DE19732758A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung von Laser-Resonatoren auf einen vorgegebenen Stahlverlauf - Google Patents

Description

Der Strahlverlauf in optischen Resonatoren wird durch die Bedingung der Selbstkonsistenz der transversalen Modenstruktur nach einem Resonatorumlauf festgelegt und hängt von den Resonatorparametern wie Länge, Krümmungsradius der Spiegel, Position der optischen Komponenten und der pumpleistungsabhängigen thermischen Linse des aktiven Medium ab.

Besonders im Falle von optisch gepumpten Hochleistungsfestkörperlasern (wie z. B. Nd : YAG) wird der Strahlverlauf und damit die Strahlqualität maßgeblich durch die pumplichtinduzierte thermische Linse der Laserkristalle beeinflußt.

Es ist bekannt, daß das Produkt aus der Breite des Brechkraftintervalles der thermischen Linse, in dem der Laserresonator stabile Eigenlösungen besitzt, und der Strahlquerschnittsfläche des Grundmodes im aktiven Medium eine Konstante ist. Dies bedeutet, daß zur Realisierung großer Grundmode- Füllfaktoren, die Breite des Brechkraft-Stabilitätsbereiches entsprechend eingeschränkt werden muß. Infolgedessen muß die Pumpleistung ggf. stabilisiert werden, um den Resonator in der Mitte des Stabilitätsbereiches ("dynamisch-stabiler" Arbeitspunkt) zu halten. Um eine stabile Ausgangsleistung im Grundmodebetrieb zu erzielen wird zur Zeit entweder auf eine aktive Stabilisierung verzichtet, was auf Kosten der Effizienz geht, oder aber die Laserausgangsleistung wird durch Regelung der Pumpleistung auf das Maximum stabilisiert. Da die Laserausgangsleistung jedoch nicht zwangsläufig im dynamisch stabilen Arbeitspunkt maximal ist, liefert das zweite Verfahren keine optimale Stabilität der Laserausgangsleistung und der Strahlqualität.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Methode der Stabilisierung des Strahlverlaufes im Resonator zu realisieren, die vom Absolutwert der Laserausgangsleistung unabhängig ist und somit eine höherer Zuverlässigkeit aufweist.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Der zu stabilisierende Strahl wird in zwei Strahlen vergleichbarer Leistung aufgespalten und mit Hilfe von Linsen jeweils in das Nahfeld und Fernfeld transformiert, wo nach einer Transmission durch strahlbegrenzende Blenden jeweils eine Leistungsmessung erfolgt, so daß aus der Differenz der Leistungen hinter den Blenden ein vorzeichenbehaftetes Fehlersignal für die Abweichung vom "Soll"- Strahlverlauf gebildet werden kann, das zur Bestimmung des betrags- und richtungsmäßigen Änderung der Stellgröße für die Regelung herangezogen werden kann.

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß eine Stabilisierung des Strahlverlaufes unabhängig von der Ausgangsleistung des Lasers möglich ist und somit Schwankungen der Laserausgangsleistung, die nicht durch Schwankungen des Strahlverlaufes bedingt sind, keinen Einfluß auf die Regelung haben. Dies liegt darin begründet, daß sich solche Schwankungen auf beide Detektor- Signale im Nah- und Fernfeld gleichermaßen auswirken und daher bei der Bildung der Differenz beider Signale automatisch wegfallen.

Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2-5 beschrieben. Patentanspruch 2 beschreibt die Transformation des Strahles in das Nahfeld (Teleskop) und in das Fernfeld (Brennebene von Linse). Patentanspruch 3 beschreibt die Erzeugung zweier Laserstrahlen zur Analyse im Nah- und Fernfeld mit Hilfe eines dielektrischen Strahlteilers. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 4 ermöglicht eine optimale Abhängigkeit des Fehlersignales als Funktion der Pumpleistung. Patentanspruch 5 legt fest, daß im Falle einer unterschiedlichen Laserleistung der beiden erzeugten Teilstrahlen, die z. B. durch nicht ideale optische Komponenten oder ungleiche Detektorempfindlichkeit zustande kommen kann, durch eine entsprechende elektronische Verstärkung der beiden Signale das Differenzsignal auf Null abgeglichen werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Vorrichtung zur Stabilisierung eines Laserresonators (1) auf einen bestimmten Strahlparameter einer Referenzebene (6).

Fig. 2 Strahldurchmesser (8) als Funktion eines Laserparameters (7) (z. B. Pumpleistung des aktiven Mediums) in der Referenzebene (6).

Fig. 3 An den Detektoren (5a, 5b) gemessene Signale (13, 14) als Funktion eines Laserparameters (z. B. Pumpleistung des aktiven Mediums).

Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Gegeben sei ein Laser (1) dessen Nahfeld in einer Referenzebene (6) liegen möge. In dieser Ebene wird, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, eine Strahltaille (d. h. Krümmungsradius unendlich) mit variablem Durchmesser angenommen, deren Wert von einem Laserparameter (z. B. die elektrische Pumpleistung des aktiven Mediums im Laser) abhängt. Da der Krümmungsradius des Strahlungsfeldes in stabilen Resonatoren immer dem Krümmungsradius der Spiegel entspricht, läßt sich eine solche Referenzebene immer finden oder ggf. erzeugen. Der von der Referenzebene (6) nach rechts propagierende Strahl wird durch ein Teleskop bestehend aus den Linsen (2a, 2b) auf eine Blende (4b) abgebildet, hinter der sich ein Leistungsdetektor (5b) befindet. Der Durchmesser der Blende (4b) wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß beim Betrieb des Lasers im "Soll"-Strahlverlauf etwa 50% der Leistung durch die Blende auf den Detektor (5b) gelangen. Mit Hilfe eines 50%-Strahlteilers (3) wird hinter der ersten Linse (2a) ein Teil des Strahles ausgekoppelt. In der Brennebene von Linse (2a) wird dieser Strahl mit Hilfe einer zweiten Blende (4a) ebenfalls zu 50% in seiner Leistung beschnitten und mit einem zweiten Detektor (5a) detektiert. Durch die Anordnung wird sichergestellt, daß Detektor (5b) die Leistungstransmission durch eine Blende im Nahfeld, Detektor (5a) die Leistungstransmission durch eine Blende im Fernfeld mißt.

Um die Ausnutzung dieser beiden Signale zur Regelung des Lasers zu erklären, wird das in Fig. 2 dargestellte Diagramm betrachtet, daß die Charakteristik des Lasers in der Umgebung des "Soll"- Strahlverlaufes darstellt. Es ist der Strahldurchmesser (8) in der Referenzebene (6) als Funktion des zu regelnden Laserparameters (7) dargestellt. Es wird angenommen, daß der Laser auf einen Strahldurchmesser mit dem in Fig. 2 dargestellten Wert (10) stabilisiert werden soll. Hierzu ist nominell ein Laserparameter (9) erforderlich. Oberhalb dieses Arbeitspunktes nimmt die Strahltaille zu, unterhalb nimmt sie ab.

Auf die Detektorsignale hat diese Charakteristik die in Fig. 3 dargestellten Auswirkungen. Es sind die Detektorsignale (12) als Funktion des zu regelnden Laserparameters (7) dargestellt. Die Kurve (13) zeigt das mit dem Detektor (5b) gemessene Signal (Nahfeld). Unterhalb des Arbeitspunktes (9) ist das Signal nahezu konstant und nimmt bei Erhöhung des Laserparameters (7) ab, weil sich gemaß der in Fig. 2 dargestellten Charakteristik der Strahldurchmesser im Nahfeld vergrößert und somit die Transmission durch die Blende (4b) abnimmt. Unterhalb des Arbeitspunktes (9) kann der Strahl die Blende (4b) in zunehmendem Maße verlustlos transmittieren, so daß das Signal (13) gegen einen Maximalwert strebt.

Das im Fernfeld detektierte Signal (13) hat die genau umgekehrte Abhängigkeit: unterhalb des Arbeitspunktes (9) ist der Strahldurchmesser in der Referenzebene (6) kleiner als der Sollwert und wird somit in der Blendenebene (4a) schlechter fokussiert, so daß die Transmission abnimmt. Oberhalb des Arbeitspunktes weitet sich der Strahldurchmesser in der Referenzebene auf und wird dadurch stärker auf die Blende (4a) fokussiert, das Signal (14) strebt daher gegen seinen Maximalwert. Bildet mm die Differenz der beiden Detektorsignale, so erhält man die mit (15) bezeichnete resultierende Kurve, die einen Null-Durchgang im Arbeitspunkt (9) besitzt. Durch dieses Fehlersignal kann der Laserparameter (7) so geregelt werden, daß der Strahlverlauf im Arbeitspunkt gehalten wird. Da das Fehlersignal vorzeichenbehaftet ist, kann über den Regelalgorithmus problemlos entschieden werden, ob der Laserparameter vergrößert oder verkleinert werden muß.

Zum Null-Abgleich des Fehlersignales am Arbeitspunkt kann eines oder beide Signale der Detektoren (5a, 5b) elektronisch mit einem Verstärkungsfaktor versehen werden.

Claims (5)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung von Laser-Resonatoren auf einen vorgegebenen Strahlverlauf, dadurch gekennzeichnet, daß der zu stabilisierende Strahl in zwei Strahlen vergleichbarer Leistung aufgespalten wird, die mit Hilfe von Linsen jeweils in das Nahfeld und Fernfeld transformiert werden, wo nach einer Transmission durch strahlbegrenzende Blenden jeweils eine Leistungsmessung erfolgt, so daß aus der Differenz der Leistungen hinter den Blenden ein vorzeichenbehaftetes Fehlersignal für die Abweichung vom "Soll"-Strahlverlauf gebildet werden kann, das zur Bestimmung der betrags- und richtungsmäßigen Änderung der Stellgröße für die Regelung herangezogen werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nahfeld des Laserstrahles durch Abbildung eines Teleskopes betrachtet wird und das Fernfeld in der Brennebene einer Linse.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufspaltung des zu stabilisierenden Laserstrahles in zwei Strahlen vergleichbarer Leistung ein Strahlteiler mit einer dielektrischen Beschichtung von etwa 50% verwendet wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlbegrenzenden Blenden im Nah- und Fernfeld in ihrem Durchmesser so gewählt werden, daß sie beim Betrieb des Lasers mit dem "Soll"-Strahlverlauf etwa 50% der Leistung aus dem Strahl ausblenden.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer ungleichen Aufspaltung der Laserleistungen der beiden Teilstrahlen ein Abgleich der entsprechenden Detektorsignale über elektronische Verstärkung/Abschwächung erfolgt.