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Die
Erfindung betrifft einen Treiber oder eine elektrische Ansteuerung
für eine
Pockelszelle und Verwendungen einer derartig angesteuerten Pockelszelle
in einem Lasersystem und für
mit dem Lasersystem durchzuführende
Anwendungen.
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Eine
Pockelszelle besteht im allgemeinen aus einem doppelbrechenden Kristall,
welcher in geeigneter Weise zu einem einfallenden monochromatischen
und polarisierten Lichtstrahl ausgerichtet ist und in Verbindung
mit einer an ihn angelegten elektrischen Spannung in Größenordnung
einiger 100V bis einiger Kilovolt und weiteren optischen Elementen
wie z.B. Polarisator oder Spiegel, das Licht in Abhängigkeit
von der elektrischen Spannung
- (a) an- oder
abschalten oder
- (b) auf zwei verschiedenen Pfaden durch ein optisches System
lenken kann.
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Die
Spannung, welche erforderlich ist, um die jeweils zwei genannten
Zustände
zu erreichen, ist eine Funktion der Kristallparameter und der verwendeten
Wellenlänge
des zu schaltenden Lichts. Es gibt Anwendungen von Pockelszellen,
bei welchen diese schnell an- und abgeschaltet werden müssen, wobei beide Übergangszeiten
im Bereich von wenigen Nanosekunden liegen müssen. Bei manchen Anwendungen
muss nur eine dieser Übergangszeiten
kurz sein, entweder das Anschalten oder das Abschalten, wobei die
jeweils andere Übergangszeit
durchaus im Bereich von Mikrosekunden liegen. darf. Die Erfindung
betrifft den Aufbau und die Anwendung einer Vorrichtung, bei welcher
beide Übergangszeiten schnell
sein müssen.
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Diese
Pockelszelle, kombiniert mit einer geeigneten schaltbaren Hochspannungsversorgung kann
beispielsweise verwendet werden, um kurze Laserpulse mit einer Dauer
von wenigen Nanosekunden (ns) oder ultrakurze Laserpulse mit Pikosekunden
(ps)- oder Femtosekunden (fs)-dauer optisch zu schalten, d.h. die
Intensität
oder die Strahlrichtung der Laserpulse zu ändern. Ultrakurze Laserpulse werden
bekanntermaßen
durch das Verfahren der Modenkopplung erzeugt. Daher haben Laserstrahlquellen
für ultrakurze
Pulse prinzipbedingt immer sehr hohe Wiederholraten (größer als
10 Megahertz (MHz), typ. 70-200 MHz für Festkörperlaser) und niedrige Pulsenergien
(im Nanojoule-Bereich, typ. 0,1-50 nJ). Werden einzelne Pulse oder
Pulsgruppen von ps- oder fs-Laserpulsen benötigt, so wird häufig eine
Pockelszelle verwendet, um diese Pulse zu selektieren. In diesem
Fall muss zunächst
zwischen zwei Pulsen, welche die Laserstrahlquelle typischerweise
in einem zeitlichen Abstand von 6 bis 15 Nanosekunden aussendet,
die Spannung vollständig
angeschaltet werden, um nach Durchlassen eines einzigen Laserpulses
6 bis 15 Nanosekunden später vollständig wieder
abgeschaltet zu werden.
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Oft
werden ultrakurze Laserpulse mit erheblich höherer Energie benötigt (z.B.
1000- bis 100.000-fach), als sie von Laserstrahlquellen mit Modenkopplung
direkt erzeugt werden können.
Typische Anwendungen für
solche Laserpulse sind beispielsweise die nichtlineare Optik oder
die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen. In einem solchen Fall
werden die selektierten Pulse in einen optischen Verstärker eingekoppelt,
und durchlaufen diesen so oft, bis die benötigte Energie erreicht ist.
Der optische Verstärker
kann in einer linearen oder einer regenerativen Ausführung vorliegen.
