DE4401917C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen mit Pulslängen im Bereich weniger Mikrosekunden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen mit Pulslängen im Bereich weniger Mikrosekunden mit einem gütegeschalteten Festkörperlaser und einer elektrischen Pulsverlängerungseinheit, die durch das aus dem Laserresonator aus tretende Licht ansteuerbar ist und ein intrakavitäres optisches Element ansteuert und die Pulsform- und -dauer der sich im Resonator ausbildenden Strahlungspulse bestimmt 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 Bestrahlungsstärke ansteigt. Somit sind zur Frequenzvervielfachung möglichst kurze Laserpulse von Vorteil, um einen möglichst groben 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 denen 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. Als ein Beispiel hierfür wird der Beitrag von Lovberg et al. genannt, "Pulse Stretching and Shape Control by Compound Feedback in a Q-Swistched Ruby Laser", in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-11, No. 1, 1975, S. 17-21. Ferner wird in diesem Zusammenhang auch auf einen Beitrag von W. Schmid, "Pulse Stretching in a Q-Switched Nd:YAG Laser", in IEEE J. of Quantum Electr., Vol. QE-16, No. 7, July 1980, 790-794 hingewiesen.

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 zufügen 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 "1-µs Alexandrit-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 Regelung 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 Parametrisierung 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.

Aus der US 5 151 909 geht eine Resonatoranordnung her­ vor, die einen frequenzverdoppelten Festkörperlaser beschreibt, der in unterschiedlichen Pumpleistungsmoden betrieben werden kann. Der Resonatoraufbau, der bei­ spielsweise in Fig. 1 der angegebenen Druckschrift dargestellt ist, zeigt einen gefalteten Resonator, in dessen einem Resonatorast ein KTP-Kristall vorgesehen ist und in dessen zweiten Resonatorast neben dem aktiven Medium eine Q-Switch-Einheit vorgesehen ist. Dieser für den chirurgischen Einsatz vorgesehene Laser kann in einem Standby-, Ready- und Work-Mode betrieben werden, um den Energieverbrauch des gesamten Systems erheblich zu reduzieren und gleichzeitig dafür Sorge zu tragen, daß bei Bedarf die volle Laserleistung zur Verfügung steht. Würde man mit diesem System Laserpulse im UV-Bereich mit Pulsenergien im Millÿoulebereich generieren wollen, so würden jegliche optische in­ trakavitären Komponenten zerstört werden.

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 erzeugbar und mittels Quarzglasfasern übertragbar sind. Mit Hilfe der Vor­ richtung sollen insbesondere Gewebeabtragungen auf dem medizinischen Bereich vorgenommen werden können.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weitere, die Erfindung vorteilhaft ausgestaltende Merkmale sind in den Ansprüchen 2 bis 11 enthalten.

Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung zur Er­ zeugung von Laserpulsen mit Pulslängen im Bereich weniger Mikrosekunden mit einem gütegeschalteten Festkörperlaser und einer elektrischen Pulsverlängerungseinheit, die durch das aus dem Laserresonator austretende Licht ansteuerbar ist und ein intrakavitäres optisches Element ansteuert und die Pulsform- und -dauer der sich im Resonator ausbildenden Strahlungspulse bestimmt, derart aus, daß der Resonator des Festkörperlasers gefaltet ist, wobei zwischen einem Endspiegel und einem reso­ natorinternen Ablenkspiegel ein optisch nichtlinearer Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen der Laserfrequenz und zwischen dem Ablenkspiegel und dem anderen Endspiegel das laseraktive Medium sowie das von der Pulsverlängerungseinheit ansteuerbare optische Element vorgesehen sind, daß der Ablenkspiegel als Austrittsspiegel für die frequenzverdoppelten Strahlungsanteile durchlässig ist und die Fundamentalwelle reflektiert und daß die frequenzverdoppelten Strahlungsanteile eine Pulsenergie aufweisen, die mindestens einige Milÿoule beträgt.

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 lineare 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 den 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. Insbesonderer 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 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 M 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 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 der 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 (11)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen mit Pulslängen im Bereich weniger Mikrosekunden mit einem gütegeschalteten Festkörperlaser und einer elektrischen Pulsverlängerungseinheit (PV), die durch das aus dem Laserresonator aus tretende Licht ansteuerbar ist und ein intrakavitäres optisches Element (PZ) ansteuert und die Pulsform- und -dauer der sich im Resonator ausbildenden Strahlungspulse bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator des Festkörperlasers gefaltet ist, wobei zwischen einem Endspiegel (Sp3) und einem resonatorinternen Ab­ lenkspiegel (Sp2) ein optisch nichtlinearer Kristall (SHG) zur Erzeugung der zweiten Harmonischen der Laserfrequenz und zwischen dem Ablenkspiegel (Sp2) und dem anderen Endspiegel (Sp1) das laseraktive Medium sowie das von der Pulsverlängerungseinheit (PV) an­ steuerbare optische Element (PZ) vorgesehen sind, daß der Ablenkspiegel (Sp2) als Austrittsspiegel für die frequenzverdoppelten Strahlungsanteile durchlässig ist und die Fundamentalwelle reflektiert und daß die frequenzverdoppelten Strahlungsanteile eine Pulsenergie aufweisen, die mindestens einige Millÿoule beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ablenkspiegel (Sp2) und dem anderen Endspiegel (Sp1) wellenlängenselektive und modeneinengende Elemente (Tu bzw. M) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (Pz) eine Pockels- oder eine Kerrzelle ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (Pz) sowohl Teil der Güteschaltung des Festkörperlasers ist, so daß ein Q-switch-Betrieb möglich ist, als auch zur Pulsver­ änderung von der Pulsverlängerungseinheit (PV) ansteuerbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Güteschaltung aus einem passiven Absorber besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fundamentalwellenlänge im Bereich von 750 nm liegt und die Pulsenergie bis zu 300 mJ beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ultravioletten Strahlungsanteile eine Pulsenergie von mindestens 15 mJ bei einer Pumpenergie von 80 mJ pro Puls haben.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Kristall (SHG) in Kombination mit der Pulsverlängerungseinheit (PV) die ursprüngliche Pulslänge um mindestens eine Größenordnung verlängert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser ein blitzlampengepumpter Alexandrit-Laser ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Kristall (SHG) ein BBO-Kristall ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungspulse in eine Quarzfaser einkoppelbar und übertragbar sind.