DE4413900A1 - Laser quality control appts. for high power laser - Google Patents

Laser quality control appts. for high power laser

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Abstract

The appts. includes a quality controlled optical device (5,6,7) attached outside the resonator, at least one laser resonator mirror (2) and a Fabry-Perot interference filter (8). The resonator mirror is on the same side a dielectric mirror of the interferometer. An acousto-optic, electro-optic or magneto-optic switch for controlling the optical loss or varying the optical path length (6) is provided between the resonator dielectric mirror and the filter mirror. Alternatively, a mechanical positioning appts. for varying the geometric path length may be provided between the mirrors as the quality controlled optical device.

Description

Für die Erzeugung hoher Laserpulsleistungen werden im allge­ meinen Güteschalter im Laserresonator eingesetzt. Dabei ent­ stehen kurze Pulse und hohe Maximalleistungen, die unter ande­ rem von der Schaltgeschwindigkeit abhängen.In general, for the generation of high laser pulse powers used my Q-switch in the laser resonator. Ent are short pulses and high maximum outputs, among others rem depend on the switching speed.

Bekannt sind zum ersten langsame Schalter in Form von rotie­ renden Lochblenden, rotierenden Prismen oder Spiegeln bzw. Ultraschallzellen.Slow switches in the form of rotie are known for the first time ring apertures, rotating prisms or mirrors or Ultrasound cells.

Der Strahlengang wird bei rotierenden Lochblenden durch eine kleine Öffnung in der Blende freigegeben. Es kommen Drehzahlen von etwa 20 000 min-1 bei Öffnungszeiten von etwa 100 µs zur Anwendung.The beam path is opened through rotating a small aperture through a small opening in the aperture. Speeds of around 20,000 min -1 are used with opening times of around 100 µs.

Mit rotierenden Spiegeln bzw. Prismen werden Schaltzeiten von 50-100 ns bei einer Pulsleistung 1 MW und Frequenzen 1 kHz erreicht. Neben den geringen Frequenzen können bei dieser Art von Schaltern keine Parametervariationen vorgenommen werden. Bei dem Einsatz von Ultraschallzellen entspricht das erste Beugungsmaxima einer Eigenschwingung des Resonators. Es werden Ultraschallfrequenzen bis 10⁶ Hz eingesetzt.With rotating mirrors or prisms, switching times of 50-100 ns at a pulse power of 1 MW and frequencies of 1 kHz reached. In addition to the low frequencies, this type no parameter variations are made by switches. When using ultrasound cells, the first corresponds Diffraction maxima of a natural vibration of the resonator. It will Ultrasonic frequencies up to 10⁶ Hz used.

Zum zweiten sind schnelle Schalter bekannt. Dazu gehören unter anderem elektrooptische, akustooptische und magnetooptische Güteschalter mit einer begrenzten schaltbaren Leistung des elektromagnetischen Wellenfeldes bis 300 W.Secondly, fast switches are known. These include under other electro-optical, acousto-optical and magneto-optical Q-switch with a limited switchable power of the electromagnetic wave field up to 300 W.

Elektrooptische Schalter bestehen aus einem doppelbrechenden Medium und ermöglichen Schaltzeiten von 50 ns, Pulsleistun­ gen von 50 MW und Frequenzen bis 100 kHz. Bei akustooptischen Schaltern wird in einem Kristall ein akustisches Wellenfeld erzeugt, an der das elektromagnetische Wellenfeld im Resonator abgelenkt wird. Magnetooptische Schalter arbeiten unter Nut­ zung des Faraday-Effektes. Ultrakurze Lichtimpulse mit einer Impulsdauer von 10-13 s werden durch Modenkopplung erzeugt. Dazu sind genaue Justierungen und sehr stabile Aufbauten not­ wendig.Electro-optical switches consist of a birefringent medium and enable switching times of 50 ns, pulse powers of 50 MW and frequencies up to 100 kHz. In acousto-optical switches, an acoustic wave field is generated in a crystal, at which the electromagnetic wave field in the resonator is deflected. Magneto-optical switches work using the Faraday effect. Ultrashort light pulses with a pulse duration of 10 -13 s are generated by mode coupling. This requires precise adjustments and very stable structures.

