DE4212779A1 - Laser und Steuer- und Regelverfahren dafür - Google Patents

Laser und Steuer- und Regelverfahren dafür

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Description

Die Erfindung betrifft einen Laser mit einer Laserquelle und einem Resonator und ein Verfahren zum Steuern und Regeln eines Laserstrahls der von einem Laser ausgesandt wird.
Bekannt ist die Verwendung von elektromechanisch verstellbaren Teleskopen und adaptiven Spiegeln in Laserresonatoren zur Stabilisierung der Phase über den Querschnitt eines Laserstrahls, insbesondere um optimale Fokussierung zu ermöglichen. Zur Feineinstellung von Laserresonatoren ist es bekannt Endspiegel elektromechanisch zu verschieben und Etalons elektromechanisch zu verdrehen. Die elektromechanischen Servos stellen aber einen erheblichen Aufwand dar. Solche Einrichtungen haben daher nur begrenzte Anwendung gefunden.
Flüssigkristallzellen mit Steuerelektroden sind als Anzeige­ elemente verbreitet.
Die Ausbildung als adaptive Linse ist aus P. F. Brinkley et al., Applied Optics 27 (1988), p. 4578-4586 und US 4 572 616, dort mit zwei gekreuzten Zellen mit einseitigen Streifenelektroden, bekannt. Dabei wird die Anwendung zum seitlichen Versatz von Lichtstrahlen beschrieben.
Eine Flüssigkristallzelle mit einer ganzflächigen Elektrode und gegenüberliegenden Streifenelektroden ist in US 5 018 838 für die optische räumliche Phasenmodulation beschrieben und für die Verwendung in einem optischen Korrelator vorgesehen.
In B. Cassarly, J. M. Finlan, SPIE 1043 (1989) , p. 130 ff ist die Verwendung einer derartigen Zelle mit 25 Streifenelektroden oder mit einer zweidimensionalen Elektrodenmatrix für die Phasenkontrolle von kohärenten Laserdioden-Arrays beschrieben.
Eine linsenförmige Flüssigkristallzelle mit beidseitig flächigen Steuerelektroden nach US 4 037 929 hat eine durch die angelegten Potentiale steuerbare Brennweite.
Eine als Fresnellinse (Zonenplatte oder Phasenverzögerung) ausgebildete Flüssigkristallzelle mit ringförmigen oder streifenförmigen Elektroden ein- oder beidseitig ist aus US 4 909 626 bekannt und wird dort für ein Spektrometer und einen Wellenfrontsensor eingesetzt.
Ein adaptives Verzögerungsplättchen aus einer Flüssig­ kristallzelle mit flächigen Steuerelektroden ist aus DE-U 89 05 406 bekannt.
Keiner der genannten Veröffentlichungen ist ein Hinweis auf eine Verbindung von gesteuerten Flüssigkristallzellen mit Laserresonatoren zu entnehmen.
Der zitierte Stand der Technik ist Teil der Offenbarung dieser Patentanmeldung und enthält Informationen zur Realisierung von Flüssigkristallzellen, welche für die erfindungsgemäße Anordnung brauchbar sind.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Laser mit verbesserter Strahlqualität anzugeben, ohne bewegte Teile zu verwenden.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß Flüssigkristallzellen mit Steuerelektroden unschwer so ausgebildet werden können, daß insbesondere ihre Transmission bei der Laserwellenlänge groß genug gemacht werden kann, daß sie im Resonator eines Lasers angeordnet werden können, ohne die Resonatorgüte wesentlich zu verschlechtern.
Die wesentliche zeitlich veränderliche Störung eines Laser­ resonators, die also nicht durch stationäre Maßnahmen korri­ giert werden kann, ist die thermische Linse, die insbesondere bei Festkörperlasern durch die Erwärmung des Laserstabs, aber auch anderer Elemente, durch Pumplicht und Laserlicht erzeugt wird. Diese Deformationen sind nach Größe, Form und Zeitver­ halten so, daß sie durch typische Flüssigkristallzellen mit Steuerelektroden als adaptive Linsen gut korrigiert werden können. Eine Anordnung außerhalb des Resonators kann zwar die Wellenfront des Laserlichts verbessern, nicht aber die durch die Störung des Resonators bedingten Leistungsverluste und Störungen der Modenverteilung des Laserlichts.
Die Aufgabe wird also dadurch gelöst, daß bei einem gattungs­ gemäßen Laser im Resonator eine Flüssigkristallzelle mit Steuerelektroden angeordnet wird. Vorteilhaft ist es, wenn die Elektroden streifen-, ring- oder punktförmig auf einer oder zwei Stirnflächen der Flüssigkristallzelle angeordnet sind. Planparallele wie linsenförmige Flüssigkristallzellen finden vorteilhafte Anwendung.
Gemäß Anspruch 8 ist die Erfindung besonders für Festkörperlaser geeignet, bei denen die Ausprägung der thermischen Linse deutlich ist. Die Flüssigkristallzelle kann mit den Steuerelektroden einer Seite einen Spiegel bilden. Dann müssen die Elektroden einer Seite und ihre Zuleitungen nicht transparent sein, was z. B. eine zweidimensionale Elektrodenmatrix vereinfacht. Zudem wird die Zahl optischer Grenzflächen im Resonator reduziert. Mehrere Millimeter dickes Glas als Substrat ist bei Flüssigkristallzellen nicht üblich, bietet bei der erfindungsgemäßen Anordnung aber Vorteile für die Präzisionsbearbeitung für den Einsatz im Laserresonator und für die Fassung der Teile. Die Flüssigkristallzelle kann im Laser ohne zusätzliche optische Grenzschichten mit Reflexionsverlusten usw. realisiert werden, indem auf benachbarten optischen Elementen die Steuerelektroden angeordnet werden und dazwischen das Flüssigkristall-Material angeordnet wird. Als optische Elemente kommen dafür u. a. in Frage der Laserstab, Endspiegel, elektrooptische Q-Switch-Kristalle, Frequenzverdoppler-Kristalle und Polarisatoren. Die Flüssigkristallzelle mit Steuerelektroden kann je nach Bedarf als adaptive Linse, als adaptives Phasenschiebeplättchen - z. B. Lambda/4-Plättchen für durchstimmbare Laser - als adaptives Etalon oder als Einrichtung zur Änderung der optischen Länge und damit zur Feinabstimmung des Resonators mit Vorteil eingesetzt werden. Diese Funktionen sind auch in einer einzigen Flüssigkristallzelle durch die Art der An­ steuerung kombinierbar.
Der erfindungsgemäße Laser kann nach Anspruch 16 hervorragend mit einer Regeleinrichtung zur automatischen Fehlerkorrektur versehen werden, wobei durch Sensoren z. B. die Pumpleistung, Temperaturen von ausgewählten Stellen des Lasers, die Laserleistung oder die Form der Wellenfront - durch Interferometer oder Hartmann-Sensoren - erfaßt und in einem Regelkreis ausgewertet werden. Die Anordnung mehrerer Flüssigkristallzellen mit Steuerelektroden im Resonator ist z. B. vorteilhaft zur Darstellung einer sphärischen Linse aus zwei gekreuzten Elementen mit Streifenelektroden.
Das zur Lösung der Aufgabe geeignete Verfahren besteht darin, bei einem erfindungsgemäßen Laser an die Flüssigkristallzelle mittels der Steuerelektroden ein elektrisches Feld anzulegen. Die erforderlichen Spannungen liegen typisch unter 10 V und die möglichen Steuerfrequenzen erreichen den Kilohertz- Bereich.
Näher beschrieben wird die Erfindung im weiteren anhand der Zeichnung mit den folgenden Figuren:
Fig. 1 Laser mit Laserstab, zwei Resonatorspiegeln, zwei Flüssigkristallzellen mit Steuerelektroden, Polari­ sationsfilter, Pumplichtquelle, Wellenfrontsensor und Regelschaltung schematisch;
Fig. 2 Laser mit gefaltetem Resonator und Flüssig­ kristallzelle mit Steuerelektroden als Umlenk­ spiegel, Temperatursensor am Laserstab und Regel­ schaltung schematisch;
Fig. 3 Laser, bei dem die Flüssigkristallzelle unmittelbar zwischen Laserstab und einem Endspiegel integriert ist und plankonvexe Form hat.
Fig. 1 zeigt einen Laser mit einem Laserstab (1), z. B. aus Nd-YAG mit zwei Endspiegeln (2) und (3), die den Resonator bilden. Der Laserstab (1) wird durch eine Pumplichtquelle (4) bestehend aus Entladungslampe und Spiegel optisch gepumpt. Ein Polarisationsfilter (5) im Resonator (2, 3) ist darge­ stellt stellvertretend für bedarfsweise in Lasern eingesetzte optische Elemente wie auch Etalon, Frequenzverdoppler u. a. Erfindungsgemäß sind im Resonator (2, 3) Flüssigkristall­ zellen (10a, 10b) mit transparenten Steuerelektroden (101, 102, 103 u. 104) angeordnet. Die in diesem Beispiel darge­ stellte Anordnung mit zwei Flüssigkristallzellen (10a, 10b) mit je einer flächigen Steuerelektrode (101, 104) und zwei Streifenelektroden (102, 103) in gekreuzter Anordnung ergibt zwei Zylinderlinsen mit zueinander senkrechten Zylinder­ achsen, die zusammen eine sphärische Linse bilden können. Die Anordnung und die Ausführung dieser Flüssigkristallzellen (10a, 10b) mittels Steuerelektroden (101-104) ist an sich aus dem zitierten Stand der Technik, insbesondere US 4 572 616, bekannt. Durch geeignete Wahl der Potentialdifferenzen zwischen den einzelnen Elementen der Steuerelektroden (101-104) können jedoch auch von der sphärischen Linse in weiten Grenzen abweichende Deformationen der Wellenfront bewirkt bzw. kompensiert werden.
Für den Einsatz in dem Laserresonator (2, 3), ist darauf zu achten, daß die Flüssigkristallzellen (10a, 10b) mit den Steuerelektroden (101-104) für die hohe Licht-Leistungsdichte geeignet sind und daß die Resonatorgüte durch Reflexionen an den Grenzschichten der Bauteile und durch Absorption z. B. durch die Elektroden nicht zu sehr herabgesetzt wird. Eine geeignete Flüssigkristallzelle (10a) besteht z. B. aus einem handelsüblichen Flüssigkristall mit der Brechzahldifferenz Δn = 0,25 z. B. der Firma BDH in einer homogenen Schichtdicke von 15 µm.
Die transparenten Steuerelektroden (101, 102) bestehen aus der als ITO bekannten Indium-Zinn-Oxid-Schicht, welche z. B. die Firma Balzers auf ein mit einer SiO-Schicht - als Antireflexschicht für das Laserlicht und als Diffusionssperre zum Schutz des Flüssigkristalls vor Ionen aus dem Glas - beschichtetes Substrat aus Optik-Glas der Sorte BK7 aufbringt. Hat die als Substrat dienende planparallele Platte eine Dicke von z. B. 7 mm, so läßt sie sich besonders präzise bearbeiten und ist sehr stabil, so daß die Montage vereinfacht und die Resonatorgüte nur unwesentlich beeinträchtigt wird.
Eine Streifenelektrode (102) hat vorteilhaft eine Gitterkonstante von a = 70 µm bei einem Isolierspalt zwischen den Streifen von 1,5 µm. Mit 60 Streifen der Steuerelektrode (102) ergibt sich dann ein Aperturradius L = 2 mm.
Der in P. F. Brinkley et al. beschriebene "meshing"-Effekt, eine Glättung des Feldverlaufs im Bereich der isolierenden Lücke zwischen den Streifen der Steuerelektrode (102), wird bei diesen Dimensionen gut verwirklicht.
Die kleinste Brennweite fmin der Linse, die durch solch eine Flüssigkristallzelle (10a, 10b) mit Steuerelektroden (101, 102, 103, 104) erzeugt werben kann (zylindrisch mit einer Zelle (10a), sphärisch mit beiden Zellen (10a, 10b)), ergibt sich nach der Formel
mit den obengenannten Formelzeichen und Daten.
Damit ist die Anordnung gut geeignet, die thermische Linse typischer Festkörperlaser, deren typische Brennweite auch größer als 0,5 m ist, zu kompensieren. Mit der erfindungsge­ mäßen Anordnung lassen sich aber zugleich auch hervorragend die thermischen Störungen im Laserresonator, die nicht rota­ tionssymmetrisch sind, z. B. durch asymmetrisches Pumpen, durch geeignete Potentiale an den Steuerelektroden (101-104) ausgleichen.
Unter dem Aspekt der Korrektur der Phasenfront des Laserstrahls ergibt sich für die größte relative Phasenverschiebung ϕmax bei der Wellenlänge λ=1064 nm eines Nd-YAG-Lasers mit der Formel
ein beträchtlich großer Wert, der viele Nutzanwendungen eröffnet.
Fig. 1 zeigt weiterhin im ausgehenden Laserstrahl einen Teilerspiegel (6), der einen Teil des Lichts auf einen Wellenfrontdetektor (7) lenkt. Der Wellenfrontdetektor (7) kann ein "radial shearing"-Interferometer oder ein Array von Hartmann-Sensoren sein. Dessen Meßdaten werden in einer Regelelektronik (8), die auch einen Prozeßrechner umfassen kann, in die geeigneten Steuerspannungen für die Steuerelektroden (101-104) umgewandelt, mit denen die Wellenfront des Lichts des Lasers stabil geregelt werden kann.
Bei einfacheren Anforderungen, wenn z. B. nur die einfache thermische Linse des Laserstabs (1) korrigiert werden soll, kann als Detektor (7) auch ein Leistungsdetektor genügen. Sollen sich wiederholende Abläufe, z. B. das thermische Einspielen beim Einschalten des Lasers, korrigiert werden, so kann die Regelung mit dem aufwendigen "radial-shearing"- Interferometer (7) einmal über den Einschaltvorgang hinweg durchgeführt werden und die Steuerparameter können abgespeichert werden, um dann im Regelbetrieb bei jedem Ein­ schalten aus dem Speicher eine Steuerung durchzuführen.
Fig. 2 zeigt eine andere Variante. Laserstab (1) und Resonator-Spiegel (2) und (3) bilden einen gefalteten Resonator, wobei die rückseitige Steuerelektrode (102) an der Flüssigkristallzelle (10), die auf der Vorderseite die trans­ parente flächige Steuerelektrode (101) trägt, als Umlenk­ spiegel dient. Gepumpt wird hier der Laser durch eine end­ seitig hinter dem Spiegel (2), der für das Pumplicht durch­ lässig ist, angeordnete Pumplichtquelle (42).
Bei dieser Anordnung braucht bei der Steuerelektrode (102), die in viele einzelne Steuerbereiche aufgeteilt ist, nicht auf eine transparente Ausführung Wert gelegt zu werden. Damit wird z. B. eine als Pumpmatrix oder mit Elektrodenringen (für Fresnel-Linsen) aufgebaute Steuerelektrode (102) unproblematisch, da Zuleitungen oder Ansteuertransistoren für die einzelnen Elemente der Steuerelektrode (102) frei ausgebildet werden können. Vorteilhaft ist diese Anordnung der Flüssigkristallzelle (10) insbesondere, wenn im Laser ohnehin ein Umlenkspiegel benötigt wird.
Die Steuerelektronik (8), welche die Spannung für die Steuerelektroden (101, 102) erzeugt, erhält hier von einem Temperatursensor (9) am Laserstab (1) Eingangssignale, mit welchen eine automatische Regelung der Spannung und damit der optischen Korrekturwirkung der Flüssigkristallzelle (10) möglich wird. Alternativ könnte der Sensor (9) z. B. auch die Leistung der Pumplichtquelle (42), die den Laserstab (1) erreicht, erfassen. In beiden Fällen kann so eine kostengünstige Regelung erreicht werden. Zur Erstellung der Kennlinien für die Spannungen kann die aufwendige Meßwertgewinnung mit einem Wellenfrontsensor genutzt werden und dann eine Abspeicherung in Abhängigkeit von den Daten des einfachen Sensors ausgeführt werden.
Fig. 3 zeigt einen Laser, bei dem besonders wenige optische Grenzflächen realisiert sind. Ein Spiegel (2) ist direkt als Dünnschicht auf einem Ende des Laserstabs (1) aufgebracht, der durch diesen dichroitischen Spiegel hindurch von der Pumplichtquelle (42) gepumpt wird. Der zweite Spiegel (3) ist zugleich eine Steuerelektrode (102) und auf einem Glassubstrat (31) aufgebracht. Die Steuerelektrode (101) ist direkt als dünne transparente ITO-Schicht auf dem anderen Ende des Laserstabs (1) aufgebracht, und die Flüssigkristallzelle (10) füllt den geringen Zwischenraum aus. Auf eigene Substrate für die Steuerelektroden (101, 102) ist also verzichtet worden, es werden direkt die Grenzflächen benachbarter optischer Elemente genutzt. Dargestellt ist die Steuerelektrode (102) bzw. der Spiegel (3) sphärisch konkav, beide Steuerelektroden (101, 102) sind vollflächig ausgeführt. Die Flüssigkristallzelle (10) ist damit eine plankonvexe Linse steuerbarer Brennweite, die durch die Steuerspannung der Steuerelektronik (8) gesteuert wird. Die sphärische, thermische Linse des Laserstabs (1) kann damit einfach korrigiert werden.
Wird die Flüssigkristallzelle (10) mit planparallelen Steuer­ elektroden (101, 102) versehen, dann kann durch die Steuer­ elektronik (8) einfach die Länge des Resonators abgestimmt werden.
Werden in der Fig. 1 die Steuerelektroden (101) und (102) oder nahegelegene parallele Flächen, z. B. die Substratrückseiten, geeignet verspiegelt so hat man im Resonator ein Etalon, das durch Anlegen von Spannungen von ca. 0-10 Volt an die Steuerelektroden (101) und (102) der Flüssigkristallzelle (10a) durchgestimmt werden kann.
Die Figuren stellen vereinfachte Beispiele erfindungsgemäßer Laser dar, deren einzelne Merkmale untereinander, aber auch mit anderen Ausführungen, in weitem Rahmen kombinierbar sind.

Claims (18)

1. Laser mit einer Laserquelle (1) und einem Resonator (2, 3), gekennzeichnet durch eine im Resonator (2, 3) angeordnete Flüssigkristallzelle (10) mit Steuerelektroden (101, 102).
2. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Streifenelektroden (102, 103).
3. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ringelektroden.
4. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Punktmatrix von Elektroden.
5. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig die Steuerelektroden (101, 102) aus mehreren einzeln ansteuerbaren Teilen bestehen.
6. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine planparallele Flüssigkristallzelle (10).
7. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine linsenförmige Flüssigkristallzelle (10) (Fig. 3).
8. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (1) ein Festkörper ist.
9. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzelle (10) mit den Steuerelektroden (102) einer Seite einen Umlenkspiegel bildet (Fig. 2).
10. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (101, 102, 103, 104) der Flüssigkristallzelle (10a, b) auf Substraten aus optischem Glas von mehreren Millimetern Dicke aufgebracht sind.
11. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzelle (10) unmittelbar zwischen zwei optischen Elementen (1, 3) des Lasers eingefügt ist und die Steuerelektroden (101, 102) auf den benachbarten optischen Elementen (1, 3) angeordnet sind (Fig. 3).
12. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzelle (10) mit den Steuerelektroden (101, 102) eine adaptive Linse ist.
13. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzelle (10) mit den Steuerelektroden (101, 102) ein adaptives Phasenschiebe­ plättchen ist.
14. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzelle (10) mit den Steuerelektroden (101, 102) ein adaptives Etalon ist.
15. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzelle (10) mit den Steuerelektroden (101, 102) eine Einrichtung zur Änderung der optischen Länge des Resonators ist.
16. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-15, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (7, 8), die Betriebsparameter des Lasers oder Qualitätsparameter des Laserstrahls erfaßt und davon abhängig die Steuerelektroden (101, 102) der Flüssigkristallzelle (10) steuert.
17. Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine oder mehrere Flüssigkristallzellen (10b) mit Steuerelektroden (103, 104) mit den kennzeichnenden Merkmalen mindestens eines der Ansprüche 1-16 im Resonator (2, 3) angeordnet sind (Fig. 1).
18. Verfahren zum Steuern und Regeln eines Laserstrahls, der von einem Laser nach mindestens einem der Ansprüche 1-17 emittiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß an die Flüssigkristallzelle (10) mittels der Steuerelektroden (101, 102) ein elektrisches Feld angelegt wird.
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