DE4323197A1

DE4323197A1 - Verfahren und Anordnung zur Regelung von diodengepumpten Festkörperlasern

Info

Publication number: DE4323197A1
Application number: DE4323197A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Phys Heinemann; Axel Dipl Ing Mehnert; Peter Dr Peuser; Josef Dipl Ing Schalk; Nikolaus Dipl Phys Schmitt; Paul Dipl Ing Zeller
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1993-07-07
Publication date: 1994-03-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Re gelung von diodengepumpten Festkörperlasern gemäß den Ansprüchen 1 und 7.

Eine Methode nach dem Stande der Technik ist zum Beispiel, den Arbeits punkt eines diodengepumpten Festkörperlasers dadurch zu halten, daß die Emissionswellenlänge der Laserdiode durch eine geeignete Vorrichtung ge messen wird, die Temperatur der Laserdiode also so eingeregelt wird, daß die Emissionswellenlänge genau auf der Absorptionswellenlänge des fest körper-Lasermateriales konstant bleibt, andererseits der Strom so gere gelt wird, daß die gewünschte Ausgangsleistung erzielt wird und die Tem peratur entsprechend dem Signal aus der Wellenlängenmessung nachgefahren wird. Nachteil dieser Anordnung nach dem Stande der Technik ist jedoch, daß eine ziemlich aufwendige Anordnung zur genauen Messung der Laserdio den-Emissionswellenlänge erforderlich ist.

Zum weiteren Stand der Technik werden die Druckschriften DE 40 41 130, DE 39 25 201 und US 4 974 230 genannt.

Entscheidend für Ausgangsleistung und Effizienz eines diodengepumpten Festkörperlasers ist die Ausgangsleistung und die Wellenlänge der Pump laserdiode. Einerseits muß die Emissionswellenlänge der Pumplaserdiode an die Absorptionsbande des jeweils verwendeten Festkörpermateriales an gepaßt werden (bei Nd:YAG beispielsweise 808.5 nm), andererseits darf die Ausgangsleistung der Laserdiode einen bestimmten Grenzwert nicht über schreiten.

Die entscheidenden Parameter, aus denen sich Ausgangsleistung und Wel lenlänge der Laserdioden ergeben, sind Diodenstrom und Diodentemperatur.

Nun ist aber einerseits die Ausgangsleistung der Laserdiode abhängig so wohl vom Diodenstrom als auch von der Temperatur, ebenso ist die Emissi onswellenlänge von diesen beiden Parametern abhängig, insbesondere des halb, da nicht die eigentliche Temperatur am Ort der Laserdioden-Mode meßbar ist, sondern nur eine hiermit verknüpfte Temperatur, welche am Äußeren der Laserdiode gemessen wird, meist an der Heatsink, auf welcher die Diode montiert ist. Somit ergibt sich eine Temperaturdifferenz zwi schen Laserdioden-Mode und Heatsink, welche ihrerseits eine Funktion der absoluten Temperatur bzw. des Laserdiodenstromes ist.

Eine typische Hochleistungs-Laserdiode, welche zum Pumpen von Festkör perlasern üblicherweise verwendet wird, kann nun wie folgt charakteri siert werden:

P(I,T) = [n + η∼ _* (T-To)] _* [I-IToth*exp((T-To)/t)] (1)

mit

P Ausgangsleistung,
I Diodenstrom,
T Temperatur,
To Temperaturkonstante,
ITOth Schwellstrom bei To,
t diodenspezifische Konstante,
h Wirkungsgrad (Effizienz) und
h∼ Konstante zur Beschreibung der Wirkungsgradänderung in Abhängigkeit von der Temperatur.

Entsprechend schreibt sich

λ (I,T)= λo + β_*(T-To) + γ *(I-Io) (2)

mit

λ Wellenlänge,
λo Wellenlänge bei To und Io,
β Konstante zur Beschreibung der Wellenlängenänderung mit der Temperatur und
γ Konstante zur Beschreibung der Wellenlängenänderung mit dem Strom.

Insgesamt ist somit jede Diode individuell beschrieben durch die Kon stanten t, β, γ, η, η sowie IToth und ωo.

Zur vollständigen Charakterisierung einer Laserdiode sind somit minde stens vier Meßreihen notwendig, in denen P(I), P(T), l(I) und l(T) ge messen werden und die oben genannten Konstanten hieraus abgeleitet wer den können.

Da diese Konstanten für jede Laserdiode individuell verschieden sind, müßte also prinzipiell bei der Produktion von diodengepumpten Festkör perlasern jede Pumplaserdiode umfangreich vermessen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anordnung aufzuzeigen, mit welcher einmal eine solche oben beschriebene Vermessung der Laserdioden nicht mehr notwendig ist, und andererseits Alterungseffekte der Laserdiode ausgeregelt werden können, bei denen die oben genannten Konstanten sich im Laufe der Betriebszeit ändern und somit eine erneute Vermessung der Laserdiode erforderlich machen würden. Ebenso wird die Lebensdauer der Laserdioden dadurch er höht, als durch die Optimierung kein unnötig hoher Strom und damit keine unnötig hohe Leistung benötigt wird.

Das Verfahren beruht darauf, aufgrund der Messung von Lasereigenschaf ten, insbesondere durch Messung der Festkörperlaser-Leistung, die Be triebsparameter der Laserdiode so zu regeln, daß der Laser in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird.

Es zeigen

Fig. 1 ein Diagramm zur Messung der Laserdioden-Ausgangsleistung in Abhängigkeit von Laserdiodenstrom und Temperatur,

Fig. 2 ein Diagramm zur Messung der Laserdiode-Wellenlänge als Funktion von Laserdiodenstrom und Temperatur,

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des optimalen Arbeitspunktes für laserdiodengepumpte Festkörperlaser,

Fig. 4 ein Diagramm zur Messung der Festkörperlaser-Ausgangsleistung, in diesem Falle Nd:YAG, in Abhängigkeit von Laserdioden-Tempera tur und -strom.

Fig. 5 eine beispielhafte Skizze einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Regelung eines diodengepumpten Festkörperlasers.

Die Fig. 1 zeigt das Diagramm einer Messung der Ausgangsleistung einer typischen Hochleistungs-Laserdiode zum Pumpen von Festkörpermaterialien. Zum einen ist die Ausgangsleistung bestimmt durch den Laserdiodenstrom oberhalb der Laserschwelle, zum anderen hängt die Laserschwelle stark von der Temperatur ab.

Der Laserschwellstrom Ith läßt sich schreiben zu Ith (T) = IToth * exp((T-To)/t).

Der Strom Iop für eine vorgegebene Ausgangsleistung Po schreibt sich

Iop = Ith + Po/η.

Aus der Fig. 2 ergibt sich die Abhängigkeit der Laserdiodenwellenlänge als Funktion von Laserdiodenstrom und Temperatur.

Der wichtigste Effizienzvorteil laserdiodengepumpter Festkörperlaser gegenüber lampengepumpten Festkörperlasern liegt im guten Überlapp von Laserdioden-Emissionswellenlänge und Festkörpermaterial-Absorptionswel lenlänge. Die Fig. 3 nun veranschaulicht diesen Zusammenhang. Die Ab sorptionslinien von Festkörper-Lasermaterialien sind im allgemeinen re lativ schmal und fordern so eine genaue Abstimmung der Pumplaserdiode in ihrer Wellenlänge auf den Absorptionspeak. Dies geschieht im allgemeinen dadurch, daß die Pumplaserdiode in ihrer Temperatur so beeinflußt wird, daß die Emissionswellenlängen mit dem Absorptionspeak des jeweilig ver wendeten Festkörpermateriales übereinstimmen. Andererseits ändert sich mit einer Verschiebung der Laserdiodentemperatur wie oben angegeben auch die Laserdioden-Ausgangsleistung, so daß beide Größen insgesamt zur Be rechnung des optimalen Effizienzpunktes herangezogen werden müssen.

Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Messung einer Festkörperlaser-Aus gangsleistung, in diesem Beispiel Nd:YAG als einem der bekannteren Ver treter von diodengepumpten Festkörperlasermaterialien, in Abhängigkeit von sowohl Laserdioden-Temperatur als auch Laserdiodenstrom. Selbstver ständlich können aber auch andere Festkörperlasermaterialien verwendet werden. Es zeigt sich deutlich, daß Bereiche existieren, in denen die Effizienz maximiert ist. Diese Punkte sind nun vornehmliche Arbeitspunk te zum effizienten Betrieb eines diodengepumpten Festkörperlasers.

Das hier vorgeschlagene Verfahren aber nutzt die inhärente, materialspe zifische Struktur des Effizienzdiagrammes derart aus, daß durch eine einfache Messung der Festkörperlaser-Ausgangsleistung der optimale Ar beitspunkt eingeregelt werden kann. Dies geschieht - wie die Fig. 5 veranschaulicht - wie folgt:

Die Laserdiodentemperatur (T1) wird zunächst so eingestellt, daß eine Temperatur erreicht wird, aus der eine Emissionswellenlänge resultiert, welche bei einem Strom von I₁ deutlich unter der optimalen Absorp tionswellenlänge des Festkörpermateriales (Laserkristall) liegt. Bei konstant gehaltener Temperatur wird nun der Laserdiodenstrom I_op so weit erhöht, daß am Ausgang des Festkörperlasers 51 eine Ausgangslei stung gemessen wird, welche dem gewünschten Sollwert (100%) entspricht. Diese Messung wird zweckmäßig so vorgenommen, daß über einen Strahltei ler 52 ein Teilstrahl aus dem Nutzstrahl ausgeblendet und auf einen lei stungsempfindlichen Detektor 53 abgebildet (z. B. eine Photodiode), so daß die hier anliegende Spannung (oder Strom oder Widerstand oder ver gleichbares, je nach Detektor), welche proportional zur Laserleistung ist, an die Regelelektronik 54 geleitet wird. Ebenso kann natürlich auch der aus dem hochreflektierenden Spiegel der anderen Resonatorseite aus tretende Leckstrahl zur Messung der Ausgangsleistung verwendet werden, da dessen Leistung der Laserausgangsleistung proportional ist. Nunmehr wird die Laserdiodentemperatur der Pumplaserdiode 55 soweit erhöht, bis keine Steigerung der Ausgangsleistung am Ausgang des Festkörperlasers 51 mehr gemessen werden kann (T2), daraufhin der Laserdiodenstrom soweit reduziert wird, daß wiederum der gewünschte Sollwert am Ausgang ansteht, insgesamt also die Ausgangsleistung auf einen konstanten Wert geregelt wird. Durch die Reduktion des Diodenstromes erniedrigt sich nun die am Laserdiodenchip anliegende Temperatur T₁ derart, daß die Laser-Emis sionswellenlänge wiederum unterhalb der optimalen Absorptionswellenlänge des Festkörper-Lasermateriales liegt. Durch weitere Erhöhung der Laser diodentemperatur und Absenkung des Laserdiodenstromes in iterativer Wei se ergibt sich nun eine schnelle Annäherung an den optimalen Arbeits punkt, welcher nach diesem Verfahren, unter der Voraussetzung, daß die Regelbandbreiten geeignet gewählt sind, nicht überschritten werden kann. Das System optimiert sich somit selbst auf den optimalen Arbeitspunkt des Festkörperlasers.

Eine Regelung nach dem hier vorgestellten Verfahren, kann nun, je nach Ausführungsform, permanent beim Betrieb des Festkörperlasers vorgenommen werden, oder aber nur in bestimmten Zeitabständen, zum Beispiel durch Betätigung eines entsprechenden Kalibrierschalters zur Kalibrierung der optimalen Betriebsparameter. Im letzteren Falle wird dann nur von Zeit zu Zeit ein Kalibrierzyklus gemäß dem hier vorgestellten Verfahren durchgeführt, während des Routinebetriebes der Laser jedoch nur durch die Wahl des Laserdiodenstromes I_op geregelt, wobei die Temperatur entweder immer auf dem gleichen Wert gehalten wird oder aber anhand einer Kurve, die die Maxima der Effizienz bei verschiedenen Strömen ver bindet und welche im Gerät abgespeichert ist, nachgeführt wird und die Parametrisierung der Kurve durch einen von Zeit zu Zeit durchgeführten Kalibrierzyklus bestimmt wird.

Eine besonders einfache Regelung kann dadurch erreicht werden, daß gemäß Fig. 4 der Verlauf der Ausgangsleistung in Abhängigkeit der Temperatur für zwei oder mehr unterschiedliche Ströme gemessen wird und die Punkte höchster Ausgangsleistung zum Beispiel durch eine Gerade verbinden wer den, so daß die Parametrisierung der Gerade im Gerät abgespeichert wer den kann. Die Regelung im Routinebetrieb verwendet nun die abgespeicher te Kurve dazu, den optimalen Arbeitspunkt des Systemes dadurch zu hal ten, daß die für den jeweiligen Betriebsstrom zugehörige optimale Tempe ratur dieser Kurve entnommen wird.

Insbesondere können durch das vorgestellte Regelverfahren auch Alte rungseffekte der Laserdioden ausgeglichen werden, welche darin resultie ren, daß der zur Erzielung einer bestimmten Ausgangsleistung der Laser diode benötigte Laserdiodenstrom I_op sich erhöht, so daß sich die Laserdiodenschwelle Ith erhöht und somit die Laserdiodeneffizienz η sinkt bzw. daß sich die Laserdiodentemperatur bei vorgegebener Ausgangs leistung und somit also die Laserdiodenwellenlänge bei fester Ausgangs leistung verschieben. All diese Änderungen, resultierend in Änderungen der die Laserdiode charakterisierenden Konstanten (s. oben), werden bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeglichen, ohne daß die Laserdiode erneut charakterisiert bzw. oben genannte Konstanten genau bekannt sein müßten. Der optimale Arbeitspunkt des diodengepumpten Fest körperlasers wird nach dem vorgeschlagenen Verfahren alleine aus der Messung der Ausgangsleistung des Festkörperlasers 51 und der Nachführung von Laserdiodenstrom I_op und -Temperatur T₁, T₂ in vorbeschriebe ner Weise und Reihenfolge ausgeregelt.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Betriebsparameter eines laserdiodenge pumpten Festkörperlasers, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Ar beitspunkt zum Pumpen des Festkörperlasermateriales aus der Messung der Festkörperlaserstrahlungs-Ausgangsleistung ermittelt wird, und zwar da durch, daß, ausgehend von einem Startwert der Laserdiodentemperatur, wel che so gewählt ist, daß die Laserdioden-Emissionswellenlänge deutlich tie fer als die optimale Absorptionswellenlänge des Festkörper-Lasermateriales liegt, in iterativen Schritten die Laserdiodentemperatur erhöht und der Laserdiodenstrom reduziert wird, so, daß die Festkörperlaser-Ausgangslei stung im Ganzen konstant bzw. auf einem vorgegebenen Sollwert gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regel bandbreiten für Laserdiodenstrom (Iop) und Laserdiodentemperatur (T₁) so eingeschränkt sind, daß der optimale Arbeitspunkt nicht überschritten wird und keine Einregelung auf Nebenmaxima der Absorptionsbanden erfolgen kann, allerdings jedoch hinreichend groß ist, so daß eine eindeutige Rege lung erfolgen kann und Alterungseffekte der Laserdioden ausgeglichen wer den können.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom Ausgangsstrahl des laserdiodengepumpten Festkörperlasers (51) ein Teil strahl aus dem Nutzstrahl ausgeblendet und auf einem leistungsempfindli chen Detektor (53) wie z. B. eine Photodiode abgebildet wird, aus welcher die Regelsignale für das Verfahren entnommen werden.

4. Verfahren zur Regelung der Betriebsparameter eines laserdiodenge pumpten Festkörperlasers, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangslei stung des Festkörper-Lasers in Abhängigkeit der Temperatur für mindestens zwei unterschiedliche Ströme vermessen wird und die Punkte höchster Aus gangsleistung durch eine geeignete Kurve oder Gerade verbunden werden, so daß die Parametrisierung dieser Kurve (Gerade) im Gerät abgespeichert wird und entsprechend dieser Kurve die zur Einhaltung des optimalen Arbeits punktes erforderliche Temperatur für den jeweiligen Betriebsstrom geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Regelung während des Betrieb des Festkörperlasers (51) stän dig aktiviert ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die Regelung in vorgegebenen Zeitabständen oder durch spezielle Auslösung (z. B. durch einen Schalter) aktiviert wird (Kalibrierzyklus), ansonsten während des normalen Betriebes nicht aktiv ist oder aber nur eingeschränkt aktiv durch Regelung lediglich des Laserdiodenstromes und die Temperatureinstellung auf einen festen Wert fixiert ist oder aber der Wert für die Temperatureinstellung abgeleitet wird aus einer - durch einen vorhergehenden Kalibrierzyklus festgelegten - abgespeicherten Kurve (Gerade).

7. Anordnung zur Durchführung des Regelungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Ausgangsstrahl eines laserdiodengepumpten Festkörperlasers (51) ein Teilstrahl (TS) und auf einen leistungsempfindlichen Detektor (53) abgebildet wird oder der aus dem hochreflektierenden Spiegel (HR) des Resonators austretende Leck strahl, dessen Leistung der Laserausgangsleistung proportional ist, auf diesen Detektor (53) abgebildet wird, und die hier gemessene Leistung als Eingang für eine Regelungseinrichtung (54) dient, welche durch iterative Erhöhung von Laserdiodentemperatur (T₁) und Absenkung von Laserdioden strom (I_op) die Ausgangsleisung des diodengepumpten Festkörperlasers (51) auf einem konstanten Wert hält und die Laserdiode (55) somit im Be reich maximaler Effizienz zur Erreichung dieser Ausgangsleistung regelt.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Mes sung der Ausgangsleistung die im Laserkopf integrierte Anordnung (52) ver wendet wird, welche einen Teilstrahl (TS) des Laserstrahles auskoppelt und auf den leistungsempfindlichen Detektor (53) abbildet bzw. den am hoch reflektierenden Spiegel (HR) des Resonators (51) austretenden Laserstrahl auf den leistungsempfindlichen Detektor (53) abbildet.