DE29601160U1 - Analog electronic circuit for fast electro-optical intensity control in laser systems - Google Patents

Analog electronic circuit for fast electro-optical intensity control in laser systems

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Description

Analoge elektronische Schaltung zur schnellenAnalog electronic circuit for fast

elektrooptischen Intensitätsregelung inelectro-optical intensity control in

LasersystemenLaser systems

17. Januar 199617 January 1996

1 Gebiet der Erfindung1 Field of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf eine schnelle analoge resonatorinterne Amplitudenregelung mit einstellbarer Regelschwelle insbesondere für modengekoppelte Laser.The invention relates to a fast analog intra-cavity amplitude control with an adjustable control threshold, in particular for mode-locked lasers.

2 Problemstellung2 Problem

Für den Betrieb von gepulsten Lasersystemen mit Modenkopplung ist es wünschenswert, den Laserimpulszug auf konstanter Amplitude zu halten, um so eine gleichbleibende Qualität der einzelnen Impulse zu gewährleisten. Die genannten Laser haben normalerweise relativ kurze Emissionszeiten und Impulszüge von etwa 200 ns Dauer. Für einige technische Anwendungen dieses Lasertyps sind jedoch deutlich längere Impulszüge erforderlich (Synchrones Pumpen, Methoden zur Impulsverkürzung). Für den stabilen Laserbetrieb ist es überdies wünschenswert, die Impulsamplituden auf ein konstantes, einstellbares Niveau zu regeln. Durch eine resonatorinterne Begrenzung der Impulsamplitude lassen sich diese Forderungen grundsätzlich erreichen.For the operation of pulsed laser systems with mode locking, it is desirable to keep the laser pulse train at a constant amplitude in order to ensure a consistent quality of the individual pulses. The lasers mentioned normally have relatively short emission times and pulse trains of around 200 ns in duration. However, for some technical applications of this type of laser, significantly longer pulse trains are required (synchronous pumping, methods for shortening the pulse length). For stable laser operation, it is also desirable to regulate the pulse amplitude to a constant, adjustable level. These requirements can basically be met by limiting the pulse amplitude within the resonator.

3 Stand der Technik3 State of the art

Zu dieser Problemstellung sind die bislang veröffentlichten Lösungen in zwei Gruppen einteilbar:The solutions published so far for this problem can be divided into two groups:

1. Passive Amplitudenregelung durch resonatorinterne optische Komponenten, deren nichtlineare physikalische Eigenschaften zu einer Intensitätsbegrenzung führen.1. Passive amplitude control by resonator-internal optical components whose nonlinear physical properties lead to intensity limitation.

2. Aktive Amplitudenregelung mit resonatorinternen elektro-optischen Stellgliedern und geeigneten externen Regelschleifen zur Begrenzung der optischen Impulsamplituden.2. Active amplitude control with resonator-internal electro-optical actuators and suitable external control loops to limit the optical pulse amplitudes.

Während die erste Gruppe sich auf ganz spezielle Einsatzgebiete beschränken muß, bieten die elektro-optischen Amplitudenregler vielfältige Einsatzmöglichkeiten in Laserresonatoren:
In den Resonator des Laseroszillators wird eine Pockelszelle eingebracht, die elektrisch vorgespannt wird. Durch die Spannung wird die Polarisation der Zelle bestimmt. Steigt die Impulszugamplitude an, so wird durch eine geeignete elektronische Regelung die Spannung an der Pockelszelle so verändert, daß im Resonator mehr Verluste auftreten, was der Amplitudenerhöhung entgegenwirkt. Voraussetzung für die Funktion dieser Anordnung ist eine sehr schnelle Elektronik, welche in sehr kurzer Zeit große Spannungsänderungen erzeugen kann. Die kritische Zeit ist dabei der Zeitraum zwischen dem Erkennen einer erhöhten Impulsamplitude und dem Eingreifen durch die Pockelszelle zum darauffolgenden Impuls: bei technisch realisierten Lasersystemen ca. 10 Nanosekunden.While the first group is limited to very specific areas of application, the electro-optical amplitude controllers offer a wide range of possible applications in laser resonators:
A Pockels cell is placed in the resonator of the laser oscillator and is electrically biased. The polarization of the cell is determined by the voltage. If the pulse train amplitude increases, the voltage on the Pockels cell is changed by a suitable electronic control system so that more losses occur in the resonator, which counteracts the increase in amplitude. The prerequisite for this arrangement to work is very fast electronics that can generate large voltage changes in a very short time. The critical time is the period between the detection of an increased pulse amplitude and the intervention by the Pockels cell for the next pulse: in technically implemented laser systems, this is approximately 10 nanoseconds.

Generell sind hohe Anforderungen an Schnelligkeit, Spannungsamplitude und damit Regelhub einer solchen Regelung zu stellen. Die Signaldurchlaufzeit des Reglers muß deutlich unter der Resonatorumlaufzeit von typisch 10 ns bleiben, damit ein Schwingen des Systems vermieden wird. An der kapazitiven Last des Stellglieds Pockelszelle von ca. 20 pF muß ein Regelhub von mehr als 1000 Volt erreicht werden können. Die Einsatzschwelle der Regelung muß einstellbar sein, damit die gewünschte optische Impulsenergie variiert werden kann.In general, high demands are placed on the speed, voltage amplitude and thus control stroke of such a control. The signal transit time of the controller must remain well below the resonator round trip time of typically 10 ns in order to avoid oscillation of the system. A control stroke of more than 1000 volts must be able to be achieved at the capacitive load of the Pockels cell actuator of approx. 20 pF. The control threshold must be adjustable so that the desired optical pulse energy can be varied.

Die bekannten aktiven Amplitudenregelungen verwenden entweder nicht näher beschriebene elektronische Schaltungskomponenten und sind deshalb nicht nachvollziehbar oder es handelt sich um digitale Zweipunktregler.The known active amplitude controls either use electronic circuit components that are not described in detail and are therefore not comprehensible or they are digital two-point controllers.

Eine solche digitale Zweipunktregelung ist aus Gebrauchsmuster Nr. G9109788.6 bekannt. Diese Schaltung zeigt jedoch in der Regel gravierende Nachteile im alltäglichen Laserbetrieb. Durch das völlige Umladen der Pockelszellenkapazität in sehr kurzer Zeit werden beträchtliche elektromagnetische Störfelder erzeugt, welche die elektronische Erfassung der oft sehr winzigen Signale aus den mit den Lasern durchgeführten Experimenten deutlich negativ beeinflussen. Darüberhinaus ist die aus Geschwindigkeitsgründen verwendete ECL-Technik ungünstig, da die hohe Verlustleistung derSuch a digital two-point control is known from utility model no. G9109788.6. However, this circuit usually has serious disadvantages in everyday laser operation. The complete recharging of the Pockels cell capacity in a very short time generates considerable electromagnetic interference fields, which have a significantly negative effect on the electronic recording of the often very tiny signals from the experiments carried out with the lasers. In addition, the ECL technology used for speed reasons is unfavourable because the high power loss of the

Schaltung zu starker Erwärmung und damit verbunden bislang zu einer hohen Ausfallhäungkeit führt und zudem leistungsstarke, teure Niederspannungsnetzteile erfordert. Der geringe Regelhub wegen der, dabei in der Regel verwendeten VMOS-Transistoren, die eine Betriebsspannung von maximal 500 Volt zulassen, sowie die Erzeugung von elektromagnetischen Störfeldern gehören zu den auffälligsten Nachteilen dieser Regelungsart.Circuit leads to excessive heating and, as a result, to a high failure rate and also requires powerful, expensive low-voltage power supplies. The low control range due to the VMOS transistors generally used, which allow an operating voltage of a maximum of 500 volts, as well as the generation of electromagnetic interference fields are among the most noticeable disadvantages of this type of control.

4 Beschreibung der Erfindung4 Description of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine preisgünstige und genügend schnelle elektronische Schaltung für aktive Laseramplitudenregelungen zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen Anordnungen vermeidet und somit höhere Spannungshübe zur Ansteuerung elektro-optischer Komponenten erlaubt, bei gleichzeitiger Minimierung von Störfeldern. The object of the invention is to provide an inexpensive and sufficiently fast electronic circuit for active laser amplitude control, which avoids the disadvantages of the arrangements described in the prior art and thus allows higher voltage swings for controlling electro-optical components, while simultaneously minimizing interference fields.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Schaltung gelöst. Um einen höheren Regelhub von mehr als 1000 Volt zu erreichen, wurde zum Betrieb der als Stellglied wirkenden Pockelszelle eine Röhrentriode verwendet. Sie läßt sich schnell leistungslos vom sehr hochohmigen in einen relativ niederohmigen Zustand bringen, wobei die Spannungsdifferenz zwischen Gitter und Kathode sowie deren Vorzeichen eine essentielle Bedeutung hat. Der Innenwiderstand der Triode kann über diese Spannung in einem weiten Bereich schnell stufenlos verändert werden. Ihre extrem niedrigen Elektrodenkapazitäten führen zu Zeitkonstanten von wenigen Nanosekunden und ermöglichen den Aufbau als reine Analogregelung mit geringen Umladeströmen bei relativ geringer Spannungsänderung über der Pockelszelle. Deshalb werden von dieser Schaltung nur sehr geringe elektromagnetische Störungen abgegeben. Insgesamt ist diese Regelung schnell, billig und ermöglicht einen hohen Regelhub,This task is solved by the circuit according to the invention. In order to achieve a higher control range of more than 1000 volts, a tube triode was used to operate the Pockels cell acting as an actuator. It can be quickly brought from a very high-resistance state to a relatively low-resistance state without any power, whereby the voltage difference between the grid and the cathode and its sign are of essential importance. The internal resistance of the triode can be quickly and continuously changed over a wide range using this voltage. Its extremely low electrode capacitances lead to time constants of a few nanoseconds and enable it to be set up as a pure analog control system with low charge transfer currents and a relatively small voltage change across the Pockels cell. This circuit therefore only emits very little electromagnetic interference. Overall, this control system is fast, cheap and enables a high control range.

Die weitere Beschreibung erfolgt anhand von Abb. 1 und 2, ohne die Allgemeinheit der obengenannten Überlegungen einzuschränken. Die Funktion der Schaltung wird im folgenden für ein modengekoppeltes Lasersystem beschrieben. Anwendbar ist die Schaltung aber auch in reinen CW-Lasern.The further description is based on Fig. 1 and 2, without restricting the generality of the above considerations. The function of the circuit is described below for a mode-locked laser system. However, the circuit can also be used in pure CW lasers.

Als optischer Impulsdetektor in der Detektoreinheit dient eine schnelle Photo-PIN-Diode, deren intensitätslineare Photostromimpulse in Spannungsimpulse umgeformt werden. Diese Spannungsimpulse werden über den Spannungsteiler R20 und R21 an die Basis von Transistor Q4 gelegt. Das Spannungsteilerverhältnis bestimmt die Einsatzschwelle, ab welcher der vor dem EinsetzenA fast photo-PIN diode serves as an optical pulse detector in the detector unit, whose intensity-linear photocurrent pulses are converted into voltage pulses. These voltage pulses are applied to the base of transistor Q4 via the voltage divider R20 and R21. The voltage divider ratio determines the threshold at which the

der Lasertätigkeit gesperrte Transistor Q4 zu leiten beginnt. Damit läßt sich durch die Variation des Widerstandes R21 eine externe Steuerung der Einsatzschwelle der Regelung erreichen.
Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht auch das Einstellen eines definierten Impulsaufbaus nach anfänglichem Einsetzen der Lasertätigkeit. Der Anstieg der Impulsenergie in den ersten Impulsen der emittierten Impulsfolge erfolgt bei Benutzung der erfmdungsgemäßen Schaltung stetig und mit einstellbarer Zeitkonstante bis zur gewünschten Impulsamplitude. Dies ist insbesondere für den Einsatz in gepulsten modengekoppelten Lasern von Bedeutung, wo mit hoher Wiederholrate immer wieder ein neuer definierter Impulsaufbau erforderlich ist. Die Zeitkonstante aus Kondensator Ct und Widerstand Rt hat dafür eine wichtige Funktion. Ct ist bis unmittelbar nach Erreichen der Einsatzschwelle geladen, Transistor Q5 damit leitend. Während der gepulsten Leitphasen von Transistor Q4 werden elektrische Ladungen aus dem Kondensator Ct entnommen, die über den Widerstand Rt nur teilweise wieder nachgeladen werden können. Wenn die Zunahme der Impulsintensität von Impuls zu Impuls sehr groß ist, wird Ct entsprechend schnell entladen. Umgekehrt bringt ein flacheres Ansteigen des Impulszuges ein langsameres Entladen des genannten Kondensators. Unterschreitet die Spannung an Ct die zum Leiten nötige Basis-Emitter-Spannung von Transistor Q5, so sperrt dieser. Der Arbeitspegel der Regelung ist damit erreicht. Die Impulse aus der Photodetektoreinheit gelangen jetzt an den Eingang der komplementären Treiberstufe, gebildet aus den Transistoren Ql und Q2, welche die nötige Spannung zur Ansteuerung der Regeltriode T erzeugen. Diese Spannung kann dabei in Abhängigkeit von der Impulsamplitude positive oder negative Werte annehmen.
Zwei Versionen bei der Beschallung der Triode sind dabei erprobt und liefern sehr gute Ergebnisse:transistor Q4, which is blocked during laser activity, begins to conduct. This allows external control of the control threshold by varying the resistor R21.
The circuit according to the invention also enables the setting of a defined pulse structure after the initial onset of laser activity. When using the circuit according to the invention, the increase in pulse energy in the first pulses of the emitted pulse train occurs continuously and with an adjustable time constant up to the desired pulse amplitude. This is particularly important for use in pulsed mode-locked lasers, where a new defined pulse structure is required again and again with a high repetition rate. The time constant of capacitor Ct and resistor Rt has an important function for this. Ct is charged until immediately after the threshold is reached, making transistor Q5 conductive. During the pulsed conduction phases of transistor Q4, electrical charges are taken from capacitor Ct, which can only be partially recharged via resistor Rt. If the increase in pulse intensity from pulse to pulse is very large, Ct is discharged accordingly quickly. Conversely, a flatter increase in the pulse train results in a slower discharge of the capacitor mentioned. If the voltage at Ct falls below the base-emitter voltage required for conduction of transistor Q5, the latter is blocked. The operating level of the control is thus reached. The pulses from the photodetector unit now reach the input of the complementary driver stage, formed from the transistors Q1 and Q2, which generate the voltage required to control the control triode T. This voltage can assume positive or negative values depending on the pulse amplitude.
Two versions of the triode sound system have been tested and deliver very good results:

a) Ein VMOS-Transistor Q3 bildet einen variablen Kathodenwiderstand, der bei fester Gittervorspannung den Innen widerst and der Röhre in Abhängigkeit von den Impulsamplituden aus der Photodetektoreinheit verändert und somit über die geänderte Anodenspannung die Polarisation der Pockelszelle (St) beeinflußt. (Abb. 1)a) A VMOS transistor Q3 forms a variable cathode resistance, which, at a fixed grid bias, changes the internal resistance of the tube depending on the pulse amplitudes from the photodetector unit and thus influences the polarization of the Pockels cell (St) via the changed anode voltage. (Fig. 1)

b) Die Ansteuerung wirkt auf das Gitter der Triode, während der Kathodenwiderstand wechselspannungsmäßig gegengekoppelt wird. Sonstige Funktion wie a). (Abb. 2)b) The control acts on the grid of the triode, while the cathode resistance is negatively fed back in terms of alternating voltage. Other functions as in a). (Fig. 2)

Über das Potentiometer Rv kann die Verstärkung der beschriebenen Halbleiterschaltung eingestellt werden, um Exemplarstreuungen bei den Bauteilen auszugleichen. Der Arbeitspegel der Regelung wird durch Graufilter vor der Detektoreinheit eingestellt.The gain of the described semiconductor circuit can be adjusted using the potentiometer Rv in order to compensate for variations in the components. The operating level of the control is set using a gray filter in front of the detector unit.

5 Beispiel5 Example

In einer konkreten Ausgestaltung (Abb. 1) wird bei einer Betriebsspannung von 1300 Volt ein Spannungshub von maximal 1100 Volt an der Pockelszelle erreicht. Alle dabei beteiligten Zeit-In a specific design (Fig. 1), a maximum voltage swing of 1100 volts is achieved at the Pockels cell at an operating voltage of 1300 volts. All time

konstanten sind jeweils kleiner als 6 ns, so daß bis zum nächsten Laserimpuls, entsprechend seiner Amplitude die Polarisation der Pockelszelle verändert werden kann. Damit konnte die Amplitude eines gepulst gepumpten, modengekoppelten Nd:YLF-Lasers im Langzeittest auf besser als 1 % Standardabweichung vom Mittelwert der Impulsenergie der einzelnen Impulse im Impulszug geregelt werden.constants are each less than 6 ns, so that the polarization of the Pockels cell can be changed until the next laser pulse, depending on its amplitude. This enabled the amplitude of a pulse-pumped, mode-locked Nd:YLF laser to be controlled in a long-term test to better than 1 % standard deviation from the mean value of the pulse energy of the individual pulses in the pulse train.

Die Werte für Rt und Ct betrugen dabei 5 KOhm bzw. 22 Picofarad, die Transistoren Q4 und Q5 waren vom Typ BFR96, die Komplementärstufe (Ql,Q2) bestand aus den Typen BFQ32 und BFR96. Der VMOS-Transistor (Q3) war ein IVN6300 und als Triode wurde eine E88CC verwendet. Mit Rap von 22 KOhm wird der Arbeitspunkt der Röhre so eingestellt, daß sie gerade sicher sperrt. Rd beträgt 1 KOhm, während die Größe des Anodenarbeitswiderstandes Ra mit 2 KOhm von der Kapazität der verwendeten Pockelszelle (St) abhängig ist.The values for Rt and Ct were 5 KOhm and 22 picofarad respectively, the transistors Q4 and Q5 were of the BFR96 type, the complementary stage (Ql, Q2) consisted of the BFQ32 and BFR96 types. The VMOS transistor (Q3) was an IVN6300 and an E88CC was used as a triode. With Rap of 22 KOhm, the operating point of the tube is set so that it just safely blocks. Rd is 1 KOhm, while the size of the anode working resistance Ra at 2 KOhm depends on the capacity of the Pockels cell (St) used.

Claims (6)

6 Schutzansprüche6 Protection claims 1. Analoge elektronische Schaltung zur schnellen elektrooptischen Intensitätsregelung in Lasersystemen mit einem elektrooptischen Stellglied St, das mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist,1. Analogue electronic circuit for fast electro-optical intensity control in laser systems with an electro-optical actuator St, which can be supplied with an electrical voltage , einer Röhrentriode T, deren Anode mit der spannungsführenden Seite des elektrooptischen Stellgliedes St leitend verbunden ist, so daß die Höhe einer am Stellglied St anliegenden elektrischen Spannung über den Innenwiderstand der Röhrentriode T steuerbar ist,a tube triode T, the anode of which is conductively connected to the voltage-carrying side of the electro-optical actuator St, so that the level of an electrical voltage applied to the actuator St can be controlled via the internal resistance of the tube triode T, und einer Detektor einheit, die eine Spannung an einem Ausgang bereitstellt, deren Höhe ein Maß für die detektierte Laserintensität ist,and a detector unit that provides a voltage at an output, the level of which is a measure of the detected laser intensity, wobei der Ausgang der Detektoreinheit derart mit Kathode oder Gitter der Röhrentriode T verschaltet ist, daß die Höhe der Ausgangsspannung die Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Gitter der Röhrentriode T beeinflußt.wherein the output of the detector unit is connected to the cathode or grid of the tube triode T in such a way that the level of the output voltage influences the voltage difference between the cathode and grid of the tube triode T. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2. Circuit according to claim 1, characterized in daß die Röhrentriode T von der Ausgangsspannung einer komplementären Treiberstufe gesteuert wird.that the tube triode T is controlled by the output voltage of a complementary driver stage. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,3. Circuit according to claim 1 or 2, characterized in daß eine von der momentanen Laserintensität abhängige Steuerspannung am Gitter der Röhrentriode T anliegt und die Kathode der Röhrentriode T über ein RC-Glied mit Masse verbunden ist.that a control voltage dependent on the current laser intensity is applied to the grid of the tube triode T and the cathode of the tube triode T is connected to ground via an RC element. 4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,4. Circuit according to claim 1 or 2, characterized in daß eine von der momentanen Laserintensität abhängige Steuerspannung am Gate eines Transistors Q3 anliegt, der als variabler Kathodenwiderstand wirkt, und die Gittervorspannung der Röhrentriode T vorwählbar ist.that a control voltage dependent on the instantaneous laser intensity is applied to the gate of a transistor Q3, which acts as a variable cathode resistor, and the grid bias of the tube triode T is preselectable. 5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,5. Circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in daß die in der Detektoreinheit aus dem Photostrom erzeugte Spannung über einen Spannungsteiler mit einstellbarem Teilerverhältnis an der Basis eines Transistors Q4 anliegt, wobei das Teilerverhältnis die Einsatzschwelle der Regelung bestimmt, und der Transistor Q4 mit einem Kondensator Ct, einem Widerstand Rt und einem Transistor Q5 derart verschaltet ist, daß erst bei Erreichen des Arbeitspegels der Regelung der Transistor Q5 sperrt und die Spannung aus der Detektoreinheit zur Ansteuerung der Röhrentriode T gelangt und daß durch die Zeitkonstante von Rt und Ct die Dauer des Anstiegs der Laserintensität nach Einsetzen der Regelung eingestellt werden kann.that the voltage generated in the detector unit from the photocurrent is applied to the base of a transistor Q4 via a voltage divider with an adjustable divider ratio, whereby the divider ratio determines the threshold for the control, and the transistor Q4 is connected to a capacitor Ct, a resistor Rt and a transistor Q5 in such a way that only when the operating level of the control is reached does the transistor Q5 block and the voltage from the detector unit go to control the tube triode T and that the duration of the increase in the laser intensity after the control begins can be set by the time constant of Rt and Ct.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19925801A1 (en) * 1999-06-03 2000-12-21 Fraunhofer Ges Forschung Process for changing the point sizes during laser engraving, e.g. of glass comprises applying energy in the form of a focused laser beam to the workpiece transparent for a laser

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