DE10235712A1 - Verfahren zum Betrieb eines Festkörperlasers und Impulslaser mit passiver Modenkopplung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft die Erzeugung von Laserimpulsen durch passive Modenkopplung mit sättigbaren Halbleiterabsorbern, die bekanntermaßen die Chance bietet, gepulste Laser in kompakter, kostengünstiger und einfacher Form aufzubauen.
- Die sättigbaren Halbleiterabsorber sind dabei in der Weise wirksam, dass sich ihre Reflektivität gegenüber der einfallenden Strahlung in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität bei einer bestimmten Wellenlänge verändert. Während bei niedrigen Intensitäten eine geringe Reflektivität besteht, erhöht sich diese bei einer einfallenden Intensität in der Größenordnung der Sättigungsintensität.
- Diesen vorteilhaften Eigenschaften stehen aber auch Nachteile gegenüber, indem hohe resonatorinterne Strahlungsintensitäten die Lebensdauer der Halbleiterabsorber begrenzen. Lange Bestrahlungszeiten führen zu atomaren Veränderungen in der Kristallstruktur, zu erhöhter nicht-sättigbarer Absorption und als Folge davon zu einer Degradation und Zerstörung des optischen Bauelementes.
- Die derzeitigen Technologien der passiven Modenkopplung mit sättigbaren Halbleiterabsorbern erlauben Betriebszeiten in der Größenordnung von einigen tausend Stunden, die für viele industrielle Anwendungen nicht ausreichend sind. Da die übrigen Bauelemente eines diodengepumpten Festkörperlasers, wie die Pumpdiode, der Laserkristall und die optischen Elemente für typisch einige zehntausend Betriebsstunden ausgelegt sind, ist es wünschenswert, die Lebensdauer des Halbleiterabsorbers diesen Betriebszeiten anzupassen, um nicht aufwändige und kostenintensive Wartungsarbeiten durchführen zu müssen.
- Des Weiteren sind die Halbleiterabsorber besonders anfällig gegenüber dem Regime der modengekoppelten Güteschaltung, da hierbei Strahlungsbelastungen durch Energieüberhöhungen bis zu einem Faktor von 100 gegenüber der cw-Modenkopplung auftreten können.
- Ein solches Verhalten kann aufgrund eines Wechselspieles zwischen dem Einschwingvorgang des als Pumpstrahlungsquelle verwendeten Diodenlasers, dem thermischen Verhalten des Laserkristalls beim Einschalten des Lasers und der Dynamik des Selbststartens der passiven Modenkopplung verursacht werden.
- Während sich bei dem Diodenlaser erst nach einer Phase des Einschwingens die Pumpstrahlungsleistung stabilisiert und sich die gewünschte Pumpwellenlänge einstellt, durchläuft der Laserkristall mit einer komplizierten Dynamik unterschiedliche Zustände, in denen sich nach anfänglichen Temperaturerhöhungen thermische Linsen ausbilden, die bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes ihre Eigenschaften ständig verändern.
- Bekannt gewordene Stabilisierungsverfahren, wie z. B. aus E. R. Thoen, E. M. Koontz, M. Joschko, P. Langlois, T. R. Schibli, F. X. Kärtner, E. P. Ippen, L. A. Kolodziejski, "Two-photon-absorption in semiconductor saturable absorber mirrors", Appl. Phys. Lett. 74, 3927-3929, 1999, erfassen entweder nicht den gesamten Einschaltvorgang, sind aufwändig in der Realisierung (WO 01/47075 A1) oder beeinflussen gewollte Lasereigenschaften negativ, wie das bei der gezielten Unterdrückung der Güteschaltung in modengekoppelten Lasern durch Absorption freier Ladungsträger oder bei der Zwei-Photonen-Absorption in Halbleitern der Fall ist.
- Aufgabe der Erfindung ist es, die Lebensdauer des Halbleiterabsorbers mit einfachen Mitteln zu verlängern und einen Schutz vor plötzlicher Zerstörung zu gewährleisten.
- Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines Festkörperlasers gelöst, der zur Erzeugung von Laserimpulsen einen Laserresonator mit einem darin enthaltenen sättigbaren Halbleiterabsorber zur passiven Modenkopplung aufweist, indem eine Strahlungseinwirkung auf den sättigbaren Halbleiterabsorber im Laserresonator steuerbar geschaltet wird.
- Die vorliegende Erfindung sieht insbesondere vor, die Oberfläche des sättigbaren Halbleiterabsorbers in sowohl örtlich als auch zeitlich genau bestimmter Weise der den Laserresonator durchsetzenden Strahlung auszusetzen. Deshalb weist der sättigbare Halbleiterabsorber unterschiedliche Absorberbereiche auf, die nacheinander zur Erzeugung der Laserimpulse genutzt werden. Außerdem wird jeder der Absorberbereiche nur in zeitlich begrenzten Abschnitten, in denen Strahlungsfluktuationen minimiert sind, der Strahlung ausgesetzt.
- In bevorzugter Weise werden die zeitlich begrenzten Abschnitte dadurch eingestellt, dass während einer Laserstartphase so lange eine Strahlunterbrechung innerhalb des Laserresonators erfolgt, bis Einschwingvorgänge, die den sättigbaren Halbleiterabsorber belasten, abgeklungen sind. Die Einschwingvorgänge sind von einem Wechselspiel zwischen einer zum Pumpen des Festkörperlasers vorgesehenen Pumpstrahlungsquelle und einem im Laserresonator vorhandenen Laserkristall bestimmt.
- Vorteilhaft erfolgt die Strahlungsunterbrechung wenigstens so lange, bis die Pumpstrahlungsquelle einen stabilen Betrieb aufweist.
- Die obenstehende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch einen Impulslaser mit passiver Modenkopplung gelöst, der zur Erzeugung von Laserimpulsen einen Laserresonator mit einem darin enthaltenen sättigbaren Halbleiterabsorber aufweist und der gekennzeichnet ist durch eine Steuereinrichtung zur Steuerung von Schaltelementen, durch die eine Strahlungseinwirkung auf den sättigbaren Halbleiterabsorber bestimmt ist.
- Der sättigbare Halbleiterabsorber ist in einer bevorzugten Ausführung auf einem Träger befestigt, der quer zur Strahlrichtung der den Laserresonator durchsetzenden Strahlung verschiebbar ist und dessen Verstellung durch die Steuereinrichtung erfolgt.
- Ferner enthält der Laserresonator einen durch die Steuereinrichtung angesteuerten Strahlunterbrecher, der zu Zeiten erhöhter Strahlungsfluktuationen eine Strahlunterbrechung im Laserresonator hervorruft.
- Mit der Erfindung kann die Lebensdauer des sättigbaren Halbleiterabsorbers sowohl durch eine effektive Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Absorberoberfläche als auch dadurch verlängert werden, dass für die Absorberbereiche ein zeitlich begrenzter Schutz vor zu starken Strahlungsintensitäten besteht.
- Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 einen Laserresonator mit einem darin untergebrachten Strahlunterbrecher und einer Verstelleinrichtung für den sättigbaren Halbleiterabsorber -
2 ein Blockschaltbild für eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Verstelleinrichtung und des resonatorinternen Strahlunterbrechers Der in1 dargestellte Laserresonator enthält als Laserkristall1 einen Nd:YVO4-Kristall und arbeitet aufgrund eines in dem Laserresonator vorgesehenen sättigbaren Halbleiterabsorbers2 mit passiver Modenkopplung. - Der sättigbare Halbleiterabsorber
2 ist auf einem, als Verschiebetisch ausgebildeten Träger3 befestigt, der durch einen Schrittmotor4 über eine Getriebewelle5 angetrieben, quer zur Strahlrichtung der den Laserresonator durchsetzenden Strahlung, d. h. hier in Richtung des Pfeiles und bei zweidimensionaler Verstellung auch senkrecht dazu verschiebbar ist. - Die Steuerung übernimmt eine Steuereinrichtung
6 gemäß2 , bestehend aus einer Buslogik7 und einem Mikrokontroller8 , durch die ein elektrischer Schalter9 für den Schrittmotor4 betätigt wird. Auf der Basis der Definition der Schrittweite zwischen zwei logischen Positionen x, y erfolgt eine Ausgabe eines Befehls von der logischen Position x zu der logischen Position y zu fahren, was entweder nach Ablauf definierter Zeiten oder bei Eintritt definierter Ereignisse geschieht. Die erreichte logische Position wird gespeichert. - Da die typische Strahlgröße eines Festkörperlasers