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Ein
regenerativer optischer Verstärker
besitzt bekanntlich einen Resonator, in dem sich ein verstärkendes
Medium befindet. Die selektierten Laserpulse werden mit Hilfe einer
weiteren Pockelszelle als optischem Schalter in den Resonator eingekoppelt, über eine
Vielzahl von Umläufen
verstärkt
und dann wieder ausgekoppelt. Hierbei ist es wesentlich, dass diese
Schaltprozesse innerhalb einer Umlaufzeit im Resonator des regenerativen
Verstärkers
erfolgen. Es ist also erforderlich, mit einer kurzen Schaltzeit
in der Größenordnung
von einigen Nanosekunden die an der Pockelszelle anliegende Spannung
anzuschalten, so dass der einfallende Laserpuls im Resonator umläuft und
verstärkt
wird. Ebenso ist es erforderlich, mit der gleichen Geschwindigkeit die
an der Pockelszelle anliegende Spannung abzuschalten, so dass der
verstärkte
Laserpuls den Resonator verlassen kann.
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Die
o.g. Verfahren werden wesentlich durch die derzeit verfügbaren Ansteuerungen
für Pockelszellen
eingeschränkt
und zwar hinsichtlich zu langer Schaltzeiten, zu niedriger Schaltraten
und zu geringem Kontrast. Die Schaltzeiten von mehreren ns beschränken die
Verwendung modengekoppelter Laserstrahlquellen auf Wiederholraten
von < 100 MHz und
erfordern deshalb regenerative Verstärker mit langen Resonatoren,
die Umlaufzeiten > 10
ns haben. Typische Schaltraten von weniger als 20 kHz sind zu niedrig,
um Laser mit Verstärkern,
deren Schaltraten durch die Ansteuerung der Pockelszelle begrenzt
ist, z.B. in der Materialbearbeitung wirtschaftlich einzusetzen.
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Bei
der Verwendung von linearen Verstärkern durchlaufen die selektierten
Impulse aus dem Ultrakurzpulslaser das verstärkende Medium ohne einen weiteren
Schalter. Da auf diese Weise weniger Durchgänge durch den Verstärker möglich sind
werden Verstärker
hauptsächlich
für niedrigere
Pulsenergie oder bei sehr hoher Verstärkung eingesetzt. Ein wesentlicher
Nachteil entsteht dabei nach dem derzeitigen Stand der Technik durch
den geringen Kontrast zwischen selektierten und nicht selektierten
Laserpulsen, der bei den üblichen
Pockelszellen ansteuerungsbedingt nur ca. 300:1 beträgt. Die
Resttransmission der nichtselektierten Laserpulse erzeugt eine Hintergrundstrahlung,
deren Leistung meist höher
ist, als die Leistung der selektierten Laserpulse. Betrachtet man
beispielsweise eine Laserstrahlquelle mit einer Wiederholrate von
60 MHz und einer Pulsenergie von 30 nJ, von deren Strahlung Pulse
mit einer Schaltrate von 20 kHz selektiert werden, so beträgt die mittlere
Leistung der selektierten Impulse P = 20 kHz × 30 nJ = 0,6 mW. Zwischen
den selektierten Laserpulsen sind jedoch jeweils 3000 Pulse, die
bei dem o.g. Kontrast nur jeweils 300 mal schwächer sind. Die mittlere Leistung
dieser Hintergrundstrahlung ist damit zehnfach höher und beträgt 6 mW.
Ein linearer Verstärker,
in den diese selektierten Impulse eingekoppelt werden, wird von
seiner gespeicherten Energie also 91% an die Hintergrundstrahlung
und nur 9% an die selektierten Laserpulse abgeben. Deshalb können in
hochverstärkenden
Lasersystemen nach dem heutigen Stand der Technik keine Pockelszellen
zur Pulaselektion eingesetzt werden, sondern nur Pulsselektoren
mit höherem Kontrast,
wie z.B. Akusto-Optische Modulatoren (AOM). Diese Modulatoren haben
jedoch andere gravierende Nachteile, wie z.B. eine geringe Transmission
und niedrigere Zerstörschwellen.
