DE112008001338T5

DE112008001338T5 - Akusto-optisch gütegeschalteter CO2-Laser

Info

Publication number: DE112008001338T5
Application number: DE112008001338T
Authority: DE
Inventors: Vernon A. Windsor Sequin; Peter P. Avon Chenausky
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2010-04-15
Also published as: US7903699B2; GB0920130D0; JP2010534923A; US20090232167A1; GB2461487A; US20110122897A1; WO2008143772A1; US8050306B2

Abstract

CO₂-Laser, umfassend:
ein Gehäuse, das ein gasförmiges Verstärkermedium, einschließlich CO₂, enthält;
einen Laserresonator, der einen hohen Reflektor und einen Auskoppler aufweist, wobei der Auskoppler mit wenigstens 50% Auskopplung versehen ist;
eine Anregungsanordnung zum Anregen des Verstärkermediums; und
eine im Laserresonator angeordnete akusto-optische Zelle (AO-Zelle), die ein AO-Material aufweist, das bei einer für CO₂ charakteristische Fundamentalwellenlänge im Wesentlichen transparent ist, und wobei die Zelle zum Schalten des Resonators zwischen einem Zustand hohen und niedrigen Verlusts zur Erzeugung gütegeschalteter Pulse verwendet ist.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein gütegeschaltete, gepulste Laser. Die Erfindung betrifft insbesondere gütegeschaltete, gepulste Hochleistungskohlendioxidlaser (CO₂-Laser).
Diskussion des technischen Hintergrunds
Gütegeschaltete, gepulste CO₂-Hochleistungslaser sind in gefalteten Wellenleiterausführungen und gefalteten Freiraumausführungen mit Gauß-Moden hergestellt worden. Solche gütegeschaltete CO₂-Laser haben optische Eigenschaften, die für etliche spezialisierte, hochwertige Anwendungen in der Werkstoffverarbeitung, etwa durch Lochbohren, und der Polymerablation bei gedruckten Schaltungen (PCB Polymerablation) attraktiv sind. Ein gütegeschalteter CO₂-Hochleistungslaser ist auch als Oszillator nutzbar in einer Anordnung aus Hauptoszillator und Leistungsverstärker (MOPA-Anordnung) zur Verwendung bei einer Plasma-EUV-Strahlungserzeugung (extrem ultraviolett) für Photolithographie. Solch ein Laser verbindet in einer kompakten Einheit sehr hohe instantane optische Spitzenleistung, beispielsweise ungefähr 10 Kilowatt (kW) oder darüber, mit moderater Durchschnittsleistung, beispielsweise ungefähr 10 Watt (W) oder darüber.
Ein herkömmliches Verfahren zur Güteschaltung eines Hochleistungs-CO₂-Lasers bezieht eine Verwendung eines elektro-optischen Modulators (E-O-Modulator) im Resonator ein. Dies bietet ein sehr schnelles optisches Schalten, zum Beispiel über einige 10 Nanosekunden (ns), was zu einem Laser mit kurzen optischen Impulsen führt, zum Beispiel mit ungefähr 100 ns Halbwertsbreite (FWHM), und hohen Pulswiederholungsraten, zum Beispiel von ungefähr 100 Kilohertz (kHz) oder darüber. Bis heute ist das einzige Material mit einer geeigneten Kombination aus einem hohen elektro-optischen Koeffizienten, einem hohen spezifischen Widerstand und einer niedrigen Infrarotabsorption monokristallines Kadmiumtellurid (CdTe). Ein gepulster CO₂-Laser mit einem CdTe-E-O-Güteschalter ist im US-Patent Nr. 6,826,204 der Anmelderin der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ein vollständiges Vertrauen auf CdTe zum E-O-Güteschalten eines CO₂-Lasers stellt zwei Schlüsselprobleme dar. Das erste sind hohe Kosten für Komponenten, die die Kosten für den CdTe-Kristall selbst umfassen und die Kosten für einen Modulatortreiber hoher Geschwindigkeit und hoher Spannung zum Treiben des CdTe-Kristalls. Diese Komponentenkosten führen zu Kosten für den fertigen gepulsten CO₂-Laser, die ein Vielfaches höher sind als diejenigen eines Dauer-CO₂-Lasers (CW-Laser) vergleichbarer mittlerer Leistung.
Noch bezeichnender ist jedoch, dass es nur ein sehr begrenztes Angebot an CdTe-Kristallen mit Modulatorqualität gibt. Seit vielen Jahren gibt es nur einen Lieferanten (Keystone Crystals Corporation, ansässig in Butler, Pennsylvania) für solche CdTe-Kristalle. Andere Kristallzüchter haben versucht CdTe-Kristalle der geforderten Qualität zu züchten, jedoch waren solche Versuche im Allgemeinen ohne Erfolg. Dies bedeutet faktisch, dass es zu einer langfristigen Versorgungsinstabilität bei CdTe-Kristallen mit E-O-Schaltqualität kommen kann. Dies ist problematisch, wenn eine Entwicklung eines großangelegten kommerziellen Produktes erwogen wird. Die mit den Problemen beim Züchten der CdTe-Kristalle verbundenen hohen Kosten stellen ein erhebliches Hemmnis für eine Weiterentwicklung von E-O-gütegeschalteten CO₂-Lasern und für Anwendungen solcher Laser in Materialverarbeitungssystemen dar.
Eine alternative, relativ kostengünstige Herangehensweise zum Güteschalten eines CO₂-Lasers bezieht ein Abtasten eines Resonator-Endspiegels oder eines Resonator-Faltspiegels ein, so dass der Spiegel wechselseitig von einer vollständig fehlausgerichteten Stellung zu einer anderen durch eine optimal ausgerichtete Stellung streicht. Diese Herangehensweise ist in der am 13. März 2006 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 11/638,645 der Anmelderin der vorliegenden Erfindung beschrieben und sei hier durch Verweis aufgenommen. Ein Problem mit dieser Herangehensweise ist, dass die Spiegel vorzugsweise bei einer charakteristischen Resonanzfrequenz abgetastet werden, um eine geeignete Kombination aus Abtastwinkel und Streichgeschwindigkeit bereitzustellen. Dies begrenzt den Bereich einer in einem solchen Laser verfügbaren Pulswiederholungsfrequenz (PRF), und entsprechend kann nicht erwartet werden, dass ein solcher Laser so flexible Betriebsparameter wie ein E-O-gütegeschalteter CO₂-Laser aufweist. Es besteht ein Bedarf für einen gepulsten, gütegeschalteten Laser, der nicht einen CdTe-E-O-Güteschalter erfordert, sondern bei vergleichbaren Raten mit derselben Flexibilität wie ein CdTe-E-O-gütegeschalteter CO₂-Laser gütegeschaltet werden kann.
Abriss der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen gütegeschalteten CO₂-Laser. Gemäß einem Aspekt umfasst ein erfindungsgemäßer Laser einen Laserresonator mit einem gasförmigen Verstärkermedium, das darin CO₂ aufweist. Eine Anregungsanordnung ist zum Anregen des CO₂ aufweisenden Lasermediums vorgesehen. Ein akusto-optischer (AO) Güteschalter ist im Laserresonator angeordnet und weist ein AO-Material auf, das bei einer für CO₂-charakteristischen Fundamentalwellenlänge transparent ist.
Das AO-Material ist vorzugsweise bei Wellenlängen zwischen ungefähr 9 Mikrometern und 11 Mikrometern transparent. Eine bevorzugte Wellenlänge ist ungefähr 10,6 Mikrometer. Ein bevorzugtes AO-Material ist Germanium.
Der Laserresonator hat vorzugsweise eine Auskopplung von mehr als ungefähr 50 Prozent. In einem Beispiel ist der Laserresonator durch einen ersten und einen zweiten Spiegel abgeschlossen und der zweite Spiegel ist bei der Fundamentalwellenlänge teiltransparent und stellt die Auskopplung bereit. Der erfinderische Laser ist in der Lage, eine Pulsfolge mit einer Spitzenleistung von wenigstens ungefähr 10 kW und einer mittleren Leistung von wenigstens ungefähr 10 W abzugeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine einzige Radiofrequenz-Leistungsversorgung sowohl zum Versorgen der das Lasergas anregenden Elektroden des Lasers mit Leistung als auch zum Betreiben der AO-Zelle vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine bevorzugte Form einer akusto-optischen Zelle (AO-Zelle), die zum Güteschalten eines Kohlendioxid-Lasers geeignet ist.
2 zeigt ein mit einer AO-Zelle gütegeschaltetes Kohlendioxid-Lasersystem.
3 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb eines Kohlendioxid-Lasers des in 2 dargestellten Typs zeigt.
4, 5 und 6 sind Oszilloskopaufzeichnungen der Eingangsradiofrequenzleistung und von Ausgangslichtpulsen eines Kohlendioxidlasers des in 2 dargestellten Typs.
7 ist ein Diagramm einer mittleren Ausgangsleistung und einer Strahldivergenz als eine Funktion der Pulswiederholungsfrequenz (PRF) eines Kohlendioxidlasers des in 2 dargestellten Typs.
8 ist ein Diagramm des Fernfeldprofils eines Strahls, der durch einen Kohlendioxidlaser des in 2 dargestellten Typs erzeugt ist.
9 ist ein schematisches Diagramm eines Lasersystems, wobei eine einzige Leistungsquelle zur Radiofrequenzenergieversorgung sowohl des Lasers als auch der AO-Zelle verwendet ist.
10 ist eine Darstellung einer Form einer Radiofrequenzabzweigung, die zum Abzweigen von etwas der durch die Radiofrequenzleistungsquelle erzeugten Energie zur AO-Zelle verwendbar ist.
11 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb eines Kohlendioxidlasers des in 2 dargestellten Typs darstellt, jedoch abgewandelt gemäß 9.
12 und 13 sind Oszilloskopaufzeichnungen der Eingangsradiofrequenzleistung und Ausgangspulsen von einem Kohlendioxidlaser des in 2 dargestellten Typs, jedoch abgewandelt gemäß 9.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Der Erfindungsgegenstand betrifft einen Kohlendioxidlaser, der zum Erreichen einer Güteschaltung eine akusto-optische Zelle (AO-Zelle) anstelle eines herkömmlichen elektro-optischen Güteschalters verwendet.
AO-Zellen wurden im Stand der Technik zum Güteschalten anderer Laser verwendet. Dies ist eine sehr verbreitete Technik, die bei Nahinfrarot-Festkörperlasern, wie etwa Nd:YAG, verwendet wird. Bei diesen kürzeren Wellenlängen (1–2 μm im Vergleich zu 10 μm bei CO₂-Lasern) gibt es mehrere Kandidaten für AO-Materialien mit niedrigen optischen Verlusten, wie etwa Quartz und TeO4. Jedoch ist das einzige AO-Material, das gegenwärtig im 9–11 μm-Band verwendbar ist, monokristallines Germanium (Ge). Obgleich Germanium ein im Allgemeinen gutes optisches Material ist, hat es dennoch eine relativ hohe Infrarotabsorption, typischerweise ungefähr 1–2 Prozent je Zentimeter im 9–11 μm-Band. Der Ge-AO-Kristall, durch den der Laserstrahl verläuft, ist typischerweise 5 cm breit, um eine annähernd 80%ige Ablenkungseffizienz des sich durch die AO-Zelle ausbreitenden Laserstrahls bei sinnvollen akustischen Leistungspegeln zu erhalten. Der sich ergebende optische Verlust durch einen solchen Kristall ist deshalb ungefähr eine Größenordnung höher als der mit CdTe verbundene Verlust. Andererseits werden die durch die Absorption bewirkten schädlichen optischen Linseneffekte durch die relativ hohe thermische Leitfähigkeit von Ge gegenüber CdTe aufgewogen. Folglich ist eine Verzerrung eines eine Ge-AO-Zelle durchlaufende CO₂-Laserstrahls vergleichbar mit einem CO₂-Laserstrahl, der eine CdTe-EO-Zelle durchlaufen würde. Ge hat einen relativ großen Brechungsindex von 4, so dass Antireflexbeschichtungen auf seinen Oberflächen für einen Betrieb innerhalb der Laserkavität notwendig sind. Ge hat im Vergleich zu CdTe den Vorteil einer überlegenen Gleichförmigkeit hinsichtlich der optischen Qualität im Kristall. Es ist auch in viel größeren Abmessungen als CdTe verfügbar.
Trotz der optischen Verluste wurde Germanium für mehr als 15 Jahre erfolgreich und häufig verwendet in Verbindung mit CO₂-Lasern zur Steuerung der Richtung des Strahls außerhalb der Laserkavität. Es wurde am häufigsten gebraucht als ein optischer Strahlablenker außerhalb einer optischen Kavität des Lasers in Hochgeschwindigkeits-CO₂-Laserstrahl-Scansystemen für kommerzielle Kennzeichnungs- und Lochbohrungs-Anwendungen (vergl. US-Patent Nr. 5,021,631 mit dem Titel ”System for Marking Moving Objects by Laser Beams” von Raveilat und Del Valles; vergl. auch US-Patente Nr. 7,058,093 und 6,826,204 , die beide hier durch Verweis aufgenommen sind). Eine AO-Zelle wurde auch als ein Frequenzschieber außerhalb einer optischen Kavität des Lasers in CO₂-Laserradarsystemen verwendet.
Zur Versorgung dieser CO₂-Laseranwendung hat sich eine bescheidene, jedoch gut gedeihende, Lieferantenbasis zur Bereitstellung hochwertiger Ge-AO-Modulatoren entwickelt. Einige Lieferanten, darunter Intra-Action, Isomet und Brimrose stellen serienmäßige Vorrichtungen und zugehörige Radiofrequenztreiber in erheblichen Stückzahlen her. In vielen der o. g. Systeme wurden optische Leistungspegel von mehreren hundert Watt Durchsatzleistung durch diese Vorrichtungen propagiert. Zudem sind AO-Vorrichtungen relativ kostengünstig im Vergleich zu EO-Vorrichtungen bei CO₂-Wellenlängen. Vollständige Ge-Modulatoren kosten weniger als 2.000 Dollar. Demgegenüber kostet allein ein geeigneter CdTe-Kristall, vor der Montage, ungefähr 6.000 Dollar. Die Kosten der Elektronik kommen hinzu.
Trotz der Tatsache, dass Ge-Modulatoren außerhalb der Laserkavität in Verwendung waren, scheinen solche Modulatoren nicht in kommerziellen Lasersystemen zum Güteschalten verwendet worden zu sein. Ein erheblicher entmutigender Faktor waren die relativ hohen optischen Verluste (mehrere Prozent je Zentimeter in einer Richtung) selbst in einer Ge-Vorrichtung guter Qualität. Dies würde zu einem reduzierten Laserausgangswirkungsgrad von annähernd 25 Prozent im Vergleich zu CdTe-gütegeschalteten CO₂-Lasern führen. Gleichwohl wurde entschieden zu untersuchen, ob es Umstände gäbe, unter denen ein Ge-Modulator in konkurrenzfähiger Weise als ein Güteschalter für einen CO₂-Laser fungieren könnte.
Auf Grundlage unserer Untersuchungen befanden wir, dass die oben erwähnte optische Verlustsituation bedeutend abgemildert werden kann durch die Verwendung von Lasern hoher Verstärkung, die erreicht wird entweder durch viele Zickzackfaltungen des Laserstrahls und/oder durch Überpulsieren der Laserentladung innerhalb entweder eines Wellenleiters oder einer Laserresonatorausführung für Gauß-Moden im freien Raum.
Typischerweise hat ein CO₂-Laser hoher Verstärkung ein langes Gasentladungsverstärkermedium, das aus zahlreichen engen keramischen Wellenleitern gebildet ist mit entweder quadratischen, runden oder elliptischen Querschnitten, angeordnet in einer mehrfach gefalteten Geometrie, um optisch in Reihe verbunden zu sein. Die hohe Verstärkung kann auch durch Überpulsen der Laserentladung erreicht werden, wodurch sich die Möglichkeit einer Reduzierung der Anzahl an Faltungen bietet. Die Verwendung des optischen Faltens kann eine Gesamtlaserverstärkerlänge von mehreren Metern Länge ergeben.
Bei Lasern des durch die Anmelderin hergestellten Typs ist die typische Länge jedes Wellenleiterkanals oder Durchgangs etwa 45 cm. Eine typische Höhe der Verstärkung ist etwa 0,5 Prozent je Zentimeter. So ist für einen Resonator mit drei Durchgängen die Verstärkung weit unter 1,0 (45 × 3 × 0,005 = 0,675). Wird jedoch ein Resonator mit 5 Durchgängen verwendet, kann die Verstärkung bei etwa 1,0 betrieben werden. Bei Verwendung einer gefalteten Geometrie ist deshalb eine Verwendung einer Resonatorausführung mit wenigstens 5 Durchgängen oder mehr vorzuziehen.
Um eine optimale Energieentnahme von einem solchen CO₂-Laser hoher Verstärkung zu erreichen, ist die Verwendung eines Spiegels mit relativ hoher (> 50%) Auskopplung (d. h. niedrigem Reflektionsgrad) erforderlich. Für eine Ausführung mit 7 oder 9 Durchgängen kann eine Auskopplung von 75 Prozent oder höher verwendet werden.
Ein Einfügen eines AO-Modulators innerhalb eines solchen Resonators eines Lasers hoher Verstärkung mit einer solch hohen Auskopplung wird den Verlust der Gesamtkavität um einen viel geringeren Prozentsatz erhöhen als wenn die AO-Zelle in einen CO₂-Laser niedriger Verstärkung (d. h. einen kurzen CO₂-Laser) eingesetzt würde. Folglich ist die Lasereffizienz eines AO-gütegeschalteten CO₂-Lasers hoher Verstärkung nicht so schlecht, wie man sie bei einem kurzen Laser (d. h. einem Laser niedriger Verstärkung) beobachten würde, da der durch den AO-Modulator beigetragene Verlust wesentlich geringer als die Auskopplung des Lasers sein wird. Dies führt zu einem kleineren anteiligen Beitrag durch die optischen Verluste der AO-Zelle zu den Verlusten der Gesamtkavität. Bei einem CO₂-Laser mit einem 75%igen Auskopplungsspiegel sind die 15% bis 20%, die durch den AO-Modulatorverlust (z. B.) beigetragen werden, ausreichend gering, um akzeptabel zu sein.
Die in den beiden obigen Absätzen angegebenen Realisierungen, verbunden mit der vorliegenden Fähigkeit, einen CO₂-Laser hoher Verstärkung auszuführen, was entweder durch gefaltete Laserkavitätsausführungen oder durch Überpulsentladungen erreichbar ist, kann zu kleinen, kompakten gütegeschalteten Lasereinheiten führen, die vom Markt angenommen werden, was einen wesentlichen Aspekt dieser Erfindung darstellt. Diese Erfindung ist insbesondere in der Form eines kostengünstigen, gütegeschalteten Laseroszillators für eine gütegeschaltete Laserverstärkerkette hoher Pulswiederholungsfrequenz (PRF) zur Erzeugung extrem ultravioletter Strahlung durch ein lasererzeugtes Plasma für EUV-Photolithographie-Anwendungen in der Halbleiterindustrie attraktiv, zusätzlich zu materialverarbeitenden Anwendungen.
1 zeigt schematisch die Funktionsweise eines AO-Modulators mit einem Radiofrequenzsignal, das an den akustischen Wandler angelegt ist (d. h. der Schalter S in 1 ist geschlossen). Der Eingangslaserstrahl mit einem Durchmesser ”d” (wobei ein runder Strahl nur als ein Beispiel angenommen wird), einem zur Basis der AO-Zelle (d. h. zur Seite der AO-Zelle) parallel polarisierten elektrischen Feldes (E) und einer Leistung ”P_i” breitet sich durch die AO-Zelle unter dem Bragg-Winkel Φ_B der Schallwellen mit Wellenlänge V_a aus, wobei ein Großteil des Laserstrahls unter einem Beugungswinkel θ = (λf_a/v_a) gebeugt wird, worin λ die Infrarotwellenlänge (d. h. 9 bis 11 μm für CO₂-Laser) ist, sowie f_a und v_a die akustische Frequenz bzw. Schallgeschwindigkeit (v_a = 5,5 × 10³ m/sec in Ge) sind. Für f_a = 40 MHz beträgt θ typischerweise 77,1 mrad. Für λ = 10,6 μm ist der Bragg-Winkel Φ_B näherungsweise 38,5 mrad für eine akustische Frequenz von 40 MHz in Ge. Die Intensität der Schallwelle (Pac) bestimmt den Betrag der gebeugten Laserleistung (P_o ~ P_iη), worin η der Prozentsatz der Laserleistung P_i ist, der unter einem Winkel θ gebeugt wird. Typischerweise ist η näherungsweise 80% bei 10,6 μm mit einer akustischen Frequenz von 40 MHz und einer Leistung von näherungsweise 30 Watt in Ge.
Die ungebeugte Leistung des Durchsatzstrahls ist P_I ~ (P_i – P_o). Der Prozentsatz des gebeugten Strahls ”η” kann berechnet werden aus: η = sin2[(1,57(2/λ2(L/H)MPac)1/2], (Gl. 1) worin:

L/H: geometrische Faktoren sind,
P_ac: die akustische Leistung ist, und
M: die Leistungszahl des Ge-Materials = 180¹⁵ m²/Watt angibt.

Falls die Zelle der 1A in die rückkopplungsoptische Kavität eines Lasers eingesetzt werden würde, würde sie den hochverlustigen Zustand eines gütegeschalteten CO₂-Lasers bereitstellen.
Für einen ordnungsgemäßen Betrieb ist die AO-Zelle mit der Ablenkungsebene parallel zur Polarisationsachse des Wellenleiters ausgerichtet. Die Zelle ist durch Drehung so eingestellt, dass der Strahl innerhalb der Kavität in den Ge-Kristallen unter dem Bragg-Winkel eintritt. Zwischen den Pulsen ist der Lasereffekt durch Anlegen der Radiofrequenzleistung an die AO-Zelle unterdrückt, was zu einer Strahlablenkung um das Zweifache des Bragg-Winkels führt. Um einen optischen Puls zu erzeugen, wird die Radiofrequenzleistung an der AO-Zelle kurz ausgeschaltet, wobei die Länge des Pulsschwanzes durch die Abschaltzeit der Radiofrequenz bestimmt ist.
1B zeigt schematisch die Funktion des AO-Modulators, ohne dass Radiofrequenzleistung an den akustischen Wandler angelegt ist (d. h. der Schalter S ist offen). In diesem Fall gibt es keine Ablenkung und in erster Näherung ist P_o ☐ P_i unter Vernachlässigung optischer Absorption (d. h. dies können 1–2% je cm bei 9–11 μm sein) und der Reflektion an den antireflexbeschichteten Oberflächen. In den nachstehend diskutierten Beispielen wird der Laser in einem Zustand niedrigen Verlusts sein, wenn keine Leistung an der AO-Zelle anliegt, wie in 1B gezeigt.
Experimentelle Laseranordnung
Um die Durchführbarkeit der AO-gütegeschalteten Herangehensweise zu untersuchen, wurde ein Demonstrationslaser mittels bestehender Komponenten angefertigt. Die Anordnung ist in 2 gezeigt. Die Verstärkerzelle des Lasers besteht aus einem dicht verschlossenen, mit Radiofrequenzen angeregten Wellenleiterlaserrohr mit insgesamt neun zur Wellenleitung U-förmigen Wellenleiterschlitzen (3,2 mm × 3,2 mm im Querschnitt), die in einer mehrfach gefalteten Geometrie angeordnet sind. Die Schlitze sind typischerweise durch Kanäle definiert, die maschinell in einen Keramikblock gearbeitet sind. Jeder von zwei großen Spiegeln M₁ und M₂ an jedem Ende des Lasergehäuses stellte drei gefaltete Reflektionen bereit. Der Auskoppler M₀ hat 25% Reflektionsgrad (oder 75% Auskopplung) und ein ZnSe-Dünnfilmpolarisator (TFP) 20 diente sowohl zur Resonatorpolarisation als auch als ein Vakuumfenster. Mehrere der Spiegel waren speziell beschichtet, um einen Lasereffekt bei der gewünschten Wellenlänge von 9,25 μm sicherzustellen.
Zur Vereinfachung ist in 2 nur eine 5-fach gefaltete Resonatoranordnung gezeigt. M₀ ist der Auskopplungsspiegel. Spiegel M₁ und M₂ sind zwei rechteckige Strahlfaltungsspiegel und Spiegel M₃ ist außerhalb des hermetisch verschlossenen Lasergehäuses angeordnet und stellt den hochreflektierenden Spiegel der Laserkavität dar. Zusätzliche Informationen über Laser mit gefalteten Wellenleitern sind in folgenden, gleichermaßen im Eigentum befindlichen Patenten offenbart, von denen jedes durch Verweis aufgenommen ist: US-Patente Nr. 6,788,722 und 6,798,816 .
Die Verstärkerzelle wurde auf eine stabile Basisstruktur montiert. Ein handelsüblicher, 5,0 cm breiter akusto-optischer Strahlablenker (Intra-Action # ADM-406B1) aus Ge wurde dann neben dem Polarisator 20 am Ende des Rohrs ausgerichtet und durch Drehung so orientiert, um unter dem Bragg-Winkel zu stehen, der näherungsweise 38 mrad bei 40 MHz akustischer Zentralfrequenz und bei einer Infrarotwellenlänge von 9,25 μm beträgt. Ein Planend-Reflektor (M₃) wurde hinter der AO-Zelle positioniert, um den Resonator zu vervollständigen. Die AO-Zelle ist außerhalb des hermetisch verschlossenen Laserrohrgehäuses, das das CO₂-Gasgemisch enthält, zwischen dem Endspiegel M₃ und dem Dünnfilmpolarisator 20 eingesetzt.
Eine handelsübliche Leistungsversorgung 22 mit 100 MHz wurde verwendet zur Bereitstellung von annähernd 1 kW Radiofrequenzleistung an den Elektroden 24 der CO₂-Entladung durch einen Schalter S₂. Zusätzlich wurde eine handelsübliche Versorgung 30 mit 40 MHz verwendet zum Betreiben der AO-Zelle mit annähernd 30 Watt Maximalleistung. Diese letztere Einheit wurde durch einen externen Pulsgenerator angesteuert zur Bereitstellung der gewünschten optischen Pulswiederholungsfrequenz (PRF).
Bei geschlossenem Schalter ”S₁” wie in 2A wird Laserstrahlung aus der Kavität heraus abgelenkt. Dies ist der Zustand hohen Verlusts und der Laser kann nicht oszillieren. Wenn der Schalter ”S₁” geöffnet ist (2B), sind keine Schallwellen in der Zelle. Deshalb wird keine Strahlung aus der Laserkavität heraus abgelenkt. Dies ist der Zustand niedrigen Verlustes und der Laser kann oszillieren.
In diesem Experiment blieb der Schalter S₂ zu allen Seiten geschlossen, so dass Radiofrequenzleistung von der Versorgung 22 fortlaufend zur Laserentladung bereitgestellt wurde. Es wäre möglich, den Laser durch Öffnen und Schließen des Schalters S₂ überzupulsen. Mittels eines reduzierten Einschaltgrads ist es möglich, den Laser mit höheren Radiofrequenzleistungen zu betreiben, um Pulse höherer Leistungsspitze zu erzeugen. (Zusätzliche Informationen hinsichtlich eines übergepulsten Betriebstyps kann im gleichermaßen im Eigentum befindlichen US-Patent Nr. 6,826,204 gefunden werden, das hier durch Verweis aufgenommen sei). Eine Synchronisation des Öffnens und Schließens der Schalter S₁ und S₂ aus 2 bietet eine Flexibilität hinsichtlich der Pulsformate, die durch den Laser abgegeben werden können.
Die Einschalt-/Ausschaltzeitabfolge der Radiofrequenzleistung, die die Laserentladung antreibt, welche die CO₂-Laserverstärkung erzeugt, die akustische Leistung P_ac, die akustische Zeitverzögerung zusammen mit der daraus resultierenden gütegeschalteten Pulszeitvorgabe als auch die zugehörige Begrenzung des Pulsschwanzes sind in 3 gezeigt. 3A zeigt die Radiofrequenzleistung für den Laser. 3B stellt die Leistung für die AO-Zelle dar. 3C ist vorgesehen, um die Wirkung der AO-Zelle am Ort des Strahls innerhalb der Zelle zu zeigen. Genauer gesagt, und wie nachstehend diskutiert, gibt es eine Verzögerung zwischen der Zeit zu der die Leistung am Wandler in der Zelle anliegt und der Zeit, zu der die Schallwelle den Laserstrahl erreicht. Umgekehrt gibt es eine ähnliche Zeitverzögerung zwischen der Zeit, zu der die Leistung am Wandler abgebaut wird und der Zeit, zu der der Bruch in der Schallwelle den Laserstrahl erreicht. Der Laser wird somit nach Abbau der Leistung am Wandler nicht unmittelbar in einen Zustand niedrigen Verlusts übergehen, sondern zu einem späteren Zeitpunkt. 3D zeigt die Laserausgangsleistung.
In 3A wird zur Zeit t₁ die Radiofrequenzleistung zur Radiofrequenzleistungsversorgung des Lasers eingeschaltet. Nur als ein Beispiel nehmen wir an, dass die Radiofrequenzleistung der Laserentladung fortlaufend eingeschaltet bleibt. Zu einer früheren Zeit ”t₀” (s. 3B) wurde bereits die Leistung für die AO-Zelle eingeschaltet und blieb für eine Zeit t_HL an. Sie wurde zur Zeit t₁ abgeschaltet, als die Radiofrequenzleistung zur Entladung eingeschaltet wurde. Die AO-Zelle wird wieder zur Zeit t₂ eingeschaltet nach Wartens für eine Zeitspanne ”t_LL” (s. 3B). Da die Schallwelle mit der Laserstrahlung in einem Abstand ”D” vom Wandler (s. 1B) wechselwirkt, gibt es eine Zeitverzögerung t_D = D/V_a aufgrund der Zeit, die die Schallwelle benötigt, um den Punkt zu erreichen, an dem sie mit der Laserstrahlung wechselwirkt (s. 3C). Wenn die Schallwelle den Ort des Laserstrahls kreuzt, bewirkt sie, dass ein hoher Verlust eintritt aufgrund der Ablenkung der Strahlung aus der Kavität her aus, wie in 1A gezeigt ist. Die Besetzung des oberen Laserniveaus wird während der Zeitperiode ”t_HL” (zwischen t₁ und t₃) aufgebaut.
Nach einer Zeitverzögerung von t₀ plus t_HL, entsprechend der Zeit t₃, erreicht der zur Zeit t₁ eingeleitete Abschluss der Schallwelle den Laserstrahl, was bewirkt, dass der Laser in einen Zustand niedrigen Verlusts wie in 1B schaltet. Folglich beginnt der Laser zu oszillieren und erzeugt einen Lichtpuls. Zur Zeit ”t₄” erreicht die zur Zeit t₂ eingeleitete Schallwelle den Laserstrahl in der Zelle und bewirkt wieder einen Zustand hohen Verlusts innerhalb des Lasers, da Licht aus dem Resonatorweg heraus abgelenkt wird. Dies bewirkt, dass der Schwanz des gütegeschalteten Laserpulses, der normalerweise zur Zeit ”t₅” enden würde, zur Zeit ”t₄” beschnitten wird. Die Abschnittszeit des Schwanzes des Laserpulses wird durch die Zeitdauer ”t_LL” bestimmt, d. h. die Zeitdauer während der die AO-Zelle ausgeschaltet ist.
Experimentelle Ergebnisse:
Mehrere Oszilloskopaufzeichnungen zur Darstellung eines typischen gütegeschalteten Betriebs sind in den 4 und 5 für einen 9-faltigen Wellenleiter-CO₂-Laser gezeigt. In jeder der beiden Figuren ist die obere Aufzeichnung (4A und 5A) das Radiofrequenz-Treibersignal des Modulators bei annähernd 40 MHz. Das 40 MHz-Signal wurde mittels eines linearen Richtkopplers erfasst. Die untere Aufzeichnung in jeder Figur (4B und 5B) ist der gütegeschaltete Laserpuls. Die Zeitablenkungsgeschwindigkeit in 4 beträgt 400 Nanosekunden je Hauptteilung und sie ist 10 Mikrosekunden je Hauptteilung für 5. Die Radiofrequenzleistung an der AO-Zelle wurde bei 30 Watt aufrecht erhalten, um einen Zustand hohen Verlustes aufrecht zu erhalten, der es dem Leser ermöglicht, eine große Überbesetzung des oberen Laserniveaus zu erreichen. Der Radiofrequenzantrieb der Zelle wurde dann für ein Intervall von annähernd 800 ns auf Aus gesteuert. Zu beachten ist, dass der gütegeschaltete Laserpuls annähernd 2.250 ns später eintrat. Ein Großteil dieser Verzögerung ist Folge der endlichen Laufzeit der Schallwelle im Ge-Kristall zum Erreichen des Laserstrahls innerhalb der Kavität und der Laufzeit, welche die Schallwelle zur Ausbreitung über den Durchmesser des Laserstrahls benötigt. Die Schallgeschwindigkeit in Ge ist 5.500 m/s, während der Strahldurchmesser des im Experiment verwendeten Lasers annähernd 2 mm im Querschnitt betrug. Es gibt auch eine Verzögerung, die durch eine Abfall- und Anstiegszeit des Radiofrequenztreibers sowie der optischen Aufbauzeit des Lasers bewirkt wird.
4B zeigt, dass der sich ergebende gütegeschaltete Laserpuls eine Breite von etwa 110 ns Halbwertsbreite (FWHM) aufweist, die mit denjenigen vergleichbar ist, die bei herkömmlichem elektro-optischen Güteschalten erhalten werden. Allerdings neigt der Puls zu einer erheblich längeren Auslaufzeit, statt wie beim EO-Güteschalten kurz abgeschnitten zu sein. Dies ist wiederum Folge der endlichen akustischen Laufzeit im Ge-Kristall. Auch sollte bemerkt werden, dass diese relativ lange Laufzeit die Verwendung akusto-optischer Zellen bei gleichzeitigem Lasergüteschalten und kavitätsausschüttendem („cavity dumping”) Betrieb unattraktiv macht, da die sich ergebende optische Pulsdauer etwa 100 ns betragen wird, im Gegensatz zu weniger als 20 ns bei der elektro-optischen Version einer Kavitätsausschüttung. 5 stellt einen gütegeschalteten Betrieb bei einer Pulswiederholungsfrequenz (PRF) von 50 kHz dar.
Die Oszilloskopaufzeichnung der 6 zeigt einen gütegeschalteten Puls bei einer schnellen Zeitablenkungsgeschwindigkeit, d. h. bei 100 ns je Hauptteilung.
Wie in den 4 bis 6 ersichtlich ist, kann ein weiter Bereich an Pulsformaten mit AO-Zellen beherrscht werden. Dies schließt Pulsstöße ein, die mit einem gepulsten Radiofrequenzantrieb der Laserentladung synchronisiert sind, verbunden mit externem Pulstriggern von einer Benutzerschnittstelle aus, so dass ein AO-Güteschalten mit derselben Flexibilität wie beim EO-Güteschalten bereitgestellt ist.
Ein Diagramm einer mittleren Ausgangsleistung mit Pulswiederholungsfrequenzen (PRF) von 10 kHz bis 100 kHz und die dazu entsprechende zweidimensionale (x- und y-Achsen) Fernfeldstrahldivergenz sind in 7 bereitgestellt. Diese Daten wurden bei einer Erhöhung der Pulswiederholungsfrequenz des AO-Modulators von 10 bis 100 kHz in Schritten von 10 kHz alle zwei Minuten aufgenommen. Eine Maximalleistung von über 30 Watt wurde bei der maximalen Rate erreicht, wobei durchgehend im Testlauf die Abschaltzeit der Radiofrequenz für jeden Puls konstant bei 800 ns gehalten wurde. Wie ersichtlich ist, blieb die Strahldivergenz in beiden Achsen im Wesentlichen über den ganzen Betriebsbereich konstant. Dies lässt erkennen, dass ein thermischer Linseneffekt im Ge-AO-Kristall zumindest bei diesen Leistungspegeln nicht hinlänglich schwerwiegend ist, um die Resonatorgesamtstabilität bedeutsam zu vermindern.
Das Fernfeldausgangsstrahlprofil in den x- und y-Achsen bei 50 kHz Pulswiederholungsfrequenz (PRF) und 27 Watt Ausgangsleistung ist in 8 gezeigt. 8 zeigt, dass der Strahl in beiden Achsen nahezu die Form einer Gauß-Glocke hat.
Gemeinsame Leistungsversorgung
Im oben diskutierten Ausführungsbeispiel der 2 sind zwei Leistungsversorgungen gezeigt. Genauer gesagt stellt die Leistungsversorgung 22 die hohe Eingangsleistung für die Elektroden bereit, während die Leistungsversorgung 30 eine niedrige Eingangsleistung für die AO-Zelle bereitstellt. Im oben diskutierten Beispiel werden die Leistungsversorgung 22 bei einer Frequenz von 100 MHz und die Leistungsversorgung 30 bei einer Frequenz von 40 MHz betrieben. Da beide Versorgungen Radiofrequenzleistungen erzeugen, wäre es möglich, den Laser mit einer einzigen Leistungsversorgung bei einer einzigen Frequenz zu betreiben. Diese Herangehensweise kann den Laser vereinfachen und Kosten erheblich senken. Die Verwendung einer Leistungsversorgung wird die Freiheit die Form der Impulse zu variieren etwas reduzieren.
9 stellt schematisch die physikalische Grundanordnung für ein Lasersystem dar, wobei eine Leistungsversorgung verwendet wird, um die Entladung anzuregen und die Güteschaltung der Erfindung zu nutzen. Die Ausgangsleistung der Leistungsversorgung 50 wird durch einen einzigen Schalter ”S” geführt. Das Radiofrequenzsignal aus dem Schalter S wird durch eine Kette von Transistorleistungsverstärkern 52 geführt, um die gewünschte Leistung zu erhalten, die der Entladung des Lasers zuzuführen ist. Die Ausgangsleistung des Verstärkers P beträgt typischerweise etwa 1 kW. Ein kleiner Prozentsatz ”η”, nehmen wir mehrere Prozent der Ausgangsleistung von P an, wird durch eine Radiofrequenzabzweigung abgegriffen, so dass die Leistungszufuhr zur AO-Zelle ist: P_a = ηP, worin η der Prozentsatz der von P abgezweigten Leistung ist. Dies belässt die Leistung (P_L), die der Laserentladung bereitgestellt wird, bei P_L = (1 – η)P_A. Einige typische Zahlen sind ”P” = 1 kW, P_a = ηP = 50 W für die AO-Zelle. Bei 100 MHz kann die AO-Zelle zum Beispiel die AO-Zelle der IntraAction Corp., Modell ”AGM-1005A21-51 sein, betrieben bei 100 MHz. Mit η = 0,05 verbleiben P_L = 950 W für die bei 100 MHz betriebene Laserentladung.
Die Radiofrequenzabzweigung mit annähernd –13 dB für die AO-Zelle kann durch verschiedene im Stand der Radiofrequenztechnik bekannte Techniken erreicht werden, wie etwa einem Radiofrequenzrichtkoppler, der entweder durch Übertragungsleitungen oder gedruckte Schaltungstechnologien hergestellt wird, oder ein abgezweigter Spartransformator, oder durch eine abgezweigte kapazitive Brücke oder durch Netzwerke aus induktiven und/oder kapazitiven Bauteilen, etc.
Als ein Beispiel stellt 10 eine Herangehensweise dar mit einem Spartransformator von –13 dB als Radiofrequenzabzweigung zum Auskoppeln eines kleinen Betrags der Leistung von der Ausgangsleistung einer 1 kW-Radiofrequenzleistungsversorgung zum Betrieb einer 50 W Leistung erfordernden AO-Zelle. Entweder eine Abzweigung mit festen Windungen (nicht gezeigt) oder eine Abzweigung mit wechselseitig induktiven Spulen (wie in 10 gezeigt) kann genutzt werden, um die geringe, zum Betrieb der AO-Zelle erforderliche Radiofrequenzleistung auszukoppeln. Solch eine Radiofrequenzabzweigungstechnik mit Spartransformator ist im Stand der Radiofrequenztechnik wohlbekannt.
Unter wiederholter Bezugnahme auf 9 führt ein Schließen des Schalters S die Radiofrequenzleistung sowohl dem CO₂-Laser als auch der AO-Zelle zu. Da die AO-Zelle dann eingeschaltet ist, verhindert sie Laseroszillation, wodurch bewirkt wird, dass die Überbesetzung des oberen Laserniveaus aufgebaut wird. Wenn die Überbesetzung im oberen Niveau des Lasers maximiert ist, wird S geöffnet, wodurch der Laser und die AO-Zelle zur selben Zeit abgeschaltet werden. Wenn S geöffnet wird, wird die Laserentladung abgeschaltet, jedoch ist sein optischer Resonator in einem Zustand niedrigen Verlusts, da die AO-Zelle ebenfalls abgeschaltet ist. Folglich wird eine Laseroszillation eingeleitet, sobald die mit der sich vom akustischen Wandler ausbreitenden Schallwelle verbundene Zeitverzögerung bis zum Durchlaufen des Orts, an dem der Laserstrahl sich durch die AO-Zelle ausbreitet, verstrichen ist. Die Schallgeschwindigkeit in Ge ist annähernd 5,5 × 10³ cm/sek, so dass die Schallwelle annähernd 18 Mikrosekunden benötigt, um 1 cm zu laufen.
