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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem in einer MOPA-Konfiguration.
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STAND DER TECHNIK
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In einem Lasersystem einer MOPA-(Master-Oszillator-Leistungsverstärker)Konfiguration, worin Verstärker in einer Mehrfachstufenkonfiguration sind, werden spontane Emissionen zwischen verschiedenen Pegeln wegen Pumpen in den Verstärkern generiert und ausgegeben. Wegen dem spontan emittierten Licht wird eine induzierte Emission generiert und verstärkt, wodurch Strahlen in Richtungen ausgegeben werden, die die gleichen wie die oder entgegengesetzt zu der Richtung sind, in der ein ursprünglich geforderter Laserstrahl vorrückt. Hierin nachstehend werden diese Strahlen als spontan verstärkte Strahlen bezeichnet. Es war ein Problem, dass bei Eintritt in den benachbarten Verstärker der spontan verstärkte Strahl die Verstärkung des Verstärkers reduziert, wodurch die Ausgabe des ursprünglich geforderten Laserstrahls reduziert wird.
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In einigen in der Kommunikation verwendeten Lasersystemen, in einer MOPA-Konfiguration mit einem Oszillator geringer Energie, ist ein akustooptischer Modulator zwischen benachbarten Verstärkern zwischengestellt, um so das vorangehende Problem zu verhindern (siehe z. B.
JP H10-268 369 A ).
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Anders als ein Lasersystem in einer MOPA-Konfiguration wird ein Lasersystem genutzt, in dem als ein Verstärker ein Resonator einbezogen wird. Unter den vorangehenden Systemen, in denen, indem veranlasst wird, dass ein Impulslaserstrahl, der von einem Oszillator ausgegeben wird, in einen instabilen Resonator eintritt und der Impulslaserstrahl in dem instabilen Resonator verstärkt wird, ein Impulslaserstrahl hoher Leistung erhalten wird, gibt es ein Impulslasersystem hoher Ausgabe, in dem um zu verhindern, dass ein oszillierter Laserstrahl kontinuierlicher Welle in einen instabilen Resonator entweicht, wobei dadurch die Verstärkung des Oszillators reduziert wird, die EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters für den Verstärker hergestellt wird, hinter der EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters für den Oszillator nachzueilen (siehe z. B.
JP 2001-308 427 A ).
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JP H05-005 912 A offenbart einen mehrstufigen optischen Verstärker, bei dem ein Signallichtimpuls über mehrere optische Verstärker hinweggeführt wird, wobei ein mit dem Signallichtimpuls synchronisiertes Schaltsignal einen optischen Schalter ansteuert, der zwischen den Verstärkern angeordnet ist und nur während der synchronisierten Zeitspanne eine Weiterleitung des bereits verstärkten Signallichtimpulses zum zweiten Verstärker zulässt.
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DE 198 48 105 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung von Laserimpulsen, bei denen ein erzeugter Laserimpuls durch einen optischen Schalter geführt wird, dessen Öffnungszeit auf der Grundlage von zwei Referenzzeiten eingestellt wird. Die beiden Referenzzeiten werden bezogen auf den Laserimpuls ermittelt, wozu optische Detektoren eingesetzt werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Hierin nachstehend wird eine Vielzahl von Verstärkern (einschließlich eines Falls, wo nur ein Verstärker existiert) gemeinsam als eine Verstärkungsstufe bezeichnet. Gemäß der obigen Prozedur wird außerdem ein Oszillator je nach Notwendigkeit als eine Oszillationsstufe bezeichnet.
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In einem Lasersystem, das in
JP H10-268 369 A offenbart wird, wird hinsichtlich Operationszeitsteuerungen des Q-Schalters einer Verstärkungsstufe und des Q-Schalters einer Oszillationsstufe nichts offenbart; deshalb ist ungewiss, wie die Verstärkungsverringerung der Verstärkungsstufe zu verhindern ist. In dem Fall eines Lasersystems, wie des Lasersystems, das in
JP H10-268 369 A offenbart wird, das einen Oszillator geringer Energie einbezieht, kann, wie in
JP 2001-308 427 A offenbart, durch Herstellen der Zeitsteuerung, wenn sich der Q-Schalter der Verstärkungsstufe öffnet, der Zeitsteuerung nachzueilen, wenn sich der Q-Schalter der Oszillationsstufe öffnet, ein spontan verstärkter Strahl von der Verstärkungsstufe unterdrückt werden. Dieses Verfahren wird nachstehend mit Verweis auf
13 erläutert.
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13 ist eine Grafik, die zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in einer Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in einem Q-Schalter der Verstärkungsstufe darstellt. Hier ist der Resonatorverlust eine Kombination des Verlustes in einem Spiegel teilweiser Reflexion, der in einen Resonator einbezogen ist, und des Verlustes in einem Q-Schalter in dem Resonator. Der Verlust in einem Spiegel teilweiser Reflexion ist stets konstant; deshalb hängt der Resonatorverlust von dem Betrag einer Änderung in dem Q-Schalterverlust ab.
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In 13 bezeichnet T1 einen Zeitpunkt, wenn sich der Q-Schalter der Oszillationsstufe öffnet und der Verlust in diesem Q-Schalter beginnt sich zu verringern, wodurch der Resonatorverlust beginnt abzufallen; T2 bezeichnet den Zeitpunkt, wenn sich der Q-Schalter der Verstärkungsstufe öffnet und der Verlust in diesem Q-Schalter beginnt abzufallen; T3 bezeichnet den Zeitpunkt, wenn die Laserverstärkung der Oszillationsstufe den Resonatorverlust der Oszillationsstufe erreicht und ein Impulslaserstrahl beginnt zu wachsen; T4 bezeichnet den Zeitpunkt, wenn der Q-Schalter der Oszillationsstufe vollständig geöffnet ist und der Abfall des Resonatorverlustes endet; T5 bezeichnet den Zeitpunkt, wenn der Q-Schalter der Verstärkungsstufe vollständig geöffnet ist und der Abfall des Verlustes in diesem Q-Schalter endet; und T6 bezeichnet den Zeitpunkt, wenn das Wachstum des Impulslaserstrahls auffällig wird und die Oszillationsstufe beginnt, den Impulslaserstrahl auszugeben.
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Da im allgemeinen die Verstärkung der Oszillationsstufe geringer Energie niedrig ist, wächst die Laserverstärkung allmählich, wie in 13 dargestellt, wodurch eine gewisse Zeitspanne für den Resonatorverlust notwendig ist, die Laserverstärkung (T2) zu erreichen, nachdem sich der Q-Schalter der Oszillationsstufe öffnet (T1). Außerdem beginnt ein Impulslaserstrahl von T3 an zu wachsen; wenn die Verstärkung gering ist, ist die Geschwindigkeit des Wachstums gering, wodurch die Aufbauzeit τb lang ist. Indem veranlasst wird, dass T2 T1 nacheilt, kann der Q-Schalter der Verstärkungsstufe geschlossen gehalten werden, bis der Impulslaserstrahl die Verstärkungsstufe erreicht; es ist deshalb möglich zu verhindern, dass ein spontan verstärkter Strahl in andere Verstärker eintritt und die Verstärkung der Verstärkungsstufe reduziert wird, bevor der Impulslaserstrahl die Verstärkungsstufe erreicht.
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Unterdessen hat in den letzten Jahren eine maschinelle Bearbeitung zugenommen, die hohe Energie erfordert, wodurch für eine Bearbeitung oder dergleichen ein Lasersystem gewünscht wurde, das in einer MOPA-Konfiguration ist und einen Laserstrahl hoher Energie ausgeben kann. Um ein derartiges Lasersystem zu realisieren, ist es unabdinglich, einen Laseroszillator hoher Verstärkung zu entwickeln. Bei der Entwicklung eines Laseroszillators hoher Verstärkung hat der Erfinder herausgefunden, dass die folgenden Probleme in einem Lasersystem in einer MOPA-Konfiguration durch die Erscheinung gestellt werden, dass je höher die Verstärkung eines Laseroszillators wird, desto kürzer die Dauer von T1 bis T3 und die Aufbauzeit τb werden.
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In dem Fall, wo die Verstärkung eines Laseroszillators hoch ist, werden zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe in 14 dargestellt. T1 bis T6 in 14 zeigen die gleichen Zeitpunkte wie jene in 13 an.
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Wie in 14 dargestellt, steigt in dem Fall, wo die Verstärkung der Oszillationsstufe hoch ist, der Laserstrahl so steil an, dass die Dauer von dem Zeitpunkt, wenn sich der Q-Schalter öffnet, bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Resonatorverlust die Laserverstärkung erreicht, d. h. die Dauer von T1 bis T3, kürzer wird. Außerdem beginnt ein Impulslaserstrahl von T3 an zu wachsen; wenn die Verstärkung hoch ist, ist die Geschwindigkeit des Wachstums rasch, wodurch die Aufbauzeit τb kurz ist. Entsprechend tritt die Erscheinung auf, dass vor dem Zeitpunkt T4 das Wachstum des Impulslaserstrahls endet, d. h. die Ausgabe des Impulslaserstrahls von der Verstärkungsstufe endet. In dieser Situation tritt in dem Fall, wo T2 veranlasst wird, T1 nachzueilen, wie es der Fall mit einem Oszillator geringer Verstärkung ist, der Impulslaserstrahl in die Verstärkungsstufe vor T5 ein, d. h. der Impulslaserstrahl tritt in die Verstärkungsstufe ein, bevor sich der Q-Schalter der Verstärkungsstufe vollständig öffnet. Die vorangehende Tatsache stellt ein Problem dar, dass der Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe erzeugt wird, wodurch sich die Ausgabe der Verstärkungsstufe verringert.
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Außerdem wird in dem Fall eines Laseroszillators mit einer höheren Verstärkung die Dauer von T1 bis T6 kürzer; diese Tatsache stellt ein Problem dar, dass der Impulslaserstrahl in die Verstärkungsstufe vor T2 eintritt, d. h. der Impulslaserstrahl erreicht die Verstärkungsstufe, bevor sich der Q-Schalter der Verstärkungsstufe öffnet, wodurch der Impulslaserstrahl nicht in die Verstärkungsstufe eintritt und der Laserstrahl nicht von der Verstärkungsstufe emittiert wird.
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In diesem Fall kann z. B. die Dauer von dem Zeitpunkt, wenn der Q-Schalter der Verstärkungsstufe beginnt sich zu öffnen, bis zu dem Zeitpunkt, wenn sich der Q-Schalter der Verstärkungsstufe vollständig öffnet, d. h. die Dauer von T2 bis T5 (hierin nachstehend auch als eine Abfallzeit τf bezeichnet) kürzer als die Dauer gemacht werden, in der der Impulslaserstrahl wächst, d. h. die Dauer von T1 bis T6. 15 ist z. B. ein Diagramm, das eine zeitliche Änderung in dem Resonatorverlust in der Oszillationsstufe und dergleichen in dem Fall darstellt, wo die Abfallzeit τf Null ist. Mit einer Konfiguration, wie sie in 15 dargestellt ist, wird für den Impulslaserstrahl Vorkehrung getroffen, in die Verstärkungsstufe einzutreten, nachdem sich der Q-Schalter der Verstärkungsstufe vollständig öffnet.
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Es ist jedoch unmöglich, die Konfiguration, wie in 15 dargestellt, für ein Lasersystem hoher Energie zu realisieren. In dem Fall eines Laserstrahls hoher Energie enthalten Q-Schalter hoher Geschwindigkeit, die hohe Energie behandeln können, einen akustooptischen Modulator (hierin nachstehend als ein A/O-Element bezeichnet). Durch Nutzen der Tatsache, dass ein A/O-Element als ein Beugungsgitter funktioniert, wenn sich Ultraschall durch das A/O-Element ausbreitet, wird das A/O-Element hergestellt, als ein Schaltelement zu arbeiten. Die Abfallzeit τf eines Q-Schalters des A/O-Elementes ist gleich der Zeit, in der eine Schallwelle, die sich durch den Q-Schalter des A/O-Elementes ausbreitet, den Strahldurchmesser eines Laserstrahls passiert, der den Q-Schalter des A/O-Elementes passiert. In dem Fall eines Laserstrahls hoher Energie ist es nicht zulässig, den Laserstrahl so extrem einzuengen, um das optische System zu beschädigen; deshalb kann der Laserstrahl höchstens bis 1 mm im Durchmesser herab eingeengt werden. Da die Geschwindigkeit einer Schallwelle in einem A/O-Element ungefähr 6 km/s ist, ist die Zeit, in der die Schallwelle den Durchmesser des Laserstrahls passiert, ungefähr 200 ns.
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In dem Fall einer Oszillationsstufe hoher Verstärkung erreicht unterdessen die Dauer von T1 bis T6 mehrerer Dutzend Nanosekunden, und die Abfallzeit kann bis höchstens ungefähr mehrere Male so lang wie die Zeit (von T1 bis T6) herab verkürzt werden, in der der Impulslaserstrahl wächst. Mit anderen Worten wird die Bedingung aufrechterhalten, die in 14 dargestellt wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde implementiert, um die vorangehenden Probleme zu lösen; es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, dass durch Bereitstellung in einem Lasersystem in einer MOPA-Konfiguration eines Q-geschalteten Laseroszillators hoher Verstärkung und hoher Energie, selbst wenn die Dauer von dem Zeitpunkt, wenn sich der Q-Schalter der Oszillationsstufe öffnet, bis zu dem Zeitpunkt, wenn ein Impulslaserstrahl wächst und der Laseroszillator beginnt, den Impulslaserstrahl auszugeben, kürzer als die Abfallzeit τf des Q-Schalters der Verstärkungsstufe ist, der Verlust in dem Impulslaserstrahl in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe verhindert wird, während die Verstärkungsverschlechterung wegen einem spontan verstärkten Strahl, der in der Verstärkungsstufe erzeugt wird, unterdrückt wird.
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Dieses Ziel wird erreicht durch ein Lasersystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Steuerverfahren für ein Lasersystem mit den Schritten gemäß Patentanspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäße Lasersystems ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10.
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In einem Lasersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Einstellung auf eine derartige Weise implementiert, dass die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe um eine vorbestimmte Zeit nacheilt; deshalb wird der Verlust in dem Impulslaserstrahl in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe verhindert, während die Verschlechterung in den Verstärkungen des Verstärkers und des Oszillators wegen einem spontan verstärkten Strahl, der in der Verstärkungsstufe erzeugt wird, unterdrückt wird, wodurch die Verschlechterung in der Laserausgabe verhindert werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm, das ein Lasersystem gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2 ist eine Menge von Grafiken, die zeitliche Änderungen in Signalen zum Steuern der Operation der Q-Schalter in einem Lasersystem gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellen;
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3 ist eine Menge von Grafiken hinsichtlich eines Lasersystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, die mit einem Laseroszillator hoher Verstärkung versehen ist, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe darstellen;
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4 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Lasersystem gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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5 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Lasersystem gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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6 ist eine Menge von Grafiken hinsichtlich eines Lasersystems, das mit einem Laseroszillator geringer Verstärkung versehen ist, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe darstellen;
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7 ist eine Menge von Grafiken hinsichtlich eines Lasersystems gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, die zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe darstellen;
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8 ist eine Ansicht, die einen Q-Schalter eines Lasersystems gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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9 ist eine Menge von Ansichten, die einen Q-Schalter eines Lasersystems gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
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10 ist eine Menge von Grafiken hinsichtlich eines Lasersystems gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung, die zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust in der Oszillationsstufe und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe darstellen;
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11 ist ein Blockdiagramm, das ein Lasersystem gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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12 ist eine Menge von Diagrammen, die Strahlprofile eines Laserstrahls und eines spontan verstärkten Strahls in einem Lasersystem gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
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13 ist eine Menge von Grafiken hinsichtlich eines konventionellen Lasersystems, das mit einem Laseroszillator geringer Verstärkung versehen ist, die zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe darstellen;
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14 ist eine Menge von Grafiken hinsichtlich eines konventionellen Lasersystems, das mit einem Laseroszillator hoher Verstärkung versehen ist, die zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe darstellen; und
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15 ist eine Menge von Grafiken, die zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe darstellen, unter einer Annahme, dass in einem konventionellen Lasersystem, das mit einem Laseroszillator hoher Verstärkung versehen ist, die Abfallzeit des Q-Schalters der Verstärkungsstufe Null ist.
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BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Ausführungsform 1.
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1 ist ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines Lasersystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung; das Lasersystem ist in einer MOPA-Konfiguration, die aus einer Oszillationsstufe mit einem einzelnen Oszillator und einer Verstärkungsstufe mit drei Verstärkern besteht. In 1 bezeichnet Bezugszeichen 16a ein Lasermedium einer Oszillationsstufe; Bezugszeichen 16b, 16c und 16d bezeichnen jeweilige Lasermedien einer Verstärkungsstufe; Bezugszeichen 19a bis 19d bezeichnen jeweilige Pumpquellen zum Pumpen der Lasermedien 16a bis 16d. In dem Fall eines Gaslasers, in dem ein Lasergas, wie etwa CO2, als das Lasermedium genutzt wird, funktionieren Entladungselektroden als eine Pumpquelle; in dem Fall eines Festkörperlasers, in dem ein Festkörperlasermedium, wie etwa ein YAG, als das Lasermedium genutzt wird, funktioniert eine Lampe oder eine Laserdiode als eine Pumpquelle.
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In der Oszillationsstufe konfigurieren ein Spiegel totaler Reflexion 14 und ein Spiegel teilweiser Reflexion 15 einen Resonator; Pumpen des Lasermediums 16a durch die Pumpquelle 19a verursacht Laseroszillation, wodurch ein Laserstrahl 18 von dem Spiegel teilweiser Reflexion 15 ausgegeben wird. Außerdem ist ein Q-Schalter 13a zwischen dem Spiegel totaler Reflexion 14 und dem Lasermedium 16a eingefügt; ein Q-Schalter 13b ist zwischen dem Spiegel teilweiser Reflexion 15 und dem Lasermedium 16a eingefügt. Das Lasersystem ist auf eine derartige Weise konfiguriert, dass durch das Öffnen und Schließen der Q-Schalter 13a und 13b ein Impulslaserstrahl oszilliert wird. Hierin nachstehend werden die Q-Schalter 13a und 13b als erste Q-Schalter oder Q-Schalter der Oszillationsstufe bezeichnet.
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In dieser Situation ist der Laseroszillator ein Typ hoher Verstärkung und wird z. B. durch einen Oszillator beispielhaft dargestellt, in dem die Verstärkung pro Pendelbewegung innerhalb des Oszillators 2,8 oder größer ist und die Beugungseffizienz pro A/O-Element 30% oder höher ist.
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In der Verstärkungsstufe ist ein Q-Schalter 13c zwischen der Oszillationsstufe und dem Lasermedium 16b vorgesehen; ein Q-Schalter 13d zwischen dem Lasermedium 16b und dem Lasermedium 16c; ein Q-Schalter 13e zwischen dem Lasermedium 16c und dem Lasermedium 16d. Während die Q-Schalter 13c, 13d und 13e geöffnet sind (hierin nachstehend wird der Zustand, in dem der Q-Schalter geöffnet ist, als ein ”Gate-EIN” bezeichnet, und eine Dauer, in der der Q-Schalter geöffnet ist, wird als eine ”Gate-EIN-Zeit τg” bezeichnet), tritt der Laserstrahl 18 in die Verstärkungsstufe ein und wird darin verstärkt. Das Lasersystem ist auf eine derartige Weise konfiguriert, dass während die Q-Schalter 13c, 13d und 13e geschlossen sind (hierin nachstehend wird der Zustand, in dem der Q-Schalter geschlossen ist, als ein ”Gate-AUS” bezeichnet, und eine Dauer, in der der Q-Schalter geschlossen ist, wird als eine ”Gate-AUS-Zeit” bezeichnet), entweicht kein spontan verstärkter Strahl 17, der in dem Verstärker erzeugt wird, in andere Verstärker oder die Oszillationsstufe. Hierin nachstehend werden die Q-Schalter 13c, 13d und 13e als zweite Q-Schalter oder Q-Schalter der Verstärkungsstufe bezeichnet.
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Sowohl die Gate-EIN-Zeitsteuerung als auch die Gate-AUS-Zeitsteuerung der ersten Q-Schalter und der zweiten Q-Schalter werden durch eine Schaltersteuereinheit abgestimmt und gesteuert. In Ausführungsform 1 wird als ein Beispiel eines Q-Schalters hoher Geschwindigkeit, der einen Laserstrahl hoher Energie handhaben kann, ein Q-Schalter erläutert, der ein A/O-Element einsetzt.
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Ein A/O-Element wird aus einem Oszillator und z. B. Quarzglas gebildet, durch Nutzen des Oszillators, das Quarzglas bei hoher Frequenz zu oszillieren, wird Ultraschall durch das Quarzglas übertragen. Der Ultraschall verursacht in dem Quarzglas Ungleichmäßigkeit in dem Brechungsindex, wodurch das Quarzglas als ein Beugungsgitter funktioniert. Durch Nutzen der Tatsache, dass wenn das Quarzglas als ein Beugungsgitter funktioniert, ein einfallendes Licht gebeugt wird und der optische Pfad gekrümmt ist, und wenn das Quarzglas nicht als ein Beugungsgitter funktioniert, ein einfallendes Licht gerade vorrückt, wird eine Schaltoperation implementiert. In 1 bezeichnen Bezugszeichen 11a, 11b, 11c, 11d und 11e Signalgeneratoren harmonischer Modulation, die jeweilige harmonische Modulationssignale Mrf's zu den Q-Schaltern 13a, 13b, 13c, 13d und 13e ausgeben, die jeder aus einem A/O-Element gebildet sind. Die Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11 werden durch eine Q-Schalter-Steuereinheit 10 gesteuert.
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Hier wird ein Fall erläutert, in dem während das A/O-Element als ein Beugungsgitter funktioniert, gebeugtes Licht durch einen Dämpfer (nicht veranschaulicht) absorbiert wird, und während das A/O-Element nicht als ein Beugungsgitter funktioniert, gerades Licht als eine Laserausgabe genutzt wird. Es ist selbstverständlich, dass das Lasersystem auf eine derartige Weise konfiguriert sein kann, dass gebeugtes Licht für Laseroszillation genutzt wird und gerades Licht durch einen Dämpfer oder dergleichen absorbiert wird. In dem Fall, wo gerades Licht genutzt wird, wird in dem normalen Modus das harmonische Modulationssignal Mrf von dem Signalgenerator harmonischer Modulation 11 zu dem Oszillator des A/O-Elementes eingegeben; die Oszillation des Oszillators überträgt Ultraschall durch das A/O-Element, das A/O-Element funktioniert als ein Beugungsgitter, Laserlicht wird gebeugt und der Q-Schalter ist in dem Gate-AUS-Modus.
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In dem Fall, wo ein Impulslaserstrahl oszilliert wird, arbeitet der Q-Schalter der Oszillationsstufe wie nachstehend beschrieben.
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Um die Q-Schalter 13a und 13b Gate-EIN für eine vorbestimmte Zeit zu machen, werden Q-Schalter-Steuersignale C1 und C2 gleichlaufend von der Q-Schalter-Steuereinheit 10 ausgegeben und zu den Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11a bzw. 11b eingegeben. Nach Empfang von Q-Schalter-Steuersignalen C1 und C2 stoppen die Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11a und 11b die Ausgabe der harmonischen Modulationssignale Mrf1 und Mrf2. Der Stopp der Eingabe des harmonischen Modulationssignals zu dem A/O-Element bewirkt, dass die Oszillation des Oszillators des A/O-Elementes stoppt; deshalb verliert das A/O-Element die Beugungsgitterfunktion. Als ein Ergebnis rückt der Laserstrahl gerade vor, die Q-Schalter 13a und 13b werden Gate-EIN, Laseroszillation wird implementiert und ein Impulslaserstrahl wird von der Oszillationsstufe ausgegeben. Nachdem mittels des internen Timers der Q-Schaltersteuereinheit 10 eine vorbestimmte Gate-EIN-Zeit τg abgelaufen ist, gibt die Q-Schaltersteuereinheit 10 erneut die Q-Schalter-Steuersignale C1 und C2 aus, und die Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11a und 11b geben erneut die harmonischen Modulationssignale Mrf1 bzw. Mrf2 aus, wobei dadurch die Q-Schalter 13a und 13b Gate-AUS gemacht werden.
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Als Nächstes wird die Operation des Q-Schalters der Verstärkungsstufe erläutert.
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Die Basisoperation ist die gleiche wie die Operation des Q-Schalters der Oszillationsstufe; nachdem die Q-Schaltersteuereinheit 10 Q-Schalter-Steuersignale C3, C4 und C5 gleichlaufend ausgibt, stoppen die Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11c, 11d und 11e die Ausgabe harmonischer Modulationssignale Mrf3, Mrf4 bzw. Mrf5, wodurch die Q-Schalter 13c, 13d und 13e Gate-EIN gemacht werden. Nachdem mittels des internen Timers der Q-Schaltersteuereinheit 10 eine vorbestimmte Gate-EIN-Zeit τg abgelaufen ist, gibt die Q-Schaltersteuereinheit 10 erneut die Q-Schalter-Steuersignale C1 und C2 aus, und die Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11 geben erneut die harmonischen Modulationssignale aus, wobei dadurch die Q-Schalter Gate-AUS gemacht werden. Die jeweiligen Gate-EIN-Zeitperioden τg's des Q-Schalters der Oszillationsstufe und des Q-Schalters der Verstärkungsstufe können der gleiche Wert sein, oder können getrennt eingestellt werden; sie können in Übereinstimmung mit der Herstellungsbedingung geeignet eingestellt werden.
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Hier wird die Beziehung zwischen der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe und der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe erörtert. In einem konventionellen Lasersystem eilt die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe mit Bezug auf die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe nach; in der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe hergestellt, der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe um mehrere Dutzend Nanosekunden vorauszueilen.
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2 ist eine Grafik, die zeitliche Änderungen in den Q-Schalter-Steuersignalen C1 bis C5 und den harmonischen Modulationssignalen Mrf1 bis Mrf5 darstellen. In 2 geben, nachdem die Q-Schaltersteuereinheit 10 die Q-Schalter-Steuersignale C3, C4 und C5 ausgibt, die Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11c, 11d und 11e die harmonischen Modulationssignale Mrf3, Mrf4 und Mrf5 aus. Wenn in 2 eine vorbestimmte Zeit τ1 nach der Ausgabe der Q-Schalter-Steuersignale C3, C4 und C5 abgelaufen ist, gibt die Q-Schalter-Steuereinheit 10 die Q-Schalter-Steuersignale C1 und C2 aus, worauf die Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11a und 11b die harmonischen Modulationssignale Mrf1 bzw. Mrf2 ausgeben. Entsprechend unterscheiden sich die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe und die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe um τ1 voneinander. Wie in 2 dargestellt, gibt, nachdem mittels des internen Timers der Q-Schaltersteuereinheit 10 die Gate-EIN-Zeit τg abgelaufen ist, die Q-Schaltersteuereinheit 10 die Q-Schalter-Steuersignale C1 bis C5 aus, wodurch die Ausgabe der harmonischen Modulationssignale Mrf1 bis Mrf5 gestoppt wird, wobei dadurch die Q-Schalter Gate-AUS gemacht werden.
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In dem Fall, wo der Q-Schalter in der Zeitsteuerung betrieben wird, die in 2 dargestellt wird, sind zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe, wie in 3 dargestellt. T1 bis T6 in 3 zeigen die gleichen Zeitpunkte wie jene in 13 an.
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Wie in 3 dargestellt, steigt, wenn die Verstärkung des Laseroszillators hoch ist, die Laserverstärkung so steil an, dass der Resonatorverlust die Laserverstärkung in einer kurzen Zeit erreicht, nachdem sich der Q-Schalter öffnet. Mit anderen Worten ist die Dauer von T1 bis T3 kurz. Außerdem beginnt der Impulslaserstrahl von T3 an zu wachsen; wenn die Verstärkung hoch ist, ist die Geschwindigkeit des Wachstums rasch, wodurch die Aufbauzeit τb kurz ist. Entsprechend endet vor dem Zeitpunkt T4 das Wachstum des Impulslaserstrahls, d. h. die Ausgabe des Impulslaserstrahls von der Oszillationsstufe endet.
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Da die Gate-EIN-Zeitsteuerung T2 des Q-Schalters der Verstärkungsstufe hergestellt wird, der Gate-EIN-Zeitsteuerung T1 des Q-Schalters der Oszillationsstufe um eine vorbestimmte Zeit τ1 vorauszueilen, kann der Abfall des Beugungsverlustes in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe unmittelbar vor dem Zeitpunkt T6 enden, wenn die Oszillationsstufe beginnt, einen Laserstrahl auszugeben, wodurch der Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe verhindert werden kann.
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Hier wird das Verfahren zum Einstellen einer vorbestimmten Zeit τ1 erläutert.
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Idealerweise kann die vorbestimmte Zeit τ1 auf eine derartige Weise eingestellt werden, dass der Zeitpunkt T5, wenn der Abfall des Verlustes in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe endet, und der Zeitpunkt T6, wenn die Oszillationsstufe beginnt, einen Laserstrahl auszugeben, miteinander übereinstimmen. In der Praxis kann die vorbestimmte Zeit τ1 jedoch in Anbetracht von Variationen in der Abfallzeit τf und der Aufbauzeit τb auf eine derartige Weise eingestellt werden, dass die Verhinderung des Q-Schalterverlustes betont wird und T5 T6 vorauseilt, z. B. wird das Zeitsteuerungsdiagramm in 3 realisiert.
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Speziell stimmen durch Anwenden auf die vorbestimmte Zeit τ1 der Zeit, die erhalten wird durch Subtrahieren der Dauer von dem Zeitpunkt, wenn der Q-Schalter der Oszillationsstufe Gate-EIN gemacht wird, zu dem Zeitpunkt, wenn die Aufbauzeit τb endet, d. h. die Dauer von T1 bis T6, von der Abfallzeit des Q-Schalters der Verstärkungsstufe, d. h. die Dauer von T2 bis T5, T5 und T6 miteinander überein. In der Praxis wird durch Anwenden auf die vorbestimmte Zeit τ1 der Dauer, die etwas kürzer als die Dauer ist, die durch Subtrahieren der Dauer von T1 bis T6 von der Dauer von T2 bis T5 erhalten wird, das Zeitsteuerungsdiagramm realisiert, das in 3 dargestellt ist.
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Entsprechend kann in einem tatsächlichen Lasersystem die vorbestimmte Zeit τ1 in Übereinstimmung mit der Gleichung τ1 = τf – τz + α berechnet werden, nach getrennter Messung der Dauer τz von dem Zeitpunkt, wenn der Oszillator-Q-Schalter Gate-EIN gemacht wird, zu dem Zeitpunkt, wenn die Aufbauzeit τb endet, und der Oszillator beginnt, einen Impulslaserstrahl auszugeben, und der Abfallzeit τf des Q-Schalters der Verstärkungsstufe. Die Zeit α kann in Anbetracht von Variationen in τb und τf geeignet eingestellt werden; es ist selbstverständlich, dass α null sein kann.
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Wie oben beschrieben, ist in einem Lasersystem in einer MOPA-Konfiguration ein Q-geschalteter Laseroszillator hoher Verstärkung und hoher Energie vorgesehen; selbst wenn die Dauer τz von dem Zeitpunkt, wenn der Q-Schalter der Oszillationsstufe das Gate-EIN startet, zu dem Zeitpunkt, wenn der Oszillator beginnt, einen Laserstrahl auszugeben, kürzer als die Abfallzeit τf des Q-Schalters der Verstärkungsstufe ist, kann deshalb durch Implementieren einer Steuerung auf eine derartige Weise, dass die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe um eine vorbestimmte Zeit nacheilt, der Verlust in einem Impulslaserstrahl in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe verhindert werden, während die Verstärkungsverschlechterung wegen einem spontan verstärkten Strahl, der in der Verstärkungsstufe erzeugt wird, unterdrückt wird. Deshalb kann ein Impulslaserstrahl hoher Energie effizient erhalten werden.
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In Ausführungsform 1 wird eine Konfiguration eingesetzt, in der die ersten Q-Schalter auf beiden Seiten eines Lasermediums angeordnet sind; es kann jedoch eine Konfiguration eingesetzt werden, in der der erste Q-Schalter auf nur einer Seite eines Lasermediums angeordnet ist, wenn der Q-Schalter ermöglicht, dass der Verlust für eine Impulsoszillation ausreichend sichergestellt wird.
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Außerdem wird eine Konfiguration eingesetzt, in der die zweiten Q-Schalter zwischen der Oszillationsstufe und der Verstärkungsstufe und zwischen den jeweiligen Verstärkern angeordnet sind; in dem Fall jedoch, wo nur einige wenige Verstärker, wie z. B. in 1 veranschaulicht, nur drei Verstärker vorgesehen sind, oder die Verstärkung von jedem Verstärker nicht hoch ist, kann der Effekt eines spontan verstärkten Strahls durch Anordnen des zweiten Q-Schalters zwischen der Oszillationsstufe und der Verstärkungsstufe oder durch Anordnen der zweiten Q-Schalter in mindestens einer Position unter Positionen zwischen den Verstärkern unterdrückt werden.
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Z. B. kann ein beliebiger der ersten Q-Schalter 13a und 13b in 1 angeordnet sein, und es kann mindestens einer der zweiten Q-Schalter 13c, 13d und 13e angeordnet sein. Wenn in diesem Fall z. B. der erste Q-Schalter 13a und der zweite Q-Schalter 13d eingesetzt werden, ist die Konfiguration des Lasersystems, wie in 4 veranschaulicht. In 4 ist die Steuerung des ersten Q-Schalters 13a und des zweiten Q-Schalters 13d die gleiche wie die oben beschriebene.
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Außerdem noch besteht in Ausführungsform 1 die Verstärkungsstufe aus drei Verstärkern; die Zahl von Verstärkern ist jedoch nicht besonders begrenzt, und es kann eine Anwendung von Ausführungsform 1 implementiert werden, wenn mindestens ein Verstärker vorgesehen ist. Wenn vier oder mehr Verstärker vorgesehen sind, können die zweiten Q-Schalter in der Zahl geeignet erhöht und zwischen den Verstärkern angeordnet werden. Es ist selbstverständlich, dass es nicht erforderlich ist, dass der zweite Q-Schalter in jeder Position zwischen den Verstärkern eingefügt wird; basierend auf dem Verlust in dem zweiten Q-Schalter und der Verstärkung des Verstärkers kann eine notwendige Zahl der zweiten Q-Schalter geeignet eingefügt werden.
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Wenn ein einzelner Verstärker vorgesehen ist, ist die Konfiguration des Lasersystems, wie in 5 veranschaulicht. In diesem Fall verhindert der zweite Q-Schalter 13c nicht nur, dass ein spontan verstärkter Strahl, der in dem Verstärker erzeugt wird, die Verstärkung des Laseroszillators reduziert, sondern verhindert auch, dass ein spontan verstärkter Strahl, der in dem Laseroszillator erzeugt wird, die Verstärkung des Verstärkers reduziert. Die Steuerung des ersten Q-Schalters 13a und des zweiten Q-Schalters 13c ist die gleiche wie die oben beschriebene.
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Des weiteren wurde in Ausführungsform 1 ein Fall erläutert, in dem wegen Bereitstellung eines Oszillators hoher Verstärkung und hoher Energie τz kürzer als τf gemacht wird; selbst in dem Fall, wo, da z. B. die Verstärkung des Oszillators gering ist, τz relativ lang ist, kann jedoch die vorliegende Erfindung auf den Fall angewendet werden, wo wegen Nutzung eines mechanischen Q-Schalters τf strukturell länger als τz gemacht wird. In dem Fall, wo die vorliegende Erfindung auf ein Lasersystem angewendet wird, sind zeitliche Änderungen in dem Resonatorverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe, wie in 6 dargestellt. Wie in 6 dargestellt, endet das Wachstum der Impulslaserstrahl-Wellenform, bevor das Gate-EIN des Q-Schalters der Oszillationsstufe endet; da jedoch veranlasst wird, dass die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe um eine vorbestimmte Zeit vorauseilt, tritt der Laserstrahl in die Verstärkungsstufe ein, nachdem das Gate-EIN der Verstärkungsstufe endet.
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Entsprechend kann der Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe in dem Impulslaserstrahl verhindert werden.
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Mit anderen Worten kann die vorliegende Erfindung auf den Fall sehr effektiv angewendet werden, wo abhängig von einer Bedingungseinstellung für ein und der Struktur eines Lasersystems die Dauer τz von dem Zeitpunkt, wenn der Q-Schalter der Oszillationsstufe das Gate-EIN startet, zu dem Zeitpunkt, wenn der Oszillator beginnt, einen Impulslaserstrahl auszugeben, kürzer als die Abfallzeit τf des Q-Schalters der Verstärkungsstufe gemacht wird.
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Ausführungsform 2.
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In Ausführungsform 1 wurde eine Konfiguration erläutert, in der die Steuerung auf eine derartige Weise implementiert ist, dass die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe früher als die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe ist; hier wird die Gate-AUS-Zeitsteuerung beschrieben. Die Konfiguration eines Lasersystems ist die gleiche wie die in 1; deshalb wird die Gate-AUS-Zeitsteuerung durch geeignete Nutzung von Bezugszeichen erläutert, die in 1 markiert sind.
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Wenn die Q-Schalter der Verstärkungsstufe 13c, 13d und 13e nicht Gate-EIN gemacht sind, wird ein spontan verstärkter Strahl 17, der hergestellt wird, in benachbarte Verstärker oder das Lasermedium 16 des Oszillators einzutreten, unterdrückt; deshalb erhöht sich die Laserverstärkung zu einem ausreichenden Pegel, bis die Q-Schalter der Verstärkungsstufe 13c, 13d und 13e Gate-EIN gemacht sind. Nachdem die Q-Schalter der Verstärkungsstufe 13c, 13d und 13e Gate-EIN gemacht sind, tritt der spontan verstärkte Strahl 17 in benachbarte Verstärker oder das Lasermedium 16 des Oszillators ein, wodurch die Verstärkung beginnt sich zu verringern. Verglichen mit der Energie eines Laserstrahls ist jedoch die Energie des spontan verstärkten Strahls 17 klein, z. B. annähernd 50 W in dem Ausgang der Verstärkungsstufe, d. h. das Tempo der Verstärkungsverringerung ist ausreichend langsam. Indem die Q-Schalter Gate-AUS gemacht werden, bevor die Verringerung der Verstärkung auffällig wird, ist es entsprechend möglich, die zeitliche Änderung wegen dem spontan verstärkten Strahl in der Verstärkung für die EIN-AUS-Operation der Q-Schalter nahezu unempfänglich zu machen.
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Entsprechend ist es wünschenswert, die Gate-AUS-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe in dem Zeitpunkt zu setzen, unmittelbar nachdem die Generierung eines Impulslaserstrahls abgeschlossen ist. In dem Fall, wo die Q-Schalter mit dieser Zeitsteuerung betrieben werden, werden zeitliche Änderungen in dem Q-Schalterverlust und der Laserverstärkung in der Oszillationsstufe, der Wellenform eines Impulslaserstrahls, der von der Oszillationsstufe ausgegeben wird, und dem Q-Schalterverlust in der Verstärkungsstufe in 7 dargestellt. T5 und T6 in 7 zeigen die gleichen Zeitpunkte wie jene in 13 an; T7 zeigt den Zeitpunkt an, wenn das Wachstum eines Impulslaserstrahls endet; T8 zeigt den Zeitpunkt an, wenn sich der Q-Schalter der Verstärkungsstufe schließt und der Q-Schalterverlust beginnt anzusteigen.
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Wie in 7 dargestellt, beenden die Q-Schalter der Verstärkungsstufe 13c, 13d und 13e ihre Gate-EIN-Modi in dem Zeitpunkt T5, d. h. unmittelbar vor dem Zeitpunkt T6, wenn das Wachstum des Impulslaserstrahls 18 auffällig wird. Als Nächstes starten die Q-Schalter der Verstärkungsstufe 13c, 13d und 13e das Gate-AUS von dem Zeitpunkt T8, der unmittelbar nach dem Zeitpunkt T7 ist, wenn das Wachstum des Impulslaserstrahls 18 endet. Wie auch in Ausführungsform 1 beschrieben, ist es idealerweise wünschenswert, dass T5 und T6 miteinander übereinstimmen; in der Praxis wird jedoch T5 auf eine derartige Weise eingestellt, um T6 vorauszueilen, in Anbetracht von Variationen in der Abfallzeit τ1, der Impulsbreite eines Impulslaserstrahls und dergleichen. Ähnlich kann in Anbetracht der Variationen die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe auf eine derartige Weise geeignet eingestellt werden, dass T8 leicht hinter T7 nacheilt, z. B. wird das Zeitsteuerungsdiagramm in 7 realisiert.
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Angenommen speziell, dass die Breite von T6 zu T7 des Impulslaserstrahls τw ist, ergibt sich die Zeitdauer von T2 zu T8, d. h. die Dauer von dem Zeitpunkt, wenn der Q-Schalter der Verstärkungsstufe das Gate-EIN startet, zu dem Zeitpunkt, wenn der Q-Schalter der Verstärkungsstufe das Gate-AUS startet, durch τf + α + τw + β. Die Zeitperiode α ist hier die gleiche wie die, die in Ausführungsform 1 eingestellt wird; die Zeitperiode β kann in Anbetracht des Ausmaßes von Variationen in τw und τf geeignet eingestellt werden, und es ist selbstverständlich, dass τw und τf Null sein können.
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Wie oben beschrieben, ist es durch Einstellen der Gate-AUS-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe unmittelbar nach dem Zeitpunkt, wenn das Wachstum eines Impulslaserstrahls endet, möglich, die Verstärkungsverringerung wegen einem spontan verstärkten Strahl in der Verstärkungsstufe oder der Oszillationsstufe mehr zu unterdrücken, als es das Lasersystem tut, das in Ausführungsform 1 beschrieben wird.
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Ausführungsform 3.
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In Ausführungsform 1 ist das Lasersystem auf eine derartige Weise konfiguriert, dass durch Verlagerung des Steuersignals, das von der Q-Schalter-Steuereinheit ausgegeben wird, um τ1 die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe dazu gebracht wird, der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe um τ1 vorauszueilen. In einem Lasersystem gemäß Ausführungsform 3 wird die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe auf eine derartige Weise mechanisch abgestimmt, um der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe um τ1 vorauszueilen.
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Der Gesamtüberblick des Lasersystems gemäß Ausführungsform 3 ist ungefähr der gleiche wie der in 1; deshalb wird das Lasersystem durch geeignete Nutzung von Bezugszeichen erläutert, die in 1 markiert sind. 8 ist eine Ansicht der Konfiguration eines Q-Schalters, der aus einem A/O-Element gebildet wird, das in Ausführungsform 3 genutzt wird; dieser Q-Schalter entspricht jedem der Q-Schalter 13a bis 13e in 1. In 8 wird ein harmonisches Modulationssignal, das von dem Signalgenerator harmonischer Modulation 11 ausgegeben wird, hergestellt, in einen Oszillator 21 einzutreten, worauf der Oszillator 21 in einer hohen Frequenz schwingt. Die Oszillation des Oszillators 21 generiert Ultraschall 23 in einem Quarzglas 20, das mit dem Oszillator 21 verbunden ist; wie durch den Pfeil in 8 angezeigt, wird der Ultraschall 23 in einer Richtung ungefähr senkrecht zu dem Laserstrahl 18 übertragen. Der Oszillator 21 und das Quarzglas 20 werden durch ein Positionsabstimmungsmittel 22, wie etwa eine optische Bühne, mit einer Funktion einer Bewegung parallel in der gleichen Richtung wie der, in der der Ultraschall 23 übertragen wird, gehalten. Entsprechend können die Positionen des Oszillators 21 und des Quarzglases 20 in der Richtung frei geändert werden, in der der Ultraschall 23 übertragen wird, d. h. in der Richtung senkrecht zu dem Laserstrahl 18.
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Als Nächstes wird die Operation des Lasersystems erläutert. In Ausführungsform 3 werden die Q-Schalter-Steuersignale C1 bis C5 in der gleichen Zeitsteuerung von der Q-Schalter-Steuereinheit 10 ausgegeben. Stattdessen kann ein einzelnes Signal C1 zu den jeweiligen Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11a bis 11e eingegeben werden. Entsprechend generieren die Signalgeneratoren harmonischer Modulation 11a bis 11e in der gleichen Zeitsteuerung jeweilige harmonische Modulationssignale.
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Es sei denn, es werden weitere Maßnahmen unternommen, stimmen jedoch die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe und die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe miteinander überein; durch Verschieben durch das Q-Schalter-Positionsabstimmungsmittel 22 der Position des Q-Schalters der Verstärkungsstufe von der Position des Q-Schalters der Oszillationsstufe werden deshalb die Gate-EIN-Zeitsteuerungen voneinander verschoben. Das Verfahren zum Verschieben der Q-Schalterpositionen so, um die Gate-EIN-Zeitsteuerungen zu verschieben, wird mit Verweis auf 9 erläutert.
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9 ist eine Menge von Ansichten, die jede einen Q-Schalter veranschaulichen, wie entlang der optischen Achse des Laserstrahls 18 gesehen. 9(a) ist eine Ansicht, die jeden der Q-Schalter der Oszillationsstufe 13a und 13b veranschaulicht; 9(b) ist eine Ansicht, die jeden der Q-Schalter der Verstärkungsstufe 13c, 13d und 13e veranschaulicht. Der Ultraschall 23, der durch den Oszillator 21 verursacht wird, breitet sich in einer Richtung aus, die durch den Pfeil in 9 angezeigt wird. In dieser Situation braucht es für den Ultraschall, der sich von dem Oszillator 21 zu dem Laserstrahl 18 ausbreitet, Zeit, da der Ultraschall 23 eine endliche Geschwindigkeit hat. Wenn in 9(a) Lo und V den Abstand zwischen dem Oszillator 21 und dem Laserstrahl 18 bzw. die Schallgeschwindigkeit in dem Quarzglas 20 bezeichnen, ergibt sich die Zeit τo, die erforderlich ist, dass sich der Ultraschall 23 von dem Oszillator 21 zu dem Laserstrahl 18 ausbreitet, durch die Gleichung τo = Lo/V. Wenn ähnlich in 9(b) La den Abstand zwischen dem Oszillator 21 und dem Laserstrahl 18 bezeichnet, ergibt sich die Zeit τa, die erforderlich ist, dass sich der Ultraschall 23 von dem Oszillator 21 zu dem Laserstrahl 18 ausbreitet, durch die Gleichung τa = La/V.
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Wenn in dieser Situation die Q-Schalter-Steuereinheit 10 die Q-Schalter-Steuersignale ausgibt, beginnen die jeweiligen Oszillatoren 21 der Q-Schalter gleichlaufend zu schwingen, worauf die Ausbreitung des Ultraschalls 23 von dem Oszillator 21 beginnt. Falls sich, wie in 9 veranschaulicht, Lo des Q-Schalters der Oszillationsstufe und La des Q-Schalters der Verstärkungsstufe voneinander unterscheiden, unterscheiden sich entsprechend die Zeiten, die erforderlich sind, dass der Ultraschall 23 den Laserstrahl 18 erreicht, voneinander, wodurch sich die Gate-EIN-Zeitsteuerungen voneinander verschieben. In der vorliegenden Erfindung ist es nur notwendig, dass die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Verstärkungsstufe hergestellt wird, der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe um τ1 vorauszueilen, wie in 9 veranschaulicht, ist es nur notwendig, dass durch das Positionsabstimmungsmittel 22 La hergestellt wird, kürzer als Lo zu sein. Speziell ist τo – τa = Lo/V – La/V = τ1, und aus Ausführungsform 1 τ1 = τf – τz + α; deshalb ist es nur notwendig, dass Lo und La so eingestellt werden, um die Gleichung Lo – La = (τf – τz + α)·V = (τf – τz)·V + γ (wobei γ = α·V ist) zu erfüllen.
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In dem Fall, wo Lo und La eingestellt sind, wie oben beschrieben wird, sind zeitliche Änderungen in dem Verlust des Q-Schalters der Verstärkungsstufe und dem Verlust in der Oszillationsstufe wie in 10 dargestellt. Hier bezeichnet R den Strahldurchmesser des Laserstrahls 18 in dem Q-Schalter. Der Q-Schalter wird Gate-EIN τa (= La/V) gemacht, nachdem das Q-Schalter-Steuersignal ausgegeben wird, worauf der Verlust in dem Q-Schalter der Verstärkungsstufe beginnt abzufallen. Die Abfallzeit τf, die die Zeit ist, in der der Ultraschall 23 den Strahldurchmesser des Laserstrahls 18 durchläuft, ergibt sich durch R/V. Entsprechend endet in τa + τf (= R/V) das Gate-AUS des Q-Schalters, worauf der Abfall des Verlustes in dem Q-Schalter endet.
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Im Gegensatz dazu wird der Q-Schalter Gate-EIN τo (= Lo/V) gemacht, nachdem das Q-Schalter-Steuersignal ausgegeben ist, worauf der Verlust in dem Oszillator der Oszillationsstufe beginnt abzufallen. Wie es bei der Verstärkungsstufe der Fall ist, ergibt sich die Abfallzeit τf durch R/V. Entsprechend endet in τo + τf (= R/V) das Gate-AUS des Q-Schalters, worauf der Abfall des Verlustes in dem Oszillator endet.
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Wenn La und Lo angemessen eingestellt sind, wird in dieser Situation die Gleichung τo – τf = τ1 erfüllt, wodurch der gleiche Effekt wie der von Ausführungsform 1 demonstriert werden kann. Außerdem kann τ1 auf ungefähr mehrere Dutzend Nanosekunden eingestellt werden; z. B. in dem Fall, wo τ1 auf 50 ns eingestellt ist, kann die Differenz zwischen Lo und La auf 0,3 mm gesetzt werden, da die Schallgeschwindigkeit V in Quarzglas ungefähr 6 km/s ist. Der Wert ist innerhalb eines Bereiches, in dem Abstimmung genau implementiert werden kann; deshalb ist kein extrem aufwändiges Abstimmungsmittel erforderlich.
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Außerdem wird in der vorangehenden Erläuterung noch eine Konfiguration eingesetzt, in der der Q-Schalter der Verstärkungsstufe und der Q-Schalter der Oszillationsstufe jeder mit einem Abstimmungsmittel versehen ist; da die Differenz zwischen Lo und La wichtig ist und durch Bereitstellung eines Abstimmungsmittels in einem von beiden des Q-Schalters der Oszillationsstufe und des Q-Schalters der Verstärkungsstufe, kann jedoch eine gewünschte Positionsdifferenz realisiert werden, die Zahl der V kann reduziert werden. In dem Fall des weiteren, wo es, da die Herstellungsbedingung immer konstant ist, nur notwendig ist, dass die Differenz zwischen Lo und La stets fixiert ist, kann kein Abstimmungsmittel vorgesehen sein und die jeweiligen Q-Schalter können zu dem Lasersystem auf eine derartige Weise fixiert sein, dass die Differenz zwischen Lo und La ein gewünschter Wert ist.
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Als ein Ergebnis wird in Ausführungsform 3 bei geringen Kosten ermöglicht, dass die Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters hergestellt wird, der Gate-EIN-Zeitsteuerung des Q-Schalters der Oszillationsstufe um eine vorbestimmte Zeit vorauszueilen.
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Ausführungsform 4
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11 ist ein Blockdiagramm, das ein Lasersystem gemäß Ausführungsform 4 zum Implementieren der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In den vorangehenden Ausführungsformen wurde ein beliebiges Lasermedium genutzt; in Ausführungsform 4 wird jedoch insbesondere als ein Lasermedium ein Festkörper-Lasermedium vom Stabtyp (hierin nachstehend auch als ein Stab bezeichnet) genutzt. Die Basiskonfiguration des in 11 veranschaulichten Lasersystems ist die gleiche wie die des Lasersystems in 1 gemäß Ausführungsform 1; deshalb werden hinsichtlich der Bestandteile in der gleichen Konfiguration die gleichen Bezugszeichen genutzt und detaillierte Erläuterungen für sie werden weggelassen.
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In 11 bezeichnet Bezugszeichen 16a ein Festkörper-Lasermedium vom Stabtyp einer Oszillationsstufe; Bezugszeichen 16b, 16c und 16d bezeichnen jeweilige Festkörper-Lasermedien vom Stabtyp einer Verstärkungsstufe; Bezugszeichen 19a bis 19d bezeichnen jeweilige Pumpstrahlquellen zum Pumpen der Festkörper-Lasermedien vom Stabtyp 16a bis 16d; die jeweiligen Lasermedien werden durch Pumpstrahlen 30a bis 30d gepumpt. Das Festkörper-Lasermedium wird durch Nd:YAG beispielhaft dargestellt, und die Pumpstrahlquelle wird durch eine Lampe oder eine Laserdiode beispielhaft dargestellt. Bezugszeichen 32 sind begrenzende Aperturen zum Abschneiden eines unnötigen Anteils eines Laserstrahls, um einen Defekt zu verhindern, wie etwa das Ausbrennen eines Stabendes. Was sich am meisten von der Konfiguration gemäß Ausführungsform 1 unterscheidet, ist, dass nur ein Q-Schalter der Verstärkungsstufe vorgesehen ist. Das Lasersystem ist auf eine derartige Weise konfiguriert, dass nur ein Q-Schalter der Verstärkungsstufe 13e zwischen dem letzten Verstärker in einer ersten Verstärkungsstufe und dem ersten Verstärker in einer zweiten Verstärkungsstufe vorgesehen ist, und Q-Schalter 13c und 13d in 1 entfernt sind.
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Der Übergang eines Festkörper-Lasermediums vom Stabtyp enthält einen Nicht-Strahlungsübergang; deshalb kann die Erzeugung von Wärme im Prinzip nicht verhindert werden. Somit wird im allgemeinen die Wärme durch Herstellen eines Flusses von kaltem Wasser entlang des Stabs beseitigt, um die Seiten des Stabs zu kühlen. Da in diesem Fall die thermische Energie, die in dem Stab erzeugt wird, zu dem Kühlungssystem fließt, das entlang des Stabs vorgesehen ist, wird ein Wärmefluss erzeugt, der von der Mitte pf des Stabs zu dem Kühlungssystem radial fließt. Entsprechend wird eine Temperaturverteilung innerhalb des Stabs bewirkt, wodurch ein Brechungsindexgradient erzeugt wird. Um den Brechungsindexgradienten symmetrisch zu machen, sind im allgemeinen die Pumpstrahlquellen 19a bis 19d jede symmetrisch mit Bezug auf die jeweiligen Mittelachsen der Stäbe angeordnet. Entsprechend wird innerhalb des Stabs eine Temperaturverteilung erzeugt, die mit Bezug auf die Mittelachse des Stabs koaxial ist; ähnlich wird die Verteilung des Brechungsindexgradienten koaxial, wodurch der Stab als eine dicke Wandlinse positiver Krümmung für einen Laserstrahl funktioniert. 11 veranschaulicht eine Konfiguration, in der die Pumpstrahlen auf den Stab von nur einer Richtung ausgestrahlt werden; in der Praxis werden jedoch die Pumpstrahlen auf den Stab mit Bezug auf die Mittelachse des Stabs symmetrisch ausgestrahlt.
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Entsprechend wird das Strahlprofil des Strahls 18, wie in 12(a) veranschaulicht; der Strahldurchmesser erhöht sich in dem Stab und verringert sich außerhalb des Stabs. Der Laserstrahl 18 wird von der Oszillationsstufe emittiert und hat eine hohe Konvergenz; wie in 12(a) veranschaulicht, sind die jeweiligen Strahldurchmesser in den Verstärkern einander ungefähr gleich, und die jeweiligen Strahldurchmesser in den Räumen zwischen den Verstärkern sind einander auch ungefähr gleich.
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Im Gegensatz dazu ist das Strahlprofil des spontan verstärkten Strahls 17, wie in 12(b) veranschaulicht. Da er nicht durch Resonanz erzeugt wird, hat der spontan verstärkte Strahl 17 eine extrem geringe Konvergenz; z. B. ist das M2 des Laserstrahls 18 ungefähr 12 mm·mrad, und das M2 des spontan verstärkten Strahls 17 ist 200 mm·mrad oder größer (das gleiche wie oder größer als die Messgrenze). Hier wird M2, was ein Indikator ist, der die Konvergenz darstellt, in SPIE, Vol. 1414, ”Laser Beam Diagnostics”, 1991 offenbart.
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Entsprechend ist in der Nachbarschaft des letzten Verstärkers in der Verstärkungsstufe die Proportion eines Anteils des spontan verstärkten Strahls 17, der durch die Apertur 32b abgeschnitten wird, zu einem Anteil, der in den Verstärker eintritt, groß. In der Nachbarschaft des ersten Verstärkers in der Verstärkungsstufe wird jedoch wegen den Linseneffekten der Verstärkerstäbe die Konvergenz des spontan verstärkten Strahls 17 gesteigert; z. B. wird in dem letzten Verstärker in der Verstärkungsstufe M2 herab zu 50 mm·mrad verbessert. Entsprechend verringert sich in der letzten Verstärkungsstufe der Anteil des spontan verstärkten Strahls 17, der durch die Apertur abgeschnitten wird, und der Anteil, der in den Verstärker eintritt, erhöht sich.
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Da die Verstärkungsverringerung wegen dem spontan verstärkten Strahl 17 in dem letzten Verstärker in der Verstärkungsstufe auffällig ist, kann deshalb der Effekt einer Unterdrückung des spontan verstärkten Strahls 17 ausreichend demonstriert werden, sogar in dem Fall, von nur der spontan verstärkte Strahl 17, der in die letzte Verstärkungsstufe eintritt, unterdrückt wird. Wie in 11 veranschaulicht, kann entsprechend der Q-Schalter 13e nur in der Position zwischen dem letzten Verstärker in der ersten Verstärkungsstufe und dem ersten Verstärker in der zweiten Verstärkungsstufe vorgesehen sein.
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In Ausführungsform 1 wurde erläutert, dass in dem Fall, wo nur wenige Verstärker, z. B. nur drei Verstärker, vorgesehen sind, oder die Verstärkung von jedem Verstärker nicht hoch ist, der zweite Q-Schalter in mindestens einer Position unter Positionen zwischen den Verstärkern angeordnet sein kann; wenn jedoch ein Lasermedium vom Stabtyp eingesetzt wird, ist es effektiv, einen einzelnen Q-Schalter in der Verstärkungsstufe wie in Ausführungsform 4 anzuordnen, sogar in dem Fall, wo eine große Zahl von Verstärkern genutzt wird oder die Verstärkung von jedem Verstärker hoch ist.
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Es wurde ermittelt, dass dank der oben beschriebenen Konfiguration die Ausgabeverringerung des Laserstrahls 18 verbessert wird, wie es bei Ausführungsform 1 der Fall ist; außerdem kann die Zahl jeweiliger Q-Schalter, die zwischen den Verstärkern anzuordnen sind, reduziert werden, wodurch eine Kostenverringerung des Lasersystems ermöglicht wird.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Wenn auf ein Lasersystem angewendet, das in einer MOPA-Konfiguration ist und einen Laseroszillator hoher Verstärkung und hoher Energie einbezieht, demonstriert die vorliegende Erfindung insbesondere einen auffälligen Effekt.