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Pockelszellentreiber
nach dem Stand er Technik, beispielsweise gemäss der
US 39 10 679 sind aufgebaut wie beispielsweise
in
1a gezeigt. Die Anordnung
soll im folgenden H-Konfiguration genannt werden. Diese bekannte
H-Konfiguration weist zwei Schaltungsknoten SK1 und SK2 auf, die
an die elektrischen Anschlüsse
der Pockelszelle anzuschließen
sind. Die Schaltungsknoten SK1 und SK2 sind Ausgangspunkt von vier
Leitungen, die den vier Schenkeln des Buchstaben H bilden. Der erste Schaltungsknoten
SK1 ist durch eine erste Leitung mit einem (Hoch-)Spannungsanschluss
HV und durch eine zweite Leitung über einen ersten Schalter S1
mit Masse verbunden ist, während
der zweite Schaltungsknoten SK2 durch eine dritte Leitung mit einem
Spannungsanschluss HV und durch eine vierte Leitung über einen
zweiten Schalter S2 mit Masse verbunden ist. Die in den gestrichelt
gezeichneten Leitungen angeordneten, mit Masse verbundenen Kondensatoren
CS1 und CS2 bezeichnen jeweils parasitäre Kapazitäten der Schalter S1 und S2.
Mit CP ist die Kapazität
der Pockelszelle und mit P1 und P2 sind die Potentiale an den Schaltungsknoten
SK1 und SK2 bezeichnet.
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Die
durch S1 und S2 dargestellten Schalter sind Hochspannungsschalter.
Hochspannungsschalter können
Spannungen bis zu einigen Kilovolt oder einigen 10 Kilovolt schalten.
Die Schaltzeiten von gebräuchlichen
Transistor-Hochspannungsschaltern liegen
im Bereich weniger Nanosekunden und lassen sich beispielsweise durch
TTL-Signale von wenigen Volt ansteuern. Der innere Aufbau dieser
Hochspannungsschalter ist bekannte Technik, beispielsweise in Patentschrift
DE 3630775 C2 beschrieben.
Ebenso ist die Erzeugung der Niederspannungs-Steuersignale bekannte
Technik, weshalb hier nicht näher darauf
eingegangen werden soll.
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Die
Arbeitsweise dieser bekannten Schaltung ist in 1b gezeigt. Zunächst sind beide Schalter S1
uns S2 offen. Auf diese Weise ist die Pockelszelle spannungslos.
Dann wird S1 geschlossen. Dadurch liegt an der Pockelszelle die
Spannung an. Wenn man anschließend
Schalter S2 schließt,
wird die Pockelszelle wieder entladen. Nach einer durch die Anwendung
vorgegebenen Wartezeit werden beide Schalter gleichzeitig oder kurz
nacheinander geöffnet,
womit beide Anschlüsse
der Pockelszelle mit einer durch R1 und CS1 bzw. durch R2 und CS2
vorgegebenen Zeitkonstante wieder auf den Wert der anliegenden Hochspannung
gezogen werden. In dem Zeitabfolgediagramm von 1b wird dies als Nachladephase bezeichnet.
Der Widerstand RBAL dient zur Verbesserung der Pulsform während der Zeit,
zu welcher der Schalter S1 geschlossen, und der Schalter S2 offen
ist. Das Zeitabfolge-Diagramm zeigt die zeitliche Abfolge der Schalterzustände und die
daraus resultierende, an der Pockelszelle anliegende Spannung.
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Eine
weitere Variante nach dem Stand der Technik ist in 2 gezeigt. Dies ist ein einfacher Push-Pull-Schalter,
wobei jeweils ein Schalter geschlossen, ein Schalter offen ist.
Wenn Schalter S1A geschlossen und Schalter S1B offen ist, so ist
die Pockelszelle spannungslos. Im umgekehrten Fall liegt die gesamte
Hochspannung an der Pockelszelle an. Das Zeitabfolge-Diagramm zu
dieser Variante zeigt das Schalten der bei den Schalter im gleichen
Augenblick an. Denkbar ist auch, dass beispielsweise Schalter S1B
wenige Nanosekunden vor dem Schließen von Schalter S1A geöffnet wird.
Die Spannung würde
sich dann erst ändern,
wenn Schalter S1A schließt.
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Ein
Pockelszellentreiber nach 1a hat
die folgenden Nachteile
- (a) Wenn nur einer
der Schalter S1 oder S2 geschlossen ist, so liegt nicht die volle
Versorgungsspannung an der Pockelszelle an, sondern nur der durch
das Kapazitätsverhältnis k
= CS2/CP gegebene Anteil. Man muss also eine höhere Versorgungsspannung HV
anlegen, was einen entsprechend höheren Energieverbrauch pro
Schaltvorgang bewirkt.
- (b) Versucht man, das Kapazitätsverhältnis zu vergrößern, indem
man Kondensatoren parallel zu den Schaltern anordnet, so erreicht
man zwar eine höhere
Spannung an der Pockelszelle pro angelegte Spannung, man vergeudet
aber Energie zum Aufladen der parallel geschalteten Kondensatoren.
- (c) Da die Zeit, während
der ein Schalter geschlossen ist (Schließzeit) normalerweise fest vorgegeben
ist, bestimmt dies auch die maximale Zeit, zu welcher man eine wohl
definierte Spannung an die Pockelszelle anlegen kann.
- (d) Umgekehrt bedeutet eine fest eingestellte Schließzeit der
Schalter, dass je nach dem Zeitunterschied des Wieder-Öffnens an
der Pockelszelle eine endliche Spannung während des Nachladevorgangs
anliegt. Auch wenn beide Schalter gleichzeitig öffnen, so müssten die Zeitkonstanten der
RC-Glieder R1/CS1 und R2/CS2 sehr präzise abgeglichen werden, um
ein Auseinanderlaufen der Spannungen an beiden Seiten der Pockelszelle
während
der Nachladephase zu verhindern. Jedoch ist außer zu Zeiten, wenn die vollständige Betriebsspannung
an der Pockelszelle anliegen soll, eine anliegende Restspannung
an der Pockelszelle unerwünscht.
Bei Verwendung von optischen Verstärkern mit hohem Verstärkungsgrad kann
eine auf diese Weise hervorgerufene Resttransmission des Lichtschalters
die Funktion des Lasersystems z.B. durch Hintergrundstrahlung beeinträchtigen.
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Ein
Pockelszellentreiber nach 2 vermeidet
eine Restspannung während
eines Nachladevorgangs, ebenso liegt im angeschalteten Zustand,
d.h. wenn Schalter S1B geschlossen, S1A offen ist, die volle Versorgungsspannung
an der Pockelszelle an, wodurch nicht unnütz Energie vergeudet wird.
Jedoch kann normalerweise die Zeit zwischen dem Schließen und Öffnen eines
Schalters nicht beliebig kurz gewählt werden, wodurch die Zeit,
bei welcher Spannung an der Pockelszelle anliegt, nicht unterhalb
eines bestimmten Minimalwertes gewählt werden kann. 100 Nanosekunden
sind hier ein typischer Wert.
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Der
Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Pockelszellentreiber
anzugeben, welcher hohe Wiederholraten bei beliebigem Taktverhältnis und
einwandfrei eingehaltenen Schaltzuständen gewährleistet. Insbesondere ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Ansteuerung
von Pockelszellen anzugeben, die eine Selektion von Laserimpulsen
mit kurzen Schaltzeiten, hoher Schaltrate und hohem Kontrast zwischen selektierten
und nicht selektierten Laserpulsen gewährleistet. Es ist ferner Aufgabe
der Erfindung, Verwendungen dieser Pockelszellen für Lasersysteme, die
kurze und ultrakurze Laserpulse mit hoher Energie und minimaler
Hintergrundstrahlung erzeugen, sowie mögliche Anwendungen dieser Lasersysteme anzugeben.
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Diese
Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Geht
man von der bekannten und oben beschriebenen H-Konfiguration eines Pockelszellentreibers
aus, in der zwei Nachladewiderstände
enthalten sind, so werden nun erfindungsgemäß einer oder beide Nachladewiderstände durch
parallel ge schaltete Schalter ergänzt oder durch diese Schalter
vollständig
ersetzt.
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Ohne
Bezugnahme auf die bekannte H-Konfiguration lässt sich der erfindungsgemäße Treiber
in seiner allgemeinsten Form wie folgt beschreiben. Der Treiber
weist einen ersten Schaltungsknoten auf, der mit einem ersten Anschluss
der Pockelszelle zu verbinden ist, und einen zweiten Schaltungsknoten,
der mit einem zweiten Anschluss der Pockelszelle zu verbinden ist.
Der erste Schaltungsknoten ist durch eine erste Leitung mit einem
ersten Potential und durch eine zweite Leitung über einen ersten (Hochspannungs-)Schalter
mit einem zweiten Potential verbunden. Der zweite Schaltungsknoten
ist durch eine dritte Leitung mit dem ersten Potential und durch
eine vierte Leitung über
einen zweiten (Hochspannungs-)Schalter mit dem zweiten Potential
verbunden. In einer derartigen Treiberschaltung ist nunmehr noch
mindestens ein weiterer (Hochspannungs-)Schalter enthalten, über den
einer der beiden Schaltungsknoten mit dem ersten Potential verbunden
ist.
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Dabei
kann das erste Potential durch einen Pol einer Spannungsquelle oder
Masse und das zweite Potential ebenso durch Masse oder durch den anderen
Pol der Spannungsquelle gegeben sein.
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Für die Anordnung
eines oder zweier weiterer Schalter gibt es verschiedene Möglichkeiten.
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So
kann die bekannte H-Konfiguration im wesentlichen beibehalten werden
und es können
in der den ersten Schaltungsknoten mit dem ersten Potential verbindenden
ersten Leitung und der den zweiten Schaltungsknoten mit dem ersten
Potential verbindenden dritten Leitung Nachladewiderstände angeordnet
werden. Der weitere Schalter kann dann zu einem der Nachladewiderstände parallelgeschaltet
und in einer fünften
Leitung zwischen einem Schaltungsknoten und dem ersten Potential
angeordnet werden.
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In
Erweiterung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann auch zu dem
zweiten Nachladewiderstand ein weiterer Schalter parallelgeschaltet
und in einer sechsten Leitung zwischen dem anderen Schaltungsknoten
und dem ersten Potential angeordnet werden.
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Anstelle
der Parallelschaltung zu einem oder beiden der Nachladewiderstände können einer
oder beide Nachladewiderstände
auch durch die Schalter ersetzt werden.
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Durch
den erfindungsgemäßen Pockelszellen-Treiber
wird das Problem der Restspannung an der Pockelszelle vermieden
und es können
höhere Schaltraten
im Bereich von 100-200 kHz erzielt werden, während durch konventionelle
Treiber lediglich maximal 50 kHz erzielbar sind.
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Durch
die erfindungsgemäßen Treiber
angesteuerte Pockelszellen können
in vorteilhafter Weise in Lasersystemen eingesetzt werden. Zum einen können die
erfindungsgemäß angesteuerten
Pockelszellen innerhalb des Laserresonators als Güteschalter
eingesetzt werden. Des Weiteren können sie außerhalb des Laserresonators
zur Impulsselektion verwendet werden. In dieser Eigenschaft können sie beispielsweise
zwischen der Laserstrahlquelle und einem optischen Verstärker eingesetzt
werden. Sie können
jedoch auch innerhalb des optischen Verstärkers eingesetzt werden (regenerativer
optischer Verstärker).
Die vorgenannten Anwendungen können auch
kumulativ innerhalb eines Lasersystems eingesetzt werden, so dass
das Lasersystem eine Mehrzahl von erfindungsgemäß angesteuerten Pockelszellen
enthält.
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Eine
weiterführende
Anwendung derartiger Lasersysteme ist die Erzeugung bestimmter gewünschter
Impulsfolgen mit oder ohne nachgeschalteten Verstärker, um
damit bestimmte Verfahren im Bereich der Materialbearbeitung oder
der Anregungs-/Abfrage- Experimente
(pump-probe) zu ermöglichen
oder unter vereinfachtem Aufwand durchzuführen.
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Im
folgenden sind Ausführungsbeispiele
für einen
erfindungsgemäßen Treiber
und ein Lasersystem in den Zeichnungsfiguren dargestellt. Es zeigen
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1a, b eine Treiberschaltung
nach dem Stand der Technik (a) und Schalterstellungen und Potentialverläufe im Betriebszustand
(b);
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2 eine weitere Treiberschaltung
nach dem Stand der Technik ("Push-Pull") (a) und Schalterstellungen
und Potentialverläufe
im Betriebszustand (b);
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3a, b eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Treibers
(a) und Schalterstellungen und Potentialverläufe im Betriebszustand (b);
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4 eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Treibers;
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5a, b zwei verschiedene
Betriebsmodi A und B der in 4 gezeigten
Ausführungsform;
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6 eine Ausführungsform
für ein
Lasersystem umfassend eine Laserstrahlquelle und eine von einem
erfindungsgemäßen Treiber
angesteuerte Pockelszelle.
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In
der ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Treibers
gemäss
der 3a wird die bekannte
H-Konfiguration insoweit abgeändert,
als dass einem der Nachladewiderstände, nämlich dem Nachladewiderstand
R2, ein Hochleistungsschalter S2B parallelgeschaltet wird. Der Hochleistungsschalter
S2B weist eine parasitäre
Kapazität
CS2B auf, die in eine gestrichelten Leitung eingezeichnet ist.
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Die
Betriebsweise des Treibers der 3a ist
in der 3b dargestellt.
Der Schalter S2B muss vor dem Schließen des Schalters S1 geschlossen sein.
Schließt
man nun den Schalter S1, so liegt die volle Versorgungsspannung
an der Pockelszelle an. Zeitgleich mit dem Schließen des
Schalters S2A, wodurch das Abschalten der Pockelszelle bewirkt wird, wird
der Schalter S2B wieder geöffnet,
um dann während
der Nachladephase wieder geschlossen zu werden.
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In
einer weiteren, in der 4 dargestellten Ausführungsform
werden beide in der H-Konfiguration vorgesehenen Nachladewiderstände durch
die Schalter S1B und S2B ersetzt. Die Schaltungsknoten SK1 und SK2
sind somit durch jeweils eine einzige Leitung (die erste und die
dritte Leitung), in der jeweils ein Schalter (S1B, S2B) enthalten
ist, mit dem Spannungsanschluss HV verbunden. Die Ausführungsform
der 4 ist somit gewissermaßen eine Verdoppelung
des in 2 gezeigten Push-Pull-Schalters.
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Erfindungsgemäß kann man
alle vier Schalter durch vier einzelne Steuersignale ansteuern,
beispielsweise mit Delay-Generatoren,
welche volle Freiheit bei den Zeiten der einzelnen Schaltvorgänge lassen.
Dies erlaubt z.B. alternierend Pulse mit unterschiedlichen Eigenschaften.
Genauso ist es möglich, wie
in 5a, b vorgesehen,
mit nur zwei Ansteuersignalen AN und AUS zu arbeiten, wenn eine
Schaltung vorgesehen wird, welche jeden der zwei Ansteuerpulse abwechselnd
einem von zwei Schaltern zuordnet. Die 5a, b zeigen zwei Varianten, wie je zwei
Steuerpulse Zustände
der vier Schalter bewirken könnten,
wobei jeweils die positiven Flanken der Steuerpulse benutzt werden,
um entsprechende Änderungen
des Schaltersystems zu bewirken. Die detaillierte Ausführung einer
solchen Ansteuerung entspricht dem Stand der Technik und wird deshalb
hier nicht besprochen.
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Man
erhält
somit einen Pockelszellentreiber, welcher schlecht definierte Spannungszustände an der
Pockelszelle während
des Nachladevorgangs vermeidet. In den 5a, b sind zwei verschiedene Betriebsarten
A, B für
einen Treiber der 4 dargestellt.
Dabei werden Steuerpulse AN und AUS verwendet, um die Schalter S1A,
S1B, S2A und S2B an- und auszuschalten. Gemäss der 5a (Betriebsmodus A) wird der Steuerpuls
AN stets den Schaltern S1A und S1B zugeführt und bewirkt einen Wechsel von
deren Schalterstellungen. Ebenso wird ein Steuerpuls AUS stets den
Schaltern S2A und S2B zugeführt
und bewirkt ebenso einen Wechsel von deren Schalterstellungen. Gemäss der 5b (Betriebsmodus B) werden
die Steuerpulse AN und AUS jeweils im Wechsel einmal dem Schalterpaar
S1A/S1B und das darauffolgende Mal dem Schalterpaar S2A/S2B zugeführt.
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Wie
man anhand 5a, b leicht
nachvollziehen kann, wird das bei einem Pockelszellentreibern gemäss 1a vorhandene Problem der
Restspannung an der Pockelszelle (im ausgeschalteten Zustand) bei
der Ausführungsform
nach 4 sicher vermieden.
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Bei
beiden Betriebsarten erreicht man, wenn man eine der Zustandsfolgen
von Betriebsmodus A oder Betriebsmodus B verwendet, eine doppelte Pulsfolgefrequenz
an der Pockelszelle bei nur halber Taktrate der Hochspannungsschalterpaare
SlA/S1B und S2A/S2B. Im Normalfall wird man keinen Unterschied zwischen
Betriebsmodus A und Betriebsmodus B feststellen können, da
die Wirkung der Pockelszelle auf durchgehendes Licht nicht von der
Polarität
der angelegten Spannung abhängt.
In den Zeitabfolge-Diagrammen wird immer das Öffnen eines Schalters exakt
synchron zum Schließen
des Gegenschalters gezeigt, z.B. S1A und S1B, es ist aber auch möglich, beispielsweise
S1B einige Nanosekunden vor dem Schließen von S1A zu öffnen.
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Die
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Ansteuerung der Pockelszelle in einem Lasersystem ermöglicht neue
Konfigurationen von Ultrakurzpulslasern, welche nach dem derzeitigen
Stand der Technik nicht oder nur unzureichend funk tionieren, beispielsweise
weil ihre Funktion durch Hintergrundstrahlung beeinträchtigt wird.
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Eine
erfindungsgemäß angesteuerte
Pockelszelle kann, wie in 6 dargestellt,
zur Impulsselektion zwischen einer Laserstrahlquelle 1 und
einer Vorrichtung mit hoher Verstärkung eingesetzt werden und
gewährleistet
eine effiziente Energieabgabe an die selektierten Impulse. Wird
beispielsweise eine Laserstrahlquelle mit einer Wiederholrate von 60
MHz verwendet, so lassen sich erfindungsgemäß durch eine von einem Treiber 2A angesteuerte
Pockelszelle 2 Pulse mit einer Schaltrate von 100-200 kHz
und einem Kontrast von 3000:1 selektieren. Die mittlere Leistung
der selektierten Pulse ist damit 10-fach höher als die der verbleibenden
Hintergrundstrahlung. Die Verstärkung
der selektierten Pulse verbessert sich um einen Faktor 100, verglichen
mit Vorrichtungen, die Pockelszellen mit Ansteuerungen nach dem
derzeitigen Stand der Technik verwenden. Zwischen der Pockelszelle 2 und
dem optischen Verstärker 4 ist
ein polarisationsabhängiges
optisches Element 3 vorgesehen, welches so steht, dass
es eine Polarisationsrichtung zum Verstärker 4 passieren lässt, während die
andere, senkrecht dazu stehende Polarisationsrichtung reflektiert
wird.
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Bei
der Ausführungsform
der 6 ist die Pockelszelle
außerhalb
des Laserresonators angeordnet. Eine erfindungsgemäß angesteuerte
Pockelszelle kann jedoch aufgrund des hohen Kontrastes und der schnellen
Schaltzeiten zur Impulsselektion auch direkt im Resonator der Laserstrahlquelle
als Güteschalter
verwendet werden. In Kombination mit einem polarisierenden Element
wird durch Veränderung
der Hochspannung an der Pockelszelle die Güte des Resonators innerhalb
einer Umlaufzeit stark verändert.
Die Pulse laufen dann bei ausgeschalteter Pockelszelle mehrfach
im Resonator zwischen vollreflektierenden Endspiegeln um und werden
dann in an sich bekannter Weise bei angeschalteter Pockelszelle
durch ein polarisationsabhängiges
optisches Element ausgekoppelt. Auf diese Weise können Pulse
mit höherer
Energie selektiert werden, als das bisher möglich ist.
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Als
weitere Variante kann die erfindungsgemäß angesteuerte Pockelszelle
innerhalb des Resonators des optischen Verstärkers 4 angeordnet
werden. Auch hier können
Pulse nach mehrmaligem Umlauf im Resonator geeignet verstärkt und
dann durch Anschalten der Pockelszelle mittels eines polarisationsabhängigen optischen
Elementes ausgekoppelt werden.
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Die
in der 6 dargestellte
Pockelszelle 2 kann somit zugunsten der im Verstärker enthaltenen Pockelszelle
auch weggelassen werden. Es sind jedoch auch beliebige Kombinationen
der vorgenannten Anwendungsfälle
von erfindungsgemäß angesteuerten
Pockelszellen innerhalb des Lasersystems der 6 vorstellbar.
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Eine
erfindungsgemäß angesteuerte
Pockelszelle kann zur Selektion von zwei schnell aufeinanderfolgenden
Laserpulsen mit hoher Schaltrate (z.B. 100 kHz) verwendet werden.
Der zeitliche Abstand Δt
dieser Doppelpulse kann variabel zwischen einer Mindestschaltzeit
von ca. 30 ns und der Zeit bis zum nächsten Schaltvorgang (in diesem
Beispiel 10 μs)
eingestellt werden. Der erste Puls kann zur Anregung eines elektronischen
Zustands dienen, der zweite Puls zur Abfrage oder Modifizierung
des Zustands. Der zweite Puls bewirkt ein Signal, beispielsweise
die transmittierte oder reflektierte Lichtintensität des zweiten
Pulses oder einen elektrischen Strom, und die Signalstärke wird
in Abhängigkeit
von der zeitlichen Verzögerung
zwischen Anregungs- und Abfragepuls gemessen. Solche den Fachleuten als
sog. Pump-Probe- (Anregung-Abfrage-) Anordnungen bekannten Verfahren
können
nach dem bisherigen Stand der Technik nur mit erheblich größerem apparativen
Aufwand realisiert werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Lasersystem,
das Doppelpulse mit hoher Schaltrate, einstellbarem Abstand der
beiden Pulse zueinander und einstellbarer Anzahl der selektierten
Pulse pro Schaltvorgang erzeugt, kann in vorteilhafter Weise bei
der Materialbearbeitung dahingehend ausgenutzt werden, um durch
einen oder mehrere erste Laserpulse die Eigenschaften einer Materialoberfläche zu modifizieren und
nach einer definierten Zeit diese Oberfläche durch einen oder mehrere
Folgepulse zu bearbeiten. Beispielsweise kann durch einen ersten
Einschalt-Puls an
der Pockelszelle ein einziger Laserpuls ausgekoppelt werden, welcher
eine Plasmawolke über
einem zu bearbeitendem Werkstück
erzeugt, und ein zweiter, längerer
Einschalt-Puls an der Pockelszelle kann einen ganzen Zug von Laserpulsen durch
die Plasmawolke passieren lassen.