11 gibt eine Ansicht der Zeitfolge der Ereignisse für die Erfindung an. Zur Zeit t₀ wird der Schalter S aus 9 geschlossen, wodurch Radiofrequenzleistung ”P” aus der Radiofrequenzleistungsversorgung (hier als 1 kW angenommen) bereitgestellt wird, wie in 11A gezeigt ist. Da von P ein Prozentsatz in Höhe von ”η” für die AO-Zelle abgezweigt wird, ist die der Laserentladung bereitgestellte Radiofrequenzleistung P_L = (1 – η)P und die der AO-Zelle bereitgestellte Leistung beträgt P_a = ηP (s. 11B). Unter der Annahme η = 0,05 ergibt sich für 1 kW aus der Radiofrequenzleistungsversorgung P_L = 950 W und P_a = 50 W für dieses Beispiel. Die Zeitdauer des Radiofrequenzpulses wird in 11A als T_bu bezeichnet. Die Amplitude dieses Impulses kann das Doppelte der mittleren Leistung der Radiofrequenzversorgung sein aufgrund des niedrigeren Einschaltgrads (überpulster Betrieb wie oben diskutiert). Da die Laserstrahlausbreitung durch die AO-Zelle etwas von dem akustischen Wandler beabstandet ist, gibt es eine Zeitverzögerung (T_D) bevor die Schallwellen den Laserstrahl beim Übergang des optischen Resonators in einen Zustand hohen Verlusts zur Zeit t₁ unterbrechen (s. 11C). Zur Zeit t₁ beginnt die Besetzung des oberen Zustands des Lasers sich aufzubauen und erreicht ein Maximum zur Zeit t₂ nach welchem es abflacht (s. 11D). Zur Zeit t₃ wird die Radiofrequenzleistung zur Laserentladung und der AO-Zelle durch Schließen des Schalters S abgetrennt. Die sich innerhalb der AO-Zelle ausbreitenden Schallwellen durchlaufen weiterhin den Laserstrahl für eine Zeitdauer gleich T_D bis zu einer Zeit t₄. Da die Radiofrequenzleistung zur Laserentladung zur Zeit t₃ beendet wird, beginnt die Besetzung des oberen Laserniveaus abzufallen aufgrund der spontanen Emission während der Zeit zwischen t₃ bis t₄. Zur Zeit t₄ wird der Güteschalter durchlässig und der Laser gelangt in den Zustand niedrigen Verlusts. An diesem Punkt setzt die Laseroszillation ein und eine Ausgangsleistung baut sich auf und wird als ein Puls entnommen. Die Spitze des gütegeschalteten Pulses tritt zur Zeit t₅ ein, wie in 11E gezeigt ist. Da die Zeitdifferenz zwischen t₃ und t₄ weniger als einige Mikrosekunden ist, während die Lebensdauer der oberen Zustände des Lasers mehrere 10 Mikrosekunden beträgt, ist der Energieverlust zwischen t₃ und t₄ geringfügig.
Die im Schwanz des gütegeschalteten Pulses enthaltene Reststrahlung endet natürlicherweise in diesem Beispiel zwischen den Zeiten t₆ und t₇. In diesem Beispiel wird der Schalter S zur Zeit t₆ geschlossen, jedoch bleibt der Güteschalter im durchlässigen Zustand bis zu einer t₈ aufgrund der oben diskutierten Zeitverzögerung T_D. Es gibt in diesem Beispiel deshalb keine Begrenzung des Schwanzes. Falls, wie nachstehend diskutiert, das Intervall zwischen der Zeit, zu der die Radiofrequenzleistung abgeschaltet wird (t₃) und wieder eingeschaltet wird (t₆), verringert wird, wird die AO-Zelle vor dem Ende des Pulsschwanzes in den Zustand hohen Verlusts schalten, so dass der Schwanz abgeschnitten werden kann. Ein Abschneiden des Schwanzes des Pulses kann eine Funktion, insbesondere für Bohrungen, verbessern.
12 bezieht sich auf die Bereitstellung experimenteller Daten, die die tatsächliche Zeitfolge nach zeitgleichem Anlegen der Radiofrequenzleistung an die Radiofrequenzentladung des Lasers und die AO-Zelle darstellen. Das verwendete Lasersystem war ähnlich zu dem, das zum Erzeugen der Aufzeichnungen in den 4 und 5 verwendet wurde, jedoch abgewandelt, um eine einzige Leistungsversorgung für sowohl die Entladung als auch die AO-Zelle zu verwenden. Die obere Aufzeichnung (12A) ist die Radiofrequenzleistung und die untere Aufzeichnung (12B) ist der Laserpuls.
Für das experimentelle Beispiel der 12 ist die Radiofrequenzleistung für T_bu = 12,8 Mikrosekunden eingeschaltet, die Pulswiederholungsfrequenz (PRF) ist 1/20 Mikrosekunde oder 50 kHz und die Zeitdauer, für die die Radiofrequenzleistung ausgeschaltet ist, beträgt näherungsweise T₀ = 7,2 Mikrosekunden. 12B stellt die gütegeschalteten Laserpulse dar, welche mit der Pulswiederholungsfrequenz von 50 kHz des Radiofrequenzpulses entstehen. Die Zeitverzögerung für das Auftreten der gütegeschalteten Pulse, nachdem die Radiofrequenzpulse abgeschaltet sind, beträgt näherungsweise 3,2 Mikrosekunden. Diese Verzögerung ist die Summe der Schallausbreitungszeit T_D plus der zum Aufbau des gütegeschalteten Pulses aus dem spontanen Emissionsrauschen innerhalb der optischen Kavität des Lasers notwendigen Zeit (T_L), wie in 11 gezeigt ist. Besonders zu erwähnen ist, dass in 12B der lange Schwanz des gütegeschalteten Pulses, 2,4 Mikrosekunden nachdem der Radiofrequenzpuls eingeschaltet ist, abgeschnitten wird. Die Zeitverzögerung (T_D) ist die Zeit, die die Schallwelle zum Schneiden des Laserstrahls in der AO-Zelle benötigt.