Lösungen dieser Art sind unter anderem in den Schriften DE OS 40 16 579 und DD 2 34 208 aufgeführt. Die DE OS 40 16 579 bein­ haltet einen Laser mit einem den Laserstrahl in den Resonator reflektierenden, periodisch schwingenden Spiegel. Der Schwing­ spiegel ist dabei Teil eines am Lasergehäuse justierbar ange­ brachten Ultraschallschwingers. Dieser Aufbau dient nur der Modulation. Als Ultraschallschwinger kommt ein Piezokeramik­ scheibe mit geteilten Elektroden zum Einsatz. Dadurch ist aber im dynamischem Betrieb keine kontinuierliche Schwingungsampli­ tude möglich. Die DD 2 34 208 beschreibt eine Anordnung zur externen Modulation von IR-Laser-Strahlung hoher Leistung. Ein Permanentmagnet in Verbindung mit einem Elektromagneten dient der Lageänderung eines Spiegels des Modulators, der ein Inter­ ferenzelement darstellt.Solutions of this type are found, inter alia, in the documents DE OS 40 16 579 and DD 2 34 208. The DE OS 40 16 579 bein hold a laser with a laser beam in the resonator reflective, periodically oscillating mirror. The swing Mirror is part of an adjustable on the laser housing brought ultrasonic transducers. This structure only serves the Modulation. A piezoceramic comes as an ultrasonic transducer disc with split electrodes. But that is no dynamic vibration amplification in dynamic operation tude possible. DD 2 34 208 describes an arrangement for external modulation of high power IR laser radiation. A Permanent magnet is used in conjunction with an electromagnet the change in position of a mirror of the modulator, which an Inter represents reference element.

Die aufgeführten Lösungen besitzen die Nachteile der langsamen Schaltzeiten oder der begrenzten mittleren Laserleistungen.The solutions listed have the disadvantages of slow Switching times or the limited average laser power.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu­ grunde, Laser mit hohen und mittleren Leistungen gütezusteu­ ern. The invention specified in claim 1 addresses the problem reasons to quality control lasers with high and medium powers ern.  

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Lasersysteme hoher Leistung gütegesteuert werden können, ohne daß hohe Leistungen des elektromagnetischen Wellenfeldes geschaltet werden müssen. Dabei können bereits bestehende Sy­ steme z. B. cw-Hochleistungs-Nd:YAG-Laser nachgerüstet und mit einer Güteschaltung betrieben werden. Die eigentliche Schalt­ einheit befindet sich außerhalb des Resonatorendspiegels. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Vorzüge der bereits bekannten schnellen Güteschalter voll genutzt werden können.The advantages achieved with the invention are in particular in that high power laser systems can be quality controlled, without high power of the electromagnetic wave field have to be switched. Existing Sy steme z. B. cw high-performance Nd: YAG laser retrofitted and with operated a Q-switch. The actual switching unit is located outside the resonator end mirror. A Another advantage is that the advantages of the already known fast Q-switch can be fully used.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An­ sprüchen 2 bis 13 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are in the An sayings 2 to 13 specified.

In der Weiterbildung nach Anspruch 2 bildet ein Spiegel eines Laserresonators gleichzeitig einen dielektrischen Spiegel ei­ nes Fabry-Perot-Interferenzfilters. Zwischen den dielektri­ schen Spiegeln des Fabry-Perot-Interferenzfilters kann sich ein Element zur Steuerung der optischen Verluste oder eine Anordnung zur Variation der optischen Weglänge befinden oder es ist eine Vorrichtung zur Änderung der geometrischen Weglän­ ge vorhanden.In the development according to claim 2, a mirror forms a Laser resonator simultaneously a dielectric mirror egg Fabry-Perot interference filter. Between the dielectri mirrors of the Fabry-Perot interference filter may an element for controlling the optical losses or a Arrangement for varying the optical path length or it is a device for changing the geometric path length ge available.

Die Weiterbildungen entsprechend der Ansprüche 3 bis 8 enthal­ ten unterschiedliche Varianten zur Gütesteuerung von Lasern die Steuerung der optischen Verluste zwischen den Spiegeln des Fabry-Perot-Interferenzfilters. Die Weiterbildung nach An­ spruch 3 enthält ein akustooptisches Bauteil, die nach An­ spruch 4 ein elektrooptisches Bauteil, die nach Anspruch 5 ein magnetooptisches Bauteil, die nach Anspruch 6 einen sättigba­ ren Absorber, die nach Anspruch 7 einen optischen Richtungs­ leiter und die nach Anspruch 8 eine Blende.The further developments according to claims 3 to 8 contain different variants for the quality control of lasers the control of optical losses between the mirrors of the Fabry-Perot interference filter. Continuing education according to An saying 3 contains an acousto-optical component, which according to An saying 4 an electro-optical component according to claim 5 magneto-optical component, according to claim 6 a sättigba  ren absorber, according to claim 7, an optical direction conductor and the aperture according to claim 8.