50 bis einige 100 μm Durchmesser beträgt, die typische Oberfläche des Halbleiterabsorbers jedoch einige Quadratmillimeter bemisst, kann durch die nach bestimmten Vorschriften erfolgende automatische motorische Verschiebung des Halbleiterabsorbers dessen Lebensdauer so weit verlängert werden, dass diese der Lebensdauer der übrigen Bauelemente eines diodengepumpten Festkörperlasers, wie der Pumpstrahlungsquelle, dem Laserkristall und den anderen optischen Elemente angepasst ist. - Des Weiteren enthält der Laserresonator neben drei Umlenkspiegeln
10 ,11 und12 zum Schutz des sättigbaren Halbleiterabsorbers2 vor einer plötzlichen Zerstörung einen resonatorinternen Strahlunterbrecher13 , dessen Funktion über einen elektrischen Schalter14 ebenfalls durch die Steuereinrichtung6 gesteuert wird und der zu Zeiten erhöhter Strahlungsfluktuationen eine Strahlunterbrechung im Laserresonator hervorruft. Ein solcher Zustand liegt vor, wenn der Laserresonator in Betrieb gesetzt und in einem Einschaltprozess der Diodenstrom zu einem als Pumpstrahlungsquelle dienenden Diodenlaser15 mit davor geschalteter Pumpoptik16 zugeschaltet wird. Die Schließzeit dauert im Allgemeinen etwa drei Sekunden an, jedoch eine so lange Zeit, bis der Diodenlaser15 einen stabilen Betrieb aufweist, nach der auch Einschwingvorgänge zwischen dem Diodenlaser15 und dem Laserkristall1 abgeklungen sind und eine Thermalisierung erfolgt ist.
Claims (9)
- Verfahren zum Betrieb eines Festkörperlasers, der zur Erzeugung von Laserimpulsen einen Laserresonator mit einem darin enthaltenen sättigbaren Halbleiterabsorber zur passiven Modenkopplung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungseinwirkung auf den sättigbaren Halbleiterabsorber (
2 ) im Laserresonator steuerbar geschaltet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Halbleiterabsorber (
2 ) unterschiedliche Absorberbereiche aufweist, die nacheinander zur Erzeugung der Laserimpulse genutzt werden. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Absorberbereiche nur in zeitlich begrenzten Abschnitten, in denen Strahlungsfluktuationen minimiert sind, der Strahlung ausgesetzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Laserstartphase so lange eine Strahlunterbrechung innerhalb des Laserresonators erfolgt, bis Einschwingvorgänge, die den sättigbaren Halbleiterabsorber (
2 ) belasten, abgeklungen sind. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschwingvorgänge von einem Wechselspiel zwischen einer zum Pumpen des Festkörperlasers vorgesehenen Pumpstrahlungsquelle und einem im Laserresonator vorhandenen Laserkristall (
1 ) bestimmt sind. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlunterbrechung wenigstens so lange erfolgt, bis die Pumpstrahlungsquelle einen stabilen Betrieb aufweist.
- Impulslaser mit passiver Modenkopplung, der zur Erzeugung von Laserimpulsen einen Laserresonator mit einem darin enthaltenen sättigbaren Halbleiterabsorber aufweist, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (
6 ) zur Steuerung von Schaltelementen, durch die eine Strahlungseinwirkung auf den sättigbaren Halbleiterabsorber (2 ) bestimmt ist. - Impulslaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Halbleiterabsorber (
2 ) auf einem Träger (3 ) befestigt ist, der quer zur Strahlrichtung einer den Laserresonator durchsetzenden Strahlung verschiebbar ist und dessen Verstellung durch die Steuereinrichtung (6 ) gesteuert ist. - Impulslaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator einen durch die Steuereinrichtung (
6 ) angesteuerten Strahlunterbrecher (13 ) enthält, der zu Zeiten erhöhter Strahlungsfluktuationen eine Strahlunterbrechung im Laserresonator hervorruft.
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- 2002-07-31 DE DE2002135712 patent/DE10235712B4/de not_active Expired - Lifetime
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