DE19962047A1 - Vorrichtung zur Stabilisierung der Dynamik von Laser-Systemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung von Lasern gegen schnelle Instabilitäten.

Unter bestimmten Betriebsbedingungen weisen viele Laser­ typen Instabilitäten, wie z. B. das sogenannte Güte-Schalten (Q-switching), Relaxationsoszillationen oder spiking (Schaltinstabilitäten) auf. In diesen gestörten Betriebs­ zuständen, die für eine Vielzahl von Anwendungen uner­ wünscht sind und in bestimmten Fällen sogar zur Zerstörung von Komponenten im Laser führen können, fluktuiert die mittlere Leistung stark mit typischen Frequenzen im 10-kHz- bis hoch in den Megahertz-Bereich. Diese Oszillationen bzw. Störungen sind in vielen Fällen nicht periodisch, sondern irregulär. Insbesondere neigen passiv kontinuierlich moden­ gekoppelte Laser, Laser mit resonatorinterner Frequenzver­ dopplung oder resonatorinterner Frequenzverschiebung oder "cavity dumped"-Laser, d. h. Laser, bei denen nur jeder n-te Puls, dafür aber mit n-fach erhöhter Pulsenergie ausgekop­ pelt wird, zu derartigen Irregularitäten.

Eine Vielzahl von interessanten Systemen verbieten aus die­ sem Grund bisher einen kontinuierlichen (cw) oder kontinu­ ierlich modengekoppelten Betrieb (cw mode locking), da die bekannten Stabilisierungsmechanismen nicht ausreichen, um das System im technisch nützlichen Bereich stabil zu hal­ ten. Umgekehrt ist für manche Anwendungen ein ausgeprägtes Güteschalten durchaus erwünscht. U. Keller beschreibt in "Semiconductor nonlinearities for solid-state laser mode­ locking and Q-switching", Nonlinear Optics in Semiconduc­ tors II, Semiconductors and Semimetals, Vol. 59, 211-285, 1999, ein Beispiel, wie sich durch kontrollierte Güteschal­ tung aus dem Pulszug eines modengekoppelten Lasers die größtmögliche Energie auskoppeln ließe. Ebenso ist es in manchen Fällen notwendig, die Frequenz der gütegeschalteten Pulse quarzstabil zu halten.

Seit der ersten Realisierung passiv modengekoppelter Laser wurde durch geeignete Wahl von Lasermaterialien, Absorber- Parametern, Lasermoden-Querschnitt usw. versucht, Systeme aufzubauen, welche sich zumindest in bestimmten Bereichen der zur Verfügung stehenden Pumpleistung stabil kontinuier­ lich modengekoppelt betreiben lassen. Neue Ansätze zur gezielten Stabilisierung solcher Systeme, wie etwa in E. R. Thoen, E. M. Koontz, M. Joschko, P. Langlois, T. R. Schibli, F. X. Kärtner, E. P. Ippen, L. A. Kolodziejski, "Two-photon- absorption in semiconductor saturable absorber mirrors", Appl. Phys. Lett. 74, 3927-3929, 1999, machen von speziel­ len, nicht-linearen Absorberelementen Gebrauch, deren Ein­ satz allerdings aus im folgenden genannten Gründen Grenzen gesetzt sind.

Die bekannten Verfahren beheben zum einen das oben aufge­ zeigte Problem der fehlenden Stabilisierung nur in einem eingeschränkten Parameterbereich der Systeme; nie über den ganzen Bereich der Pumpleistung, der beim Einschalten des Lasers durchfahren wird.

Zum anderen wurden Ansätze zur gezielten Unterdrückung der Güteschaltung in modengekoppelten Lasern durch Ausnutzung der Absorption freier Ladungsträger und durch Zwei-Photo­ nen-Absorption in Halbleitern vorgestellt. Diese Absorber können in bestimmten Fällen zum Ziel führen, doch durch ihren Einsatz wird die maximal erreichbare Pulsenergie, die Pulsform und Pulslänge beeinflußt. Zudem ist deren stabili­ sierende Wirkung in vielen Systemen zu schwach, um die pas­ sive Güteschaltung zu verhindern. Außerdem werden die Ab­ sorber bei dieser Methode sehr starken Beanspruchungen aus­ gesetzt; die hierdurch hervorgerufene starke Sättigung ver­ kürzt deren Lebensdauer beträchtlich.

Schließlich beschränken sich Ansätze zur aktiven Stabili­ sierung der Laser-Ausgangsleistung auf die Regelung von thermischen Schwankungen auf sehr langen Zeitskalen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, schnelle Instabilitäten eines Lasers, insbesondere die Güteschaltungs-Instabilität, das Spiking und die Relaxationsoszillationen, durch Rückkopplung der Laser-Ausgangsleistung auf den Netto-Laser-Gewinn geeignet zu regeln.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 dadurch gelöst, daß ein Bruchteil des Ausgangs­ signals des Lasers durch eine geeignete lineare oder nicht- lineare Regelung derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonatorumlaufzeit gemittelte Laser-Ausgangsleistung konstant bleibt.

Vorzugsweise wird die Leistung des Lasers mittels eines Detektors, insbesondere eines Photodetektors, bestimmt und durch eine aktive Rückkopplung geregelt. Je nach Anwendung wird man zur Regelung der Laserleistung entweder elektrisch steuerbare Verlust-Modulatoren innerhalb des Resonators verwenden oder die Pumpleistung des Systems modulieren. Letzteres bietet sich vor allem in dioden-gepumpten Syste­ men an, da die Regelung des Pumpstromes der Dioden zu einer direkten Modulation der Pumpleistung führt. Auf diese Weise erreicht man eine Stabilisierung oder auch eine Destabili­ sierung des optisch unveränderten Lasersystems, das auch eine Kontrolle des Betriebszustandes bestehender Systeme ermöglicht.

So kann durch Gegenkopplung die Güteschaltungsinstabilität unterdrückt oder durch Mitkopplung verstärkt werden. Unter Zuhilfenahme eines quarzstabilen Signalgenerators läßt sich durch geeignete Kopplung, zum Beispiel der Addition des durch den Generator erzeugten Signals und der gemessenen Laserleistung, die Repetitionsrate der durch Güteschaltung generierten Riesenpulse quarzstabil halten.

Im Vergleich zu bisherigen aktiven Stabilisierungen der Laser-Ausgangsleistung, die lediglich in der Lage sind, kleine und langsame Fluktuationen abzudämpfen, ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, selbst hoch­ frequente Fluktuationen wie die Güteschaltungs-Instabilität eines Lasersystems zu kontrollieren.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß in vielen Systemen, insbesondere bei dioden-gepumpten Systemen, keinerlei Änderungen am opti­ schen Aufbau vorgenommen werden müssen. Bei allen übrigen Lasersystemen wird die Regelung mittels eines elektroopti­ schen, akustischen, mechanischen oder sonstigen geeigneten Verlustmodulators innerhalb des Laserresonators realisiert werden. Eine erfindungsgemäß stabilisierte Vorrichtung kann bei wesentlich höheren Repetitionsraten betrieben werden als eine vergleichbare Vorrichtung ohne Stabilisierung. Ebenso sind höhere Pulsenergien im kontinuierlich modenge­ koppelten Betrieb möglich, da der Durchmesser des Laser­ modes im Verstärkermaterial und auf dem sättigbaren Absor­ ber größer gewählt werden kann, ohne daß der Laser zur Güteschaltung neigt. Erfindungsgemäße Vorrichtungen erlau­ ben auch erheblich höhere Pulsenergien des gütegeschalteten Pulszuges.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Mit Hilfe der Pump-Diode 1 wird der Nd : YVO4- Kristall des Lasers gepumpt. Die dichroische Platte 2 trennt dabei das Pumplicht vom erzeugten Laser-Licht (1064 nm), das dem Laser-Ausgang 7 zugeführt wird. Die direkt auf den Nd : YVO4-Kristall aufgebrachte dielektrische Auskoppel- Schicht 3 ist für das Pumplicht transparent und für das Laserlicht teildurchlässig (2% Transmission).

Ein geringer Teil des Laserlichts, der proportional zur Leistung des Laserausgangs 7 ist, wird durch den sphäri­ schen, dielektrischen Spiegel 4, der nur ca. 0,1% des Laser-Lichtes transmittiert, aus dem Resonator ausgekop­ pelt. Das transmittierte Licht tritt in den Photodetektor 5 ein, der die Leistung des durch den Spiegel 4 transmittier­ ten Lichts in ein elektrisches Signal umwandelt. Der sättigbare Absorber-Spiegel 6 dient der passiven Moden­ kopplung.

Über den Schalter 12 wird eine aktive Rückkopplungseinheit, vorzugsweise eine PID-Regler-Einheit, zugeschaltet. Das Ausgangssignal des Photodetektors 5 tritt zunächst in den Vorverstärker und Impedanzwandler 11 ein. Mit Hilfe des PID-Reglers 10, dem über den Eingang 9 der Sollwert des mittleren Diodenstroms eingeprägt wird, entsteht am Ausgang des Stromverstärkers 8 ein Signal, das proportional zur Leistung des Laserausgangs 7 ist. Dieses Signal regelt schließlich die Ausgangsleistung der Pump-Diode 1 derart, daß die Leistung des Laserausgangs 7, über die Resonator­ umlaufzeit gemittelt, konstant bleibt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur schnellen aktiven Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers, geregelt durch aktive Rückkopplung, derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonatorumlaufzeit gemittelte Laser-Ausgangsleistung konstant bleibt.

2. Vorrichtung zur schnellen aktiven Stabilisierung der Ausgangsleistung eines passiv modengekoppelten Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers, geregelt durch aktive Rückkopplung, derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonatorumlaufzeit gemittelte Laser-Ausgangsleistung konstant bleibt.

3. Vorrichtung zur schnellen aktiven Stabilisierung der Ausgangsleistung eines aktiv modengekoppelten Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers, geregelt durch aktive Rückkopplung, derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonatorumlaufzeit gemittelte Laser-Ausgangsleistung konstant bleibt.

4. Vorrichtung zur schnellen aktiven Stabilisierung der Ausgangsleistung eines kontinuierlichen Lasers mit "spiking"-Verhalten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers, geregelt durch aktive Rückkopplung, derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonator­ umlaufzeit gemittelte Laser-Ausgangsleistung konstant bleibt.

5. Vorrichtung zur schnellen aktiven Stabilisierung der Ausgangsleistung eines modengekoppelten Lasers mit "spiking"-Verhalten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers, geregelt durch aktive Rückkopplung, derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonator­ umlaufzeit gemittelte Laser-Ausgangsleistung konstant bleibt.

6. Vorrichtung zur schnellen aktiven Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Lasers mit resonatorinterner Verdopplung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers, geregelt durch aktive Rückkopplung, derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonatorumlaufzeit gemittelte Laser-Ausgangsleistung konstant bleibt.

7. Vorrichtung zur schnellen aktiven Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Lasers mit "cavity dumping", dadurch gekennzeichnet, daß ein Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers, geregelt durch aktive Rückkopplung, derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonatorumlaufzeit gemittelte Laser-Ausgangsleistung konstant bleibt.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausgangssignal der Rückkopplungs­ einheit die Pumpleistung regelt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausgangssignal der Rückkopplungs­ einheit die Abschwächung eines elektrooptischen, akustischen, mechanischen oder sonstigen Verlustmodula­ tors vorzugsweise innerhalb des Laserresonators regelt.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelung linear erfolgt.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelung nicht-linear erfolgt.