13 stellt Daten einer Zeitfolge dar, die eintritt, wenn T_BU auf annähernd 18,4 Mikrosekunden erhöht wird, wodurch T₀ auf annähernd 1,6 Mikrosekunden abnimmt bei derselben, in 12 gezeigten Pulswiederholungsfrequenz PRF = 50 kHz. Da die Ausschaltzeit T₀ der Radiofrequenz in diesem Beispiel kürzer ist als in 12, tritt der zweite Radiofrequenzpuls bezüglich des Pulsschwanzes früher auf, wodurch die Strahlung des Pulsschwanzes früher als in 12 ”abgeschnitten” wird. Durch Ändern der Pulswiederholungsfrequenz (PRF) und der Dauer der sowohl der Laserentladung als auch der AO-Zelle bereitgestellten Radiofrequenzpulse kann die Pulswiederholungsfrequenz (PRF) und die Dauer der Strahlung im Schwanz in diesem AO-gütegeschalteten Lasersystem mit einer einzigen Radiofrequenzleistungsversorgung/einem einzigen Schalter passend zur Anwendung verändert werden.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, können darin verschiedene Veränderungen und Modifikationen durch den Fachmann auf dem Gebiet vorgenommen werden, ohne vom durch die angefügten Ansprüche definierten Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Akusto-optisch gütegeschalteter CO2-Laser
Ein gepulster CO₂-Laser wird durch einen in der Kavität angeordneten akusto-optischen Güteschalter (AO-Güteschalter) gütegeschaltet, der ein bei einer Fundamentalwellenlänge des Lasers transparentes AO-Material aufweist. In einem Beispiel ist das AO-Material Germanium.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6826204 [0003, 0023, 0042]
- US 5021631 [0023]
- US 7058093 [0023]
- US 6788722 [0038]
- US 6798816 [0038]

Claims

CO₂-Laser, umfassend: ein Gehäuse, das ein gasförmiges Verstärkermedium, einschließlich CO₂, enthält; einen Laserresonator, der einen hohen Reflektor und einen Auskoppler aufweist, wobei der Auskoppler mit wenigstens 50% Auskopplung versehen ist; eine Anregungsanordnung zum Anregen des Verstärkermediums; und eine im Laserresonator angeordnete akusto-optische Zelle (AO-Zelle), die ein AO-Material aufweist, das bei einer für CO₂ charakteristische Fundamentalwellenlänge im Wesentlichen transparent ist, und wobei die Zelle zum Schalten des Resonators zwischen einem Zustand hohen und niedrigen Verlusts zur Erzeugung gütegeschalteter Pulse verwendet ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei das AO-Material Germanium ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei zum Anregen des Verstärkermediums und zum Versorgen der AO-Zelle eine einzige Leistungsversorgung verwendet ist.
Laser nach Anspruch 3, wobei die Leistungsversorgung Radiofrequenz-Energiepulse erzeugt.
Laser nach Anspruch 1, wobei der Auskoppler mit wenigstens 75% Auskopplung versehen ist.
CO₂-Wellenleiterlaser, umfassend: ein Gehäuse, das ein gasförmiges Medium, einschließlich CO₂, enthält; ein Paar voneinander beabstandeter Elektroden zum Anregen des Verstärkermediums; einen Laserresonator, der einen hohen Reflektor und einen Auskoppler aufweist, wobei der Auskoppler mit wenigstens 50% Auskopplung versehen ist, wobei der Resonator ferner wenigstens zwei Faltungsspiegel aufweist zur Schaffung einer gefalteten Resonatorgeometrie mit wenigstens fünf Durchläufen durch das Verstärkermedium; eine Radiofrequenz-Energiequelle, die die Elektroden mit Energie versorgt zum Erzeugen einer Laserverstärkung von wenigstens 1,0; und eine im Laserresonator angeordnete akusto-optische Zelle (AO-Zelle), die ein AO-Material aufweist, das bei einer für CO₂ charakteristische Fundamentalwellenlänge im Wesentlichen transparent ist, und wobei die Zelle zum Schalten des Resonators zwischen einem Zustand hohen und niedrigen Verlusts zur Erzeugung gütegeschalteter Pulse verwendet ist.
CO₂-Laser nach Anspruch 6, wobei das AO-Material Germanium ist.
CO₂-Laser nach Anspruch 6, ferner eine Abzweigung umfassend zum Abzweigen etwas der Energie der Radiofrequenz-Leistungsquelle zur Energieversorgung der AO-Zelle.
Laser nach Anspruch 8, wobei die Leistungsversorgung Radiofrequenz-Energiepulse erzeugt.
Kohlendioxid-Wellenleiterlaser, umfassend: ein Kohlendioxidgas enthaltendes Gehäuse; ein Paar voneinander beabstandeter Elektroden zum Anregen des Lasergases zur Erzeugung eines Laserstrahls; ein keramisches Element, das zwischen den Elektroden angeordnet ist und wenigstens fünf Wellenleiterkanäle festlegt; ein Laserresonator, der einen hohen Reflektor und einen Auskoppler und eine Vielzahl an Faltungsspiegeln, die den Laserstrahl entlang der Wellenleiterkanäle führen, und wobei die Verstärkung des Lasers größer als 1,0 ist und der Auskoppler mit wenigstens 50% Auskopplung versehen ist; und eine im Laserresonator angeordnete akusto-optische Zelle (AO-Zelle), die ein AO-Material aufweist, das bei einer für CO₂ charakteristische Fundamentalwellenlänge im Wesentlichen transparent ist, und wobei die Zelle zum Schalten des Resonators zwischen einem Zustand hohen und niedrigen Verlusts zur Erzeugung gütegeschalteter Pulse verwendet ist.
Laser nach Anspruch 10, wobei das AO-Material Germanium ist.
Verfahren zum Erzeugen gütegeschalteter Pulse von einem Laser mit einem gasförmigen Verstärkermedium, das CO₂ aufweist und innerhalb eines Laserresonators angeordnet ist, wobei der Laser eine Radiofrequenz-Leistungsversorgung auf weist zur Versorgung eines Elektrodenpaares mit Energie zum Anregen des Verstärkermediums, und wobei der Laser ferner eine im Laserresonator angeordnete akusto-optische Zelle (AO-Zelle) aufweist, wobei die Zelle zum Schalten des Resonators zwischen einem Zustand hohen und niedrigen Verlusts zur Erzeugung gütegeschalteter Pulse verwendet wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Versorgen der Elektroden mit Radiofrequenzleistungspulsen zum Anregen des Verstärkermediums; und Abgreifen eines Teils der Radiofrequenzleistung aus den Pulsen und Versorgen der AO-Zelle mit der abgegriffenen Leistung, wobei die Zeiteinteilung der Pulse so ausgewählt ist, dass der Laser gütegeschaltete Laserpulse erzeugt.
Laser nach Anspruch 12, wobei das AO-Material Germanium ist.
CO₂-Laser, umfassend: ein Gehäuse, das ein gasförmiges Verstärkermedium, einschließlich CO₂, enthält; ein Elektrodenpaar zum Anregen des Verstärkermediums; einen das Verstärkermedium umgebenden Laserresonator; eine gepulste Radiofrequenz-Leistungsquelle zum Versorgen der Elektroden mit Energie; eine im Laserresonator angeordnete akusto-optische Zelle (AO-Zelle), die ein AO-Material aufweist, das bei einer für CO₂ charakteristische Fundamentalwellenlänge im Wesentlichen transparent ist, und wobei die Zelle zum Schalten des Resonators zwischen einem Zustand hohen und niedrigen Verlusts zur Erzeugung gütegeschalteter Pulse verwendet ist; und eine Abzweigung zum Abzweigen eines Teils der Energie der Pulse aus der Radiofrequenz-Leistungsquelle zum Betreiben der AO-Zelle.
Laser nach Anspruch 14, wobei das AO-Material Germanium ist.