Die Änderung der optischen Weglänge durch Änderung der Brech­ zahl wird zur Gütesteuerung in den Weiterbildungen nach den Ansprüchen 9 und 10 angewandt. Entsprechend Anspruch 9 wird ein Plasma und entsprechend Anspruch 10 eine gesteuerte Gaszu­ führung zur Änderung der optischen Weglänge verwendet.The change in optical path length by changing the refraction number will be used to control quality in further training according to Claims 9 and 10 applied. According to claim 9 a plasma and, according to claim 10, a controlled gas guide used to change the optical path length.

In den Weiterbildungen nach den Ansprüchen 11 und 12 führt eine geometrische Änderung der optischen Weglänge zur Güte­ steuerung eines Lasers. Dabei wird ein Spiegel des Fabry-Pe­ rot-Interferenzfilters entsprechend Anspruch 11 mit einer Po­ sitioniereinrichtung und entsprechend Anspruch 12 mit einem in seiner Ausdehnung steuerbaren Element mechanisch verbunden, die den Abstand zum zweiten Spiegel des Fabry-Perot-Interfe­ renzfilters verändern.In the developments according to claims 11 and 12 leads a geometric change in the optical path length to quality control of a laser. A mirror of the Fabry-Pe red interference filter according to claim 11 with a Po sitioning device and according to claim 12 with an in its expansion controllable element mechanically connected, which is the distance to the second mirror of the Fabry-Perot interfe change the reference filter.

Die Weiterbildung nach Anspruch 13 führt zu einer Verminde­ rung der Zerstörungsgefahr der Bauelemente.The training according to claim 13 leads to a Verminde risk of destruction of the components.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are in the drawings are shown and are described in more detail below. Show it:

Fig. 1 Prinzipieller Aufbau der Anordnung mit einem Fabry- Perot-Interferenzfilter und ein dazwischen angeordne­ tes Element zur Steuerung der optischen Verluste und Fig. 1 Basic structure of the arrangement with a Fabry-Perot interference filter and an element arranged therebetween for controlling the optical losses and

Fig. 2 Prinzipieller Aufbau der Anordnung mit einem Fabry- Perot-Interferenzfilter, wovon ein Spiegel mit einer mechanisch veränderbaren Einrichtung fest verbunden ist. Fig. 2 Basic structure of the arrangement with a Fabry-Perot interference filter, of which a mirror is firmly connected to a mechanically changeable device.

Die Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern besteht in einer ersten Grundvariante aus einem Laser 9 und einem Fabry-Perot- Interferenzfilter 8. Der Laser 9 besteht aus dem Lasermedium 4 und dem Resonator in Form von zwei dielektrischen Spiegeln 1 und 2, wobei der dielektrische Spiegel 1 den Laserstrahl 3 auskoppelt. Der zweite dielektrische Spiegel 2 ist gleichzei­ tig ein dielektrischer Spiegel des Fabry-Perot-Interferenzfil­ ters 8. Dieses besteht im wesentlichen aus diesem Spiegel 2, einem Element zur Steuerung der optischen Verluste 6 oder aus einer Anordnung zur Variation der optischen Weglänge 6 und dem zweiten dielektrischen Spiegel 5. Der Fabry-Perot-Interferenz­ filter 8 kann in einer zweiten Grundvariante aus den beiden dielektrischen Spiegeln 2 und 5 realisiert werden, wobei der zweite dielektrische Spiegel 5 mit einer Einrichtung zur Weg­ längenänderung 7 mechanisch fest verbunden ist.In a first basic variant, the arrangement for controlling the quality of lasers consists of a laser 9 and a Fabry-Perot interference filter 8 . The laser 9 consists of the laser medium 4 and the resonator in the form of two dielectric mirrors 1 and 2 , the dielectric mirror 1 coupling out the laser beam 3 . The second dielectric mirror 2 is at the same time a dielectric mirror of the Fabry-Perot interference filter 8 . This essentially consists of this mirror 2 , an element for controlling the optical losses 6 or an arrangement for varying the optical path length 6 and the second dielectric mirror 5 . The Fabry-Perot interference filter 8 can be realized in a second basic variant from the two dielectric mirrors 2 and 5 , the second dielectric mirror 5 being mechanically firmly connected to a device for changing the path length 7 .

Damit befindet sich die eigentliche optische gütesteuernde Vorrichtung 5, 6 oder 7 des Laser 9. Dadurch ist es zum einen möglich, hohe Leistungen des elektromagnetischen Wellenfeldes zu schalten und zum anderen diese Vorrichtung in Verbindung mit dem Fabry-Perot-Interferenzfilters 8 nachträglich zu in­ stallieren. Der Fabry-Perot-Interferenzfilter 8 kann dabei entsprechend der nachfolgenden Ausführungsbeispiele ausgeführt werden.The actual optical quality control device 5 , 6 or 7 of the laser 9 is thus located. This makes it possible on the one hand, to switch high power of the electromagnetic wave field and on the other hand, this device in conjunction with the Fabry-Perot interference filter 8 to subsequently stalling in. The Fabry-Perot interference filter 8 can be designed in accordance with the following exemplary embodiments.

In einem ersten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen den beiden dielektrischen Spiegeln 2 und 5 des Fabry-Perot-Inter­ ferenzfilters 8 ein Element zur Steuerung der optischen Ver­ luste 6. Dieses kann aus einer der folgenden Einrichtungen be­ stehen:In a first embodiment, there is an element for controlling the optical losses 6 between the two dielectric mirrors 2 and 5 of the Fabry-Perot interferential filter 8 . This can consist of one of the following facilities:

  • - akustooptisches Bauelement,- acousto-optical component,
  • - elektrooptischer Schalter,- electro-optical switch,
  • - magnetooptischer Schalter,- magneto-optical switch,
  • - sättigbarer Absorber,- saturable absorber,
  • - schaltbarer optischer Richtungsleiter oder- Switchable optical directional conductor or
  • - schaltbare Blende.- switchable cover.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind an dem Raum zwischen den dielektrischen Spiegeln 2 und 5 VorrichtungenIn a second embodiment there are devices in the space between the dielectric mirrors 2 and 5

  • - für eine elektrische Entladung zur Erzeugung eines Plasmas oder- for an electrical discharge to generate a plasma or
  • - für eine gesteuerte Gaszuführung angeordnet.- arranged for a controlled gas supply.

Damit wird die optische Weglänge des Fabry-Perot-Interferenz­ filters 8 durch Variation der Brechzahl verändert.The optical path length of the Fabry-Perot interference filter 8 is thus changed by varying the refractive index.

In einem dritten Ausführungsbeispiel ist der zweite dielek­ trische Spiegel 5 des Fabry-Perot-Interferenzfilters 8 mit ei­ ner Vorrichtung zur Änderung der geometrischen Weglänge mecha­ nisch verbunden. Das kann sowohl mit einer mechanischen Posi­ tioniereinrichtung durch linear wirkende Stellmotore als auch durch die Ankopplung von Materialien, die ihre geometrischen Abmessungen beim Anlegen z. B. einer elektrischen Spannung - Piezokeramiken - ändern, geschehen.In a third embodiment, the second dielek tric mirror 5 is of the Fabry-Perot interference filter 8 is connected to ei ner device to change the geometric path length mecha nically. This can both with a mechanical Posi tioniereinrichtung by linear acting actuators as well as by coupling materials that their geometric dimensions when creating z. B. an electrical voltage - piezoceramics - change happen.

Claims (13)

1. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern, die aus einem Lasermedium und einem Resonator in Form von dielektrischen Spiegeln bestehen, gekennzeichnet dadurch, daß eine gütesteuernde optische Vorrichtung (5), (6) oder (7) außerhalb des Resonators angebracht ist.1. Arrangement for quality control of lasers, which consist of a laser medium and a resonator in the form of dielectric mirrors, characterized in that a quality-controlling optical device ( 5 ), ( 6 ) or ( 7 ) is attached outside the resonator. 2. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein Spiegel (2) des Resonators des Lasers gleichzeitig einen dielek­ trischen Spiegel eines Fabry-Perot-Interferenzfilters (8) bildet, daß zwischen diesem dielektrischen Spiegel (2) und dem zweiten dielektrischen Spiegel (5) des Fabry-Perot-In­ terferenzfilters (8) wenigstens ein Element zur Steuerung der optischen Verluste (6) oder wenigstens eine Anordnung zur Variation der optischen Weglänge (6) oder daß eine Vorrichtung (7) zur Änderung der geometrischen Weglänge zwischen den dielektrischen Spiegeln (2) und (5) als gütesteuernde optische Vorrichtung vorhanden ist.2. Arrangement for quality control of lasers according to claim 1, characterized in that at least one mirror ( 2 ) of the resonator of the laser simultaneously forms a dielectric mirror of a Fabry-Perot interference filter ( 8 ) that between this dielectric mirror ( 2 ) and the second dielectric mirror ( 5 ) of the Fabry-Perot interference filter ( 8 ) has at least one element for controlling the optical losses ( 6 ) or at least one arrangement for varying the optical path length ( 6 ) or that a device ( 7 ) for changing the geometric path length between the dