DE4401917A1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Laserpulsen im mus-Zeitbereich - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen von Laserpulsen im mus-Zeitbereich

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen mit einem gütegeschalteten Festkörperlaser und wenigstens einem nichtlinearen Kristall.
Lasersysteme, in deren Strahlengang nichtlineare Kris­ talle integriert sind, werden zumeist mit der Absicht betrieben, die durch das Lasersystem erzeugten Licht­ wellen in ihren Frequenzen zu vervielfachen. So ist seit langem bekannt, daß bspw. Laserpulse einer be­ stimmten Wellenlänge in der Frequenz verdoppelt werden können, indem außerhalb des Resonators in den Strahlen­ gang nichtlineare Kristalle eingebracht werden. Hierbei ist die Konversionseffizienz des nichtlinearen Kris­ talls jedoch dadurch beschränkt und wird immer ge­ ringer, je länger die Pulsdauern sind, da die Konver­ sionseffizienz proportional der Bestrahlungs-stärke ansteigt. Somit sind zur Frequenzvervielfachung möglichst kurze Laserpulse von Vorteil, um einen möglichst großen Strahlungsanteil der Fundamental­ wellenlänge zu konvertieren. So bedient man sich bere­ its seit den 60iger Jahren für die Herstellung möglichst kurzer Laserpulse der bekannten Q-Switch- Technik.
Im Gegensatz zu dem vorgenannten Ziel, Laserpulse so kurz wie möglich zu erzeugen, gibt es Anwendungsfälle, in den frequenzvervielfachte Laserpulse mit möglichst langer Pulsdauer von großem Interesse sind. Als Bei­ spiel hierfür sei die Lichtpulsübertragung mittels Quarzfasern genannt, die in Abhängigkeit ihrer Dimensi­ onierung nur begrenzte "Lichtenergiepakete" zu übertra­ gen in der Lage sind, ohne dabei selbst Schaden zu erleiden. Insbesondere das zeitliche Verlängern von Q- Switch-Laserpulsen war bisher nur sehr selten von Interesse, zumal die Q-Switch-Technik hauptsächlich zur Verkürzung von Laserpulsen eingesetzt wird.
Der Betrieb von blitzlampengepumpten Festkörperlasern weist zum Nachteil aller im Lasersystem befindlichen opti­ schen Elemente sog. "Spikes" auf, die je nach Pulsleistung den optischen Elementen Schaden zu fügen können. Bereits in den 60iger Jahren wurden daher nichtlinear absorbierende Medien in den Resonator eines Rubinlasers eingebracht, um die vorgenannten "Spikes", also die spontan auftretenden Pulsspitzenleistungen des Lasers zu dämpfen oder ganz zu verhindern.
Ferner ist bekannt, daß die Verwendung von nichtline­ aren Kristallen innerhalb des Resonators zur Pulsver­ längerung beitragen kann, sofern der nichtlineare Kris­ tall in geeigneter Winkellage zur Polarisationsebene der Fundamentalwelle orientiert ist. (siehe. hierzu "Ein µs Alexandrite-Laser für laserinduzierte Schock­ wellenlithotripsie", Laser und Optoelektronik 21(6)/1989, S. 56-61).
Steht hingegen die Erzeugung von Lichtpulsen im Bereich längerer Pulsdauern im Mittelpunkt, beispielsweise im µs-Bereich, so geht aus der vorgenannten Druckschrift eine weitere Möglichkeit der Pulsformung hervor. Eine wesentliche Verbesserung bezüglich der Kontrolle der Pulsform ist durch eine elektronische Steuerung der Resonatorverluste mit Hilfe einer beispielsweise reso­ natorinternen Pockelszelle zu erreichen. Als Regel­ signal für die Steuerung dient die Rückkopplung der emittierten Laserstrahlung. Die elektronische Steuerung der Resonatorverluste muß jedoch innerhalb einer Puls­ emission vorgenommen werden können. Dies ist bei­ spielsweise durch die Reglung der Hochspannung einer resonatorinternen Pockels- oder Kerr-Zelle möglich. So sind an einen derartigen Regelkreis hohe Anforderungen zu stellen. Während der Anstiegsflanke eines Q-Switch- Pulses müssen Spannungen von mehreren kV über die Pockelszelle angelegt werden, um den Laserpuls bereits in seiner ansteigenden Flanke zu dämpfen. Weitere Aus­ führungen hierzu sind aus der vorgenannten Textstelle zu entnehmen.
Je nach Anwendungsfall eines Lasers ist die Parameterisierung des Lasersystems in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen neu vorzunehmen.
So sind auf dem Gebiet der Materialbearbeitung und -ab­ tragung mittels Laserlicht zum einen hohe An­ forderungen an die Lichtleistungen zu stellen, die eine eine derartige Bearbeitung erst ermöglichen und zum anderen an die Applikationsoptik, die das im Lasersystem entstehende Licht an die Stelle der Materialbearbeitung führt. Dies setzt voraus, daß die Lichtenergie, die zumeist über Quarzglasfasern geleitet wird, nicht zu hoch ist, so daß die Quarzglasfasern aufgrund zu hoher Pulsleistungen nicht beschädigt werden, aber auch nicht zu niedrig sind, um Material­ bearbeitung erst zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen mit einem gütegeschalteten Festkörperlaser und wenigstens einem nichtlinearen Kristall derart auszugestalten, daß die Laserpulse im Rahmen der Materialbearbeitung bzw. -abtragung einsetzbar sind und mit möglichst hoher Pulsenergie schadlos mittels Quarzglasfasern über­ tragbar sind. Mit Hilfe der Vorrichtung sollen insbe­ sondere Gewebeabtragungen auf dem medizinischen Bereich vorgenommen werden können.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 und 17 angegeben. Weitere, die Erfindung vorteilhaft ausgestaltende Merkmale sind in den Ansprüchen 2 bis 16 sowie im Anspruch 18 bis 20 enthalten.
Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen mit einem gütegeschalteten Festkörperlaser und wenigstens einem nichtlinearen Kristall dadurch aus, daß der nichtlineare Kristall innerhalb des Resonators des Festkörperlasers angeord­ net ist und daß eine Pulsverlängerungseinheit die Pulsform und -dauer der sich im Resonator ausbildenden Lichtpulse bestimmt. Hierdurch wird erreicht, daß die von dem Festkörperlaser erzeugten Lichtpulse der Fun­ damentalwelle zum einen frequenzverdoppelt werden, zum anderen durch den nichtlinearen Kristall sowie die an den Resonator angeschlossene Pulsverlängerungseinheit derart verlängert werden, daß die Lichtpulse im µs- Zeitbereich liegen, so daß eine schadlose Licht­ pulsübertragung durch die Quarzglasfasern hin zu einer Stelle, wo beispielsweise Materialbearbeitung statt­ findet, ermöglicht werden kann.
So wird die für die hohe UV-Pulskonversion nötige hohe Leistungsdichte im Resonator dadurch erreicht, daß die Verluste des Resonators zu einem wesentlichen Teil durch die Frequenzkonversion erzeugt werden und die Auskoppelverluste für die fundamentale Wellenlänge gering gehalten werden. Durch die nichtlineare Charakteristik der Frequenzverdopplung werden hohe Leistungsdichten im Resonator durch die Verdoppelung selbst limitiert, so daß bei optimaler Auslegung des Systems keine durch hohe Leistungen bedingten Schäden auftreten können.
Erfindungsgemäß werden zur Pulsverlängerung das nicht­ linerare Verhalten des innerhalb des Resonators einge­ brachten Kristalls ausgenutzt, der eine Pulsverlän­ gerung von ca. um den Faktor 2 bis 3 bewirkt sowie die laserpulsformenden Eigenschaften eines ebenfalls in­ nerhalb des Resonators integrierten optischen Elemen­ tes, das in bevorzugter Weise eine Pockelszelle ist, die aktiv mittels Hochspannung von einer Pulsverlän­ gerungseinheit angesteuert wird. Auf diese Weise werden erfindungsgemäß Laserpulse im µs-Bereich erzeugt, die aus der Fundamentalwelle und bspw. der zweiten harmonischen Welle bestehen. Je nach Anwendungsfall können beide Laserwellenlängen einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Die Pulsverlängerungseinheit wird in an sich bekannter Weise von Laserlicht angesteuert, das selbst aus dem Lasersystem entstammt. Es findet dabei eine Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Hochspannungs­ signale statt, die an die Eingängen der Pockelszelle an­ gelegt werden. Somit entsteht eine aktive Regelung der Pockelszelle in Abhängigkeit der innerhalb des Reso­ nators sich ausbildenden Lichtpulse.
Darüberhinaus ist die Pockelszelle zugleich auch als optischer Schalter für die Q-Switch-Schaltung ver­ wendbar, die getrennt von der Pulsverlängerungseinheit die Pockelszelle ansteuert.
Wird hingegen eine passive Q-switch-Lösung bevorzugt, bspw. mittels eines passiven Absorbers (Farbstoff), so bedarf es dennoch für die aktive Pulsverlängerung einer Pockelszelle bzw. einer Kerr-Zelle oder eines äquivalenten optischen Elementes.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, daß die Anordnung des nichtlinearen Kristall innerhalb des Reso­ nators in einem Resonatorbereich vorzunehmen ist, in­ nerhalb dem sich die verdoppelte Wellenlänge ungestört von dem aktivem Medium bilden und ausbreiten kann. Dies ist damit erreichbar, daß der nichtlineare Kristall zwischen einem Endspiegel des Resonators und einem wellenlängenselektiven Spiegel angeordnet ist, der zugleich Austrittsspiegel für die frequenzverdoppelte Wellenlänge ist.
Ferner ist erfindungsgemäß erkannt worden, daß die Erzeugung von UV-Laserpulsen mit µs-Pulsdauer besonders geeignet für die Materialbearbeitung und -abtragung von biologischem Gewebe sind. Insbesondere auf dem Gebiet der Angioplastie, das die Abtragung von in Blutgefäßen vorhandenen Ablagerungen betrifft, werden Lasersysteme benötigt, die im UV-Bereich Laserpulse bestimmter Energien erzeugen. Hierbei ist die Erzeugung von µs- Laserpulsen besonders für die schadlose Übertragung in Quarzglasfasern vorteilhaft, gleichwohl hohe Energie­ beträge übertragbar sind.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 Festkörperlaser mit frequenzverdoppelter Strahlung im µs-Zeitbereich.
Fig. 2a Zeitliche Pulsformdarstellung des Fundamental­ wellenpulses.
Fig. 2b Zeitliche Pulsformdarstellung unter Einbringung des nichtlinearen Kristalls innerhalb des Resonator.
Fig. 3 Abhängigkeit der mit dem erfindungsgemäßen System erzeugten UV-Energien von der Pulslänge sowie der Pumpenergie.
Fig. 4a Zeitliche Pulsformdarstellung der Fundamentalwelle mit Pulsverlängerungseinheit.
Fig. 4b Zeitliche Pulsformdarstellung mit nichtlinea­ rem Kristall und Pulsverlängerungseinheit.
Fig. 5 UV-Energieabhängigkeit von der Pumpenergie und von der Pulslänge.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform zu entnehmen, die grundsätzlich einen sog. gefalteten Laserresonator aufweist, dessen Endspiegel mit Sp3 und Sp1 bezeichnet sind. Ein weiterer sog. Umlenkspiegel Sp2 faltet den hier angegebenen Strahlengang in zwei senk­ recht zueinander stehende Resonatorhälften auf. In dem in Fig. 1 dargestellten experimentellen Aufbau handelt es sich um einen Alexandritlaser, dessen mit Blitzlampen gepumpte Pumpkammer PK innerhalb des angegebenen Reso­ nators Lichtpulse erzeugt, die eine ursprüngliche Pulsdauer von ca. 100 ns und eine Wellenlänge von 750 nm aufweisen. Der Einsatz eines nichtlinearen Kristalls SHG (Second Harmonic Generation), der in Alleinstellung in einer Resonatorhälfte untergebracht ist, ermöglicht die Erzeugung der zweiten harmonischen Schwingung, so daß eine Wellenlänge im angegebenen Fall von 375 nm ent­ steht. Neben der Pumpkammer PK, die in der zweiten Resonatorhälfte vorgesehen ist, weist dieser zudem eine Modenblende sowie einen Wellenlängenselektor (Tuner) TU auf, wodurch die Bandbreite der fundamentalen Strahlung eingeengt wird. Die Modenblende M sorgt für die Selek­ tion transversaler Moden.
Somit ist ein Laserresonator geschaffen, der zwei Wellenlängen zugleich erzeugt, die in Abhängigkeit der vorgesehenen Spiegelvergütung an unterschiedlichen Stellen aus dem System austreten können. So ist der Umlenkspiegel SP2 derart beschichtet, so daß dieser den ultravioletten Strahlungsanteil durchläßt, wohingegen die Fundamentalwelle an diesem reflektiert wird. Der Einspiegel SP1 bildet hingegen für die Fun­ damentalwellenlänge einen halbdurchlässigen Spiegel, so daß sie den Spiegel zumindest zu einem gewissen Prozentsatz ihres Strahlungsanteils durchdringen kann.
Ferner weist die Ausführungsform gemäß Fig. 1 eine Pulsverlängerungseinheit PV auf, die von der aus dem Lasersystem austretenden Fundamentalwelle über einen Strahlteiler ST sowie einen weiteren Ablenkspiegel SA beaufschlagt wird. Die Pulsverlängerungseinheit PV setzt diese optischen Signale in elektrische Ansteuersignale um, die an einem optischen Element, das innerhalb des Resonators integriert ist, anliegen. Das optische Element ist der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eine Pockelszelle PZ, die zur gezielten Variation der Güte des Resonators dient. Im vorliegenden Fall besteht die Güteschaltung des Laserresonators aus der Pockels­ zelle PZ, die zugleich mit der Pulsverlängerungseinheit PV verbunden ist. Die Pockelszelle PZ wird auf diese Weise mit zwei Funktionen beaufschlagt.
Zum Unterschied dazu ist eine Ausführungsform denkbar, die als Güteschaltung einen passiven Schalter, bei­ spielsweise einen sättigbaren Absorber aufweist. In diesem Fall wäre zudem eine Pockelszelle für die Puls­ verlängerungseinheit extra vorzusehen.
In Fig. 2a, die im Vergleich zu Fig. 2b zu betrachten ist, ist die Pulsform in einem Zeitdiagramm darge­ stellt, die dem Puls der Fundamentalwellenlänge ohne Zuschalten eines nichtlinearen Kristalls sowie ohne der Pulsverlängerungseinheit entspricht. Aus Fig. 2b ist im Unterschied dazu der Pulsverlauf unter Zuschaltung des Kristalls dargestellt. Die Pulsdauer konnte hierbei von ca. 150 ns (she. Fig. 2a) auf 1 µs (siehe. hierzu Fig. 2b) verlängert werden.
Aus Fig. 3 ist der Verlauf der Pulslänge und Pulsenergie des verdoppelten Strahlungsanteils als Funktion der durch den Spiegel Sp1 ausgekoppelten fundamentalen Energie (she. Abszissenwerte) zu entneh­ men. An der linken Ordinate sind die Energieeinheiten der verdoppelten Wellenlänge aufgetragen sowie an der rechten Ordinate die Pulslängen PL. Der mit den Dreiec­ ken versehene Graph stellt den funktionellen Zusammen­ hang zwischen der Energie der Fundamentalwellenlänge und der Pulslänge dar. Der Diagrammverlauf der mit den Punkten versehen ist, stellt hingegen den Zusammenhang zwischen der Pumpenergie und der erzeugbaren Energie im verdoppelten Frequenzbereich dar. Die in Fig. 3 darge­ stellten Meßergebnisse wurden jeweils ohne der Zuschal­ tung der Pulsverlängerungseinheit aufgenommen. Es stellt sich dabei heraus, daß Pulsenergien im verdop­ pelten Frequenzbereich von etwa 20 mJ erzeugbar sind, bei einer Pumpleistung von 100 mJ und einer Pulsdauer von 350 ns.
Zum Vergleich dazu zeigen die Fig. 4a und 4b Pulsformen mit jeweils zugeschalteter Pulsverlängerungseinheit, wobei in Fig. 4a der fundamentale Laserpuls ohne Ein­ wirkung des Kristalls und in Fig. 4b mit Zuschaltung des Kristalls dargestellt ist. Es ist zu erkennen, daß zum einen die Pulsdauer aufgrund der zugeschalteten Pulsverlängerungseinheit nahezu unverändert bleibt, doch übt der nichtlineare Kristall eine erhebliche Änderung auf die jeweilige Pulsform aus.
Aus Fig. 5 ist wiederum der funktionelle Zusammenhang zwischen der Pumpleistung der Fundamentalwellenlänge sowie der Energie der verdoppelten Frequenz in Abhän­ gigkeit der hier konstant eingestellten Pulslänge dargestellt (Graph mit Dreiecken stellt die Pulslänge der Lichtpulse dar; Graph mit Punkten stellt den energetischen Zusammenhang zwischen Pumpenergie und UV- Energie dar). Es stellt sich dabei heraus, daß mit Integration des Kristalls und Pulsverlängerungseinheit in den Resonator die mit verdoppelter Frequenz erzeugbaren Energien deutlich höher liegen als im geschilderten Fall gemäß Fig. 3. Ferner sind bei der angegebenen Pulslänge von 1 µs die schadlose Über­ tragung der Lichtpulse auf der doppelten Frequenz durch die Quarzglasfaser möglich.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen mit einem gütegeschalteten Festkörperlaser und wenigstens einem nichtlinearen Kristall dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Kristall innerhalb des Resonators des Festkörperlasers angeordnet ist und daß eine Pulsverlängerungseinheit die Pulsform- und -dauer der sich im Resonator ausbildenden Licht­ pulse bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsverlängerungs­ einheit, die selbst über eine Rückkopplung von dem Laserlicht ansteuerbar ist, ein im Resonator ange­ ordnetes, optisches Element zur Variation der reso­ natorinternen Verluste, ansteuert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element aus einer Pockels- oder Kerrzelle besteht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Kristall zum einen die Lichtpulsdauer vergrößert und damit die optischen Zeitkonstanten des Resonators erhöht und zum anderen einen Teil der Fundamentalwellenlänge ver­ doppelt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Vorrichtung austretenden Lichtpulse im µs-Bereich liegende Pulsdauern aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der aus der Vor­ richtung austretenden Strahlung das Ansteuersignal für die Pulsverlängerungseinheit bildet und dieses das optische Element ansteuert.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Güteschaltung derart beschaltet ist, daß sie zum einen den Q-switch- Betrieb aufrechterhält und zum anderen als von der Pulsverlängerungseinheit angesteuerte optische Regelung der Resonatorverluste dient.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Güteschaltung aus einem passivem Absorber, bspw. eine Farbstofflösung, besteht und die Pulsverlängerungseinheit mit einer Pockelszelle als optische Regelung verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fundamentalwellenlänge im Bereich von 750 nm liegt und eine Pulsenergie von bis zu 300 mJ aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ultravioletten Strahlungsanteile eine Pulsenergie von mindestens 15 mJ bei einer Pumpleistung von 80 mJ pro Puls beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator des Festkörperlasers derart gefaltet ist, daß zwischen einem Endspiegel und einem resonatorinternen Ab­ lenkspiegel der nichtlineare Kristall und zwischen dem Ablenkspiegel und dem anderen Endspiegel das aktive Medium, wellenlängenselektive und modeneinengende Elemente sowie die Güteschaltung und die optische Rege­ lung, vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkspiegel als Austrittsspiegel für die frequenzverdoppelte Wellenlänge durchlässig ist und die Fundamentalwelle reflektiert.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Kristall in Kombination mit der Pulsverlängerungseinheit die ursprüngliche Pulslänge um mindestens eine Größenordnung verlängert.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser ein blitzlampengepumpter Alexandrit-Laser ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Kristall ein BBO-Kristall ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtpulse in eine Quarzfaser einkoppelbar und übertragbar sind.
17. Verwendung eines optischen Systems mit einem gütegeschalteten Festkörperlaser und wenigstens einem nichtlinearen, frequenzvervielfachenden Kristall zur Erzeugung frequenzverdoppelter Laserpulse, die durch Quarzfasern übertragbar, an deren distalen Ende direkt oder über eine Applikationsoptik insbesondere auf biologisches Material, bspw. bei der Angioplastie, treffen, dadurch gekennzeichnet, daß daß der nichtlineare Kristall innerhalb des Resonators des Festkörperlasers angeordnet ist und eine Pulsverlängerungseinheit die Pulsform- und -dauer der sich im Resonator ausbildenden Licht­ pulse derart bestimmt, so daß die Pulsenergie und Pulsdauer der frequenzver­ doppelten Strahlungsanteile die Quarzfasern nicht be­ schädigen.
18. Verwendung des optischen Systems nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die am distalen Ende der Quarzfasern austretenden frequenzverdoppelten Licht­ pulse im Rahmen der Angioplastie den hierfür er­ forderlichen Gewebeabtrag bewerkstelligen.
19. Verwendung des optischen Systems nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzverdoppelten Lichtpulse Wellenlängen im ultravioletten Wellenlängenbereich besitzen mit Pulsenergien von mindestens 15 mJ und Pulsdauern im µs-Bereich.
20. Verwendung des optischen Systems nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der fundamentale als auch der frequenzverdoppelte Wellenlängenanteil aus dem optischen System austritt und über die Quarzfaser übertragbar ist.
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