DE10235712B4

DE10235712B4 - Verfahren zum Betrieb eines Festkörperlasers und Impulslaser mit passiver Modenkopplung

Info

Publication number: DE10235712B4
Application number: DE2002135712
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Braun; Ulf Krause
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: DE10235712A1

Abstract

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 der sättigbare Halbleiterabsorber (2) durch eine steuerbar geschaltete Strahlungseinwirkung nur in zeitlich begrenzten Abschnitten mit minimierter Strahlungsfluktuation einer Strahlung ausgesetzt wird.

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.
Die Lehren aus der DE 100 49 770 A1 und der DD 90 401 sind nicht verwendbar, da passive Güteschaltung vermieden werden soll.
Insbesondere werden bei der DE 100 49 770 A1 durch Verstellung des Güteschalters die Laserimpulse pro Einzelimpuls, der zeitliche Abstand der einzelnen Pulse sowie die Pulsdauer jedes einzelnen Pulses gezielt beeinflusst.
Bei der DD 90 401 werden Schichtdicke und/oder Konzentrationsänderung des sättigbaren Absorbers kontinuierlich oder in Stufen durch einen verschiebbaren Keil, eine gestufte Wanddicke, einen unterschiedlich dicken Filter oder eine drehbar gelagerte Küvette mit Kammern unterschiedlicher Dicke verändert, um die Anzahl von Riesenimpulsen pro Blitzlampenimpuls ohne Auswechseln des Schaltfarbstoffes vorzuwählen.
In der DE 693 06 449 T2 wird auf eine Betriebsweisensperre hingewiesen, um einen Resonanzzustand für eine cw-Laseroszillation, gefolgt von einer gepulsten Oszillation zu verändern.
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 der sättigbare Halbleiterabsorber durch eine steuerbar geschaltete Strahlungseinwirkung nur in zeitlich begrenzten Abschnitten mit minimierter Strahlungsfluktuation einer Strahlung ausgesetzt 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. Jeder der Absorberbereiche wird nur in den 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 der sättigbare Halbleiterabsorber nur in zeitlich begrenzten Abschnitten mit minimierter Strahlungsfluktuation einer Strahlung ausgesetzt 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 in 1 dargestellte Laserresonator enthält als Laserkristall 1 einen Nd:YVO₄-Kristall und arbeitet aufgrund eines in dem Laserresonator vorgesehenen sättigbaren Halbleiterabsorbers 2 mit passiver Modenkopplung.
Der sättigbare Halbleiterabsorber 2 ist auf einem, als Verschiebetisch ausgebildeten Träger 3 befestigt, der durch einen Schrittmotor 4 über eine Getriebewelle 5 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 gemäß 2, bestehend aus einer Buslogik 7 und einem Mikrokontroller 8, durch die ein elektrischer Schalter 9 für den Schrittmotor 4 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 und 12 zum Schutz des sättigbaren Halbleiterabsorbers 2 vor einer plötzlichen Zerstörung einen resonatorinternen Strahlunterbrecher 13, dessen Funktion über einen elektrischen Schalter 14 ebenfalls durch die Steuereinrichtung 6 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 Diodenlaser 15 mit davor geschalteter Pumpoptik 16 zugeschaltet wird. Die Schließzeit dauert im Allgemeinen etwa drei Sekunden an, jedoch eine so lange Zeit, bis der Diodenlaser 15 einen stabilen Betrieb aufweist, nach der auch Einschwingvorgänge zwischen dem Diodenlaser 15 und dem Laserkristall 1 abgeklungen sind und eine Thermalisierung erfolgt ist.

Claims

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 der sättigbare Halbleiterabsorber (2) durch eine steuerbar geschaltete Strahlungseinwirkung nur in zeitlich begrenzten Abschnitten mit minimierter Strahlungsfluktuation einer Strahlung ausgesetzt 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 1 oder 2, 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 3, 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 der sättigbare Halbleiterabsorber (2) nur in zeitlich begrenzten Abschnitten mit minimierter Strahlungsfluktuation einer Strahlung ausgesetzt ist.
Impulslaser nach Anspruch 5, 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 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserresonator einen durch die Steuereinrichtung (6) angesteuerten Strahlunterbrecher (13) enthält, der zu Zeiten erhöhter Strahlungsfluktuationen eine Strahlunterbrechung im Laserresonator hervorruft.