werden. Hierzu kann die Steuereinheit den Ist-Fluoreszenzwert des optischen Sensors empfangen, den Ist-Fluoreszenzwert mit dem Soll-Fluoreszenzwert vergleichen und einen entsprechenden Steuerbefehl bestimmen und ausgeben. Die Schrittmotoransteuerung und/oder die Piezoansteuerung der Spiegelanordnung und/oder der Umlenkoptik können den Steuerbefehl empfangen und so den Ist-Fluoreszenzwert auf Basis des Steuerbefehls einstellen.
• Eine Steuereinheit kann beispielsweise ein FPGA und/oder ein Rechnersystem sein. Ein Rechnersystem erzeugt hierbei aus Eingangsvariablen durch entsprechende Rechenoperationen Ausgangsvariablen.
• Das Einstellen des Ist-Fluoreszenzwerts kann in einer Regelschleife mit einer Frequenz von mehr als 1Hz, bevorzugt mit mehr als 10Hz durchgeführt wird.
• Dadurch ist es möglich, die Strahlgüte regelmäßig zu kontrollieren. Es ist insbesondere möglich die Strahlgüte auf einer deutlich kleineren Zeitskala zu kontrollieren und einzustellen, im Vergleich zu einer Messung von M². Dadurch kann insgesamt eine stabile und optimierte Strahlgüte im laufenden Laserbetrieb erreicht werden.
• Beispielsweise kann eine Frequenz der Regelschleife von 1Hz bedeuten, dass der Ist-Fluoreszenzwert einmal in der Sekunde eingestellt wird. Beispielsweise kann die Einstellung jedoch lediglich ein optisches Element von Spiegelanordnung und Umlenkoptik betreffen, so dass die Einstellung eines optischen Elements eine Sekunde dauert. Es ist jedoch auch möglich, dass bei einer Frequenz der Regelschleife von 1Hz bedeutet, dass alle optischen Elemente in einer Sekunde eingestellt werden.
• Durch einen optischen Filter des optischen Sensors kann die Optimierung der Strahlgüte für bestimmte Fluoreszenzellenlängen oder bestimmte Wellenlängenbereiche durchgeführt werden.
• Typischerweise unterscheidet ein optischer Sensor nicht nach unterschiedlichen Wellenlängen, so dass stets das über integrierte Gesamtsignal durch den optischen Sensor ausgewertet wird. Eine Differenzierung nach Wellenlängen ist so schwer möglich.
• Durch die Wahl eines optischen Filters kann die Wellenlänge des Laserstrahls herausgefiltert werden, für die das Optimieren der Strahlgüte besonders sinnvoll erscheint. Der optische Sensor kann hierzu eine Vielzahl von optischen Filtern aufweisen, die beispielsweise vor den optischen Sensor mit einem Filterrad angebracht werden können. Ebenso ist es möglich, dass der optische Sensor verschiedene Bereiche aufweist, wobei vor jedem dieser Bereiche ein Filter angeordnet ist und jeder Bereich einzeln ausgelesen werden kann. Beispielsweise kann ein Filter das frequenzverdoppelte Pumplicht blocken, während ein weiterer Filter lediglich das frequenzverdoppelte Pumplicht transmittiert.
• Ebenso ist es möglich, dass eine Vielzahl von optischen Sensoren eingesetzt werden, wobei jeder optische Sensor für eine andere Wellenlänge oder einen anderen Wellenlängenbereich empfindlich ist. Dadurch kann die Strahlqualität für mehrere Wellenlängen gleichzeitig ausgewertet und optimiert werden.
• Figurenliste
• Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Lasersystems mit Multipass-Verstärker
• 2A, B, C schematische Darstellungen des Strahlengangs in der Spiegelanordnung;
• 3A, B eine schematische Darstellung des Überlapps von Pumpfleck und Summenspot vor und nach der Optimierung der Strahlgüte.
• Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
• Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
• In 1 ist schematisch ein Aufbau eines Lasersystems 1000 gezeigt, anhand dessen das Verfahren zur Optimierung der Strahlgüte gezeigt werden soll.
• Das Lasersystem 1000 umfasst einen Seedlaser 1 welcher einen Seedlaserstrahl 10 zur Verfügung stellt. Der Seedlaserstrahl 10 wird über verschiedene optische Elemente 2 in den Multipass-Verstärker 4 eingekoppelt. Zunächst wird der Seedlaserstrahl 10 hierfür durch einen Polarisator 20 mindestens teilweise transmittiert und über zwei Umlenkspiegel 22 in die Spiegelanordnung 40 des Multipass-Verstärkers 4 eingekoppelt. Die Spiegelanordnung 40 umfasst hierbei eine Spiegeloptik 404, sowie die Rückseite 460 des aktiven Mediums 46, welche mit einer hochreflektiven Beschichtung beschichtet ist. Durch die Spiegelanordnung 40 wird der Seedlaserstrahl 10 schließlich auf einen Strahlengang 400 gelenkt, durch den ein mehrfacher Durchgang des Seedlaserstrahls 10 durch das scheibenförmige aktive Medium 46 realisiert wird.
• Das scheibenförmige aktive Medium 46 wird durch einen Pumplaserstrahl 30 eines Pumplasers 3 gepumpt, so dass das aktive Medium 46 im Bereich des Pumpflecks 300 (nicht gezeigt) in einem angeregten elektronischen Zustand vorliegt. Hierfür wird der Pumplaserstrahl 30 über beispielsweise einen achteckigen Lichtmischer 34 und eine Kollimationslinse 36 in die Pumpoptik 32 eingekoppelt. Die Pumpoptik 32 umfasst hierbei insbesondere einen Parabolspiegel 38 der den Pumplaserstrahl 30 auf das aktive Medium 46 lenkt, so dass die Energie des Pumplaserstrahls 30 in dem aktiven Medium 46 gespeichert wird. Der Pumplaserstrahl 30 erzeugt durch die Abbildung mit der Pumpoptik 32 den Pumpfleck 300 auf und in dem aktiven Medium 46. Natürlich sind hierbei auch andere Aufbauten zum Pumpen des aktiven Mediums denkbar.
• Der Seedlaserstrahl 10 durchläuft den Multipass-Verstärker 4 mindestens einmal, wobei die Auftrefforte des Seedlaserstrahls 10 auf dem aktiven Medium den sogenannten Summenspot 100 erzeugen. Falls der Summenspot 100 und der Pumpfleck 300 mindestens teilweise räumlich überlappen, so kann die im Pumpfleck 300 gespeicherte Energie des Pumplaserstrahls 30 bei einer geeigneten Wellenlänge des Seedlaserstrahls 10 durch stimulierte Emission ausgekoppelt werden, wobei der Seedlaserstrahl 10 verstärkt wird. Typischerweise kann nicht die gesamte gespeicherte Energie aus dem aktiven Medium 46 ausgekoppelt werden, so dass die für die Energiespeicherung angeregten Zwischenzustände des aktiven Mediums 46 auch durch spontane Emission oder andere parasitäre Effekte zerfallen können, wobei Fluoreszenzlicht 42 abgegeben wird. Das Fluoreszenzlicht 42 wird hierbei nicht gerichtet abgegeben, sondern in eine Vielzahl von Raumrichtungen. Es genügt daher den optischen Sensor 44 an einer Stelle anzuordnen, die eine freie Sicht auf das aktive Medium 46 bietet.
• Dieses Fluoreszenzlicht 42 wird durch einen optischen Sensor 44, insbesondere einen Fluoreszenzlichtsensor detektiert und kann zur Optimierung der Strahlgüte des Laserstrahls 12 verwendet werden.
• Nach mehrfachem Durchlaufen des Seedlaserstrahls 10 des aktiven Mediums 46 wird der Seedlaserstrahl 10 aus dem Spiegelanordnung 40 ausgekoppelt und wird über die Umlenkspiegel 22 zurück zu dem Polarisator 20 geführt, wo der Polarisator 20 den verstärkten Seedlaserstrahl 10 ablenkt und somit den Ausgangslaserstrahl 12 bereitstellt. Es ist jedoch auch möglich, dass der Seedlaserstrahl 10 für die Einkopplung und Auskopplung auf zwei unterschiedlichen Strahlengängen geführt wird, so dass kein Polarisator 20 verwendet werden muss.
• Der Ausgangslaserstrahl 12 weist hierbei durch die Wechselwirkung des Seedlaserstrahls 10 dem aktiven Medium 46 in dem Multipass-Verstärker 4 eine spezifische Strahlgüte auf. Diese Strahlgüte kann sich im Laufe der Betriebszeit ändern, da beispielsweise das aktive Medium 46 durch dem Pumplaserstrahl 30 lokal erhitzt wird, so dass thermische Verspannungen des aktiven Mediums 46 zu einer Phasenkrümmung der Phasenfront des Seedlaserstrahls 10 führen. Insbesondere können sich auch mit unterschiedlichen Lastzuständen des Lasers unterschiedliche thermische Zustände und Effekte ergeben, da das aktive Medium 46 auf solche veränderlichen thermischen Belastungen reagiert.
• Wie oben beschrieben kann das Fluoreszenzlicht 42 als Maß für die Strahlgüte des Laserstrahls 12 herangezogen werden, da hierin insbesondere die Wechselwirkung des Summenspots 100 mit dem Pumpfleck 300 abgebildet wird. Aus diesem Grund kann der Überlapp von Summenspot 100 und Pumpfleck 300 mittels des Ist-Fluoreszenzwerts eingestellt werden, wobei die Differenz zwischen dem Ist-Fluoreszenzwert und dem Soll-Fluoreszenzwert minimiert wird, wodurch eine optimierte Strahlgüte erreicht wird.
• Der Ist-Fluoreszenzwert beschreibt hierbei lediglich den Ausgabewert des optischen Sensors 44, der insbesondere auch dimensionslos sein kann. Beispielsweise kann der optische Sensor 44 eine Photodiode sein, die eine Ausgabespannung ausgibt. Es kann aber auch sein, dass der optische Sensor 44 einen Ausgabewert in Form von Analog-To-Digital Units aufweist, wobei eine interne Elektronik die Stärke des empfangenen Fluoreszenzlichts 44 in eine diskrete Messeinheit überträgt und digitalisiert, so dass der Ausgabewert des optischen Sensors 44 direkt kompatibel mit einer weiteren Verarbeitungselektronik oder Steuereinheit 5 wird.
• Um eine optimierte Strahlgüte zu erreichen wird ein Soll-Fluoreszenzwert benötigt, auf den der Ist-Fluoreszenzwert eingestellt werden kann und bei dem eine optimierte Strahlgüte vorliegt. Beispielsweise kann der Soll-Fluoreszenzwert während der Laserproduktion festgelegt werden. Hierfür kann beispielsweise durch eine direkte Messung der Strahlgüte, beziehungsweise der Beugungsmaßzahl M², eine direkt optimierte Strahlgüte eingestellt werden. Anschließend kann der dabei gemessene Ist-Fluoreszenzwert gemessen werden. Der damit bestimmte Ist-Fluoreszenzwert kann schließlich als der Soll-Fluoreszenzwert verwendet werden, zu dem die Differenz des Ist-Fluoreszenzwerts minimiert werden soll. Der Soll-Fluoreszenzwert ist hierbei mit einer optimierten Strahlgüte verknüpft ist.
• Es ist aber auch möglich, dass der Ist-Fluoreszenzwert möglichst klein gehalten wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass bei perfekter Überlappung von Summenspot 100 und Pumpfleck 300 und einer perfekten Extraktion der gespeicherten Energie kein Fluoreszenzlicht 42 erzeugt werden sollte.
• In real existierenden Lasersystem kann es jedoch auch vorteilhaft sein, dass der Ist-Fluoreszenzwert lediglich auf ein Minimum eingestellt wird, beispielsweise ein lokales Minimum oder ein globales Minimum.
• Durch einen optischen Filter 440 des optischen Sensors 44 kann die Optimierung der Strahlgüte für bestimmte Wellenlängen oder bestimmte Wellenlängenbereiche des Fluoreszenzlichts durchgeführt werden. Ein solcher optischer Filter 440 kann beispielsweise im Strahlengang vor dem optischen Sensor 44 angeordnet werden. Dadurch kann der Ist-Fluoreszenzwert für eine Wellenlänge bestimmt werden, die besonders relevant für den Extraktionsvorgang und/oder für die optischen Aberrationen des Lasersystem 1000 ist und somit einen großen Effekt auf die Strahlgüte des Ausgangslaserstrahls 12 hat.
• Ein Einstellen des Ist-Fluoreszenzwerts kann etwa dadurch bewerkstelligt werden, dass der Strahlengang 400 der Spiegelanordnung 40 und/oder der Strahlengang vor der Spiegelanordnung 40 eingestellt wird, wie in 2A, B gezeigt.
• Zunächst kann der Ist-Fluoreszenzwert durch den Strahlengang vor der Spiegelanordnung 40 eingestellt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Ort und der Winkel, unter dem der Seedlaserstrahl 10 in die Spiegelanordnung 40 eintritt, eingestellt wird. Um den Ort und den Winkel des Seedlaserstrahl 10 einzustellen, können beispielsweise die Umlenkspiegel 22 über eine Motorisierung und/oder eine Piezoverstellung verfügen, mit denen die Umlenkspiegel 22 um zwei Achsen verkippt werden können. Dadurch ist es beispielsweise möglich den Seedlaserstrahl 10 parallel zu verschieben, wodurch auch der Summenspot 100 auf dem aktiven Medium 46 verschoben werden kann. Es ist jedoch auch möglich durch Verkippen mindestens eines Umlenkspiegels 22 den Eingangslaserstrahl 10 unter einem Winkel in die Spiegelanordnung 40 einzuführen.
• In 2A ist schematisch eine Spiegelanordnung 40 und ein aktives Medium 46 gezeigt, sowie zwei parallel verschobene Eingangslaserstrahlen 10, 10`. Die Spiegelanordnung 40 umfasst hierbei einer Vielzahl von Spiegelsegmenten 402 die den Seedlaserstrahl 10, 10' mehrfach durch das aktive Medium 46 führen. Die Auftrefforte der Seedlaserstrahlen 10, 10' erzeugen zwei Summenspots 100, 100' auf dem aktiven Medium 46. Weiter sind die Seedlaserstrahlen 10, 10' parallelversetzt. Dementsprechend kann bei gleicher Ausrichtung der Spiegelsegmente 402 ein Versatz der Summenspots 100, 100' auf dem aktiven Medium 46 erzeugt werden. Der Ist-Fluoreszenzwert wird sich aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungen mit dem hier ortsfesten Pumpfleck 300 unterscheiden. Beispielsweise kann der Ist-Fluoreszenzwert für den Summenspot 100 geringer sein, da die Überlappung mit dem Pumpfleck 300 größer ist.
• In 2B ist schematisch dargestellt, dass der Ist-Fluoreszenzwert durch Einstellen des Strahlengangs 400 der Spiegelanordnung 40 eingestellt werden kann. Insbesondere umfasst das Einstellen des Strahlengangs 400 dr Spiegelanordnung 400 auch das Einstellen der einzelnen Spiegelsegmente 402. Beispielsweise kann durch eine Verkippung einzelner Spiegelsegmente 402 der Summensport homogenisiert werden oder in bestimmten Regionen auf dem aktiven Medium 46 konzentriert werden. Dadurch können die Positionen der Auftrefforte des Eingangslaserstrahl 10 so auf dem Pumpfleck 300 angeordnet werden, dass eine besonders effiziente Extraktion der gespeicherten Energie erreicht wird. Eine solche Verstellung wie in 2B gezeigt kann beispielsweise mittels motorisierter Spiegelsegmente 402 oder mit einer Piezoverstellung realisiert werden. Dadurch kann die Ausrichtung der Spiegelsegmente 402 besonders fein eingestellt werden.
• Gleichzeitig kann durch eine solche Verteilung der Positionen der Auftrefforte des Eingangslaserstrahls 10 eine bessere thermische Belastung des aktiven Mediums 46 erreicht werden, so dass die optischen Eigenschaften des aktiven Mediums 46 homogen verteilt sind und insbesondere wenig ortsabhängigen Einfluss auf den Eingangslaserstrahl 10 ausüben. Mit anderen Worten kann die Phasenkrümmung des Ausgangslaserstrahls 12 reduziert werden.
• Ein möglicher Ablauf der Optimierung der Strahlgüte ist in 2C gezeigt. Hier ist der Summenfleck 100 zunächst deutlich kleiner als der Pumpfleck 300. Durch Einstellen des Strahlengangs vor der Spiegelanordnung 40 kann beispielsweise der Summenspot 100 über dem Pumpfleck 300 zentriert werden. Anschließend kann der Durchmesser des Summenspots 100 durch den Strahlengang 400 der Spiegelanordnung 40 eingestellt werden. Beispielsweise kann die Verkippung des aktiven Mediums, der Spiegelanordnung und einzelner Spiegel verändert werden. Nicht gezeigt ist hierbei, dass der Summenspot ebenfalls homogenisiert werden kann, so dass ein gleichmäßiges Extrahieren der gespeicherten Energie aus dem Pumpfleck ermöglicht wird.
• Die Auftrefforte des Seedlaserstrahls können insbesondere sequenziell eingestellt werden, so dass lediglich ein Parameter zur selben Zeit eingestellt werden kann.
• Beispielsweise kann zunächst durch eine Steuereinheit 5 die X-Verkippung eines ersten Spiegelsegments 402 eingestellt werden. Hierzu wird ein Steuersignal 50 von der Steuereinheit 5 an die Piezo- und/oder an die Schrittmotoransteuerung 4020 des ersten Spiegelsegments 402 gesendet. Das Steuersignal 5 kann hierbei die Größe der zu erreichenden Verkippung enthalten. Nach erfolgter Verkippung kann der Ist-Fluoreszenzwert durch den optischen Sensor 44 gemessen werden. Die Steuereinheit 5 kann das Signal des optischen Sensors 44 empfangen und den Ist-Fluoreszenzwert mit dem hinterlegten Soll-Fluoreszenzwert vergleichen. Die Steuereinheit 5 kann hierbei beispielsweise ein Computer oder ein FPGA sein. Wenn die Steuereinheit 5 feststellt, dass durch die X-Verkippung des ersten Spiegelsegments 402 die Differenz zwischen Ist-Fluoreszenzwert und Soll-Fluoreszenzwert verringert werden konnte, dann kann die neue X-Verkippung des ersten Spiegelsegments 402 erhalten bleiben. Wenn dies nicht der Fall ist, dass kann die vorherige Verkippung des ersten Spiegelsegments 402 wieder eingestellt werden.
• In einem nächsten Schritt kann beispielsweise die Y-Verkippung des ersten Spiegelsegments eingestellt werden. Es ist aber auch möglich, dass die X-Verkippung des zweiten Spiegelsegments 402 eingestellt wird.
• Indem auf jede Verkippung entlang einer Achse eine Messung des Ist-Fluoreszenzwerts erfolgt und eine Beurteilung durch eine Steuereinheit 5 stattfindet, ob die Differenz zwischen Ist-Fluoreszenzwert und Soll-Fluoreszenzwert verringert wurde, kann der Ist-Fluoreszenzwert sukzessive (oder sequenziell) dem Soll-Fluoreszenzwert angenähert werden.
• Insbesondere kann es vorteilhaft sein, dass die Verkippungsgröße der Spiegelsegmente reduziert wird, wenn der Ist-Fluoreszenzwert und der Soll-Fluoreszenzwert bereits innerhalb eines Grenzwerts übereinstimmen. Dadurch kann die Strahlgüte des Ausgangslaserstrahls 12 zusätzlich stabilisiert werden, da so eine zu starke Korrektur des Ist-Fluoreszenzwerts vermieden wird.
• Der Ist-Fluoreszenzsensors kann somit in der Steuereinheit 5 genutzt werden, um die Justage des Multipass-Verstärkers 4 im laufenden Betrieb zu optimieren. Dadurch ist es möglich, den Multipass-Verstärker in kurzer Zeit im laufenden Betrieb so zu justieren, dass bei voller Leistung eine optimierte Strahlgüte erreicht wird.
• Es ist insbesondere auch möglich, dass die Frequenz der Regelschleife reduziert wird, wenn der Ist-Fluoreszenzwert reduziert wird und eine Integrationszeit des optischen Sensors 44 erhöht wird. Dadurch kann auch bei einer geringen Stärke des Fluoreszenzlichts 42 ein gutes Signal/RauschVerhältnis am optischen Sensor 44 erreicht werden.
• Die Optimierung der Strahlgüte kann hierbei während des laufenden Laserbetriebs durchgeführt werden und insbesondere auch während der Aufwärmphase des Lasersystem 1000. Dadurch kann das Lasersystem 1000 besonders schnell eingesetzt werden.
• In 3A und 3B ist der Intensitätsverlauf des Pumpflecks 300 und des Summenspots 100 auf dem aktiven Medium 46 gezeigt. In 3A ist der Summenspot 100 auf den Pumpfleck 300 zentriert und der Durchmesser des Summenspots 100 ist deutlich kleiner als der des Pumpflecks 300. Durch den zentrierten Summenspot 100 kann die gespeicherte Energie nicht gleichmäßig aus dem aktiven Medium 46 ausgekoppelt werden. In den Randbereichen des Pumpflecks 300 wird die gespeicherte Energie daher in Form von Fluoreszenzlicht 42 abgegeben, wobei ein großer Ist-Fluoreszenzwert am optischen Sensor 44 detektiert wird. Für die gezeigte Intensitätsverteilung der 3A wurde beispielsweise eine Beugungsmaßzahl von M² > 1,7 des Ausgangslaserstrahls 12 gemessen.
• In 3B wurde für denselben Pumpfleck 300 der Summenspot 100 aufgefächert und somit die Intensitätsverteilung des Seedlaserstrahl 10 über die Fläche des Pumpflecks 300 homogenisiert. Dadurch sinkt die Stärke des Fluoreszenzlichts 42 am optischen Sensor 44 ab. Gemessen wurde hierbei beispielsweise bei einer Vergrößerung des Durchmessers des Summenspots um 30% eine Verringerung des Ist-Fluoreszenzwerts um einige Prozent, beispielsweise um 10%. Gleichzeitig wurde für den vergrößerten Summenspot 100 eine Beugungsmaßzahl von M² < 1.2 des Ausgangslaserstrahls 12 gemessen. Eine Vergrößerung des Summenspots 100 hat demnach zu einer optimierten Strahlgüte geführt. Dementsprechend wird im laufenden Laserbetrieb der dort gemessene Ist-Fluoreszenzwert angestrebt, um eine optimierte Strahlgüte zu erreichen.
• Wenn der Summenspot noch weiter vergrößert wird steigt das Signal des Fluoreszenzsensors wieder an, da durch die geringe Intensität im Summenspot 100 eine Extrahierung der gespeicherten Energie weniger effizient ist. Daher eignet sich der Ist-Fluoreszenzwert sehr gut zur Optimierung der Strahlgüte.
• Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1

Seedlaser

10

Seedlaserstrahl

100

Summenspot

12

Ausgangslaserstrahl

2

Umlenkoptik

20

Strahlteiler

22

Umlenkspiegel

3

Pumplaser

30

Pumplaserstrahl

300

Pumpfleck

32

Pumpoptik/ Kavität

34

Lichtmischer

36

Kollimationslinse

38

Parabolspiegel

4

Multipass-Verstärker

40

Spiegelanordnung

400

Strahlengang

402

Spiegelsegment

404

Parabolspiegel

42

Fluoreszenzlicht

44

Fluoreszenzlichtsensor

46

aktives Medium

460

hochreflektiv beschichtete Rückseite

5

Steuereinheit

1000

Lasersystem

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Boge et. al. „Robust method for long-term energy and pointing stabilization of high energy, high average power solid state lasers“, Review of Scientific Instruments 89, 023113 (2018 [0004]

Claims (14)

1. Verfahren zum Optimieren der Strahlgüte, bevorzugt der Beugungsmaßzahl M², eines Ausgangslaserstrahls (12) eines Lasersystems (1000) mit Multipass-Verstärker (4), umfassend eine Spiegelanordnung (40) mit einem aktiven Medium (46) und einem optischen Sensor (44), wobei das aktive Medium (46) mit einem Pumplaserstrahl (30) in einem Pumpfleck (300) beaufschlagt wird, wobei bevorzugt das aktive Medium (46) scheibenförmig ist, wobei ein Seedlaserstrahl (10) in die Spiegelanordnung (40) mit dem aktiven Medium (46) eingekoppelt wird, wobei das aktive Medium (46) mit dem Seedlaserstrahl (10) in einem Summenspot (100) beaufschlagt wird, wobei der Pumpfleck (300) und der Summenspot (100) mindestens teilweise in einem Überlapp überlappen und der Seedlaserstrahl (10) durch Wechselwirkung mit dem aktiven Medium (46) in dem Überlapp aus Summenspot (100) und Pumpfleck (300) verstärkt wird, wobei der verstärkte Seedlaserstrahl (10) aus der Spiegelanordnung (40) ausgekoppelt wird und so der Ausgangslaserstrahl (12) bereitgestellt wird, wobei der Pumpfleck (300) des aktiven Mediums (46) abhängig vom Überlapp Fluoreszenzlicht (42) abgibt, wobei der optische Sensor (44), bevorzugt ein Fluoreszenzlichtsensor oder eine Kamera, das Fluoreszenzlicht (42) des Pumpflecks (300) als Ist-Fluoreszenzwert erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlapp mittels des Ist-Fluoreszenzwerts eingestellt wird, wobei eine Differenz zwischen dem Ist-Fluoreszenzwert und einem Soll-Fluoreszenzwert minimiert wird, wodurch eine optimierte Strahlgüte des Ausgangslaserstrahls (12) erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Soll-Fluoreszenzwert während der Laserproduktion festgelegt wird und mit der vorgegebenen Strahlgüte verknüpft ist, oder - der Soll-Fluoreszenzwert ein lokales oder globales Ist-Fluoreszenzminimum ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Fluoreszenzwert durch Einstellen des Strahlengangs (400) der Spiegelanordnung (40) eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelanordnung (40) mindestens ein Spiegelsegment (402) aufweist und der Strahlengang (400) der Spiegelanordnung (40) durch Einstellen des mindestens einen Spiegelsegments (402) eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Fluoreszenzwert durch Einstellen des Strahlengangs vor der Spiegelanordnung (40) mit mindestens einer Umlenkoptik (2) eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkoptik (2) mindestens einen Umlenkspiegel (22) und/oder mindestens einen Strahlteiler (20) und/oder mindestens eine Versatzvorrichtung und/oder mindestens einen Polarisator umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelanordnung (40) und/oder die Umlenkoptik (2) durch eine Schrittmotoransteuerung und/oder eine Piezoansteuerung eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einstellen des Ist-Fluoreszenzwerts der Summenspot (100) über den Pumpfleck (300) zentriert wird, und/oder der Summenspot (100) über dem Pumpfleck (300) verteilt wird, insbesondere homogenisiert wird, und/oder der Durchmesser des Summenspots (100) angepasst, insbesondere vergrößert wird, wodurch bevorzugt die Phasenkrümmung des Ausgangslaserstrahls (12) reduziert wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Fluoreszenzwert durch Einstellen der Auftrefforte des Seedlaserstrahls (10) auf dem aktiven Medium (46) sequenziell eingestellt werden, wobei bevorzugt die Auftrefforte entlang zweier orthogonaler Raumachsen eingestellt werden.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Fluoreszenzwert mittels einer Steuereinheit eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) den Ist-Fluoreszenzwert des optischen Sensors (44) empfängt, den Ist-Fluoreszenzwert mit dem Soll-Fluoreszenzwert vergleicht und einen Steuerbefehl bestimmt und ausgibt, die Schrittmotoransteuerung und/oder die Piezoansteuerung der Spiegelanordnung (40) und/oder der Umlenkoptik (2) den Steuerbefehl empfängt und der Ist-Fluoreszenzwert auf Basis des Steuerbefehls eingestellt wird.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen des Ist-Fluoreszenzwerts in einer Regelschleife mit einer Frequenz von mehr als 1 Hz, bevorzugt mit mehr als 10Hz durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen optischen Filter des optischen Sensors (44) die Optimierung der Strahlgüte für bestimmte Fluoreszenzwellenlängen oder bestimmte Wellenlängenbereiche durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung der Strahlgüte während des laufenden Laserbetriebs durchgeführt wird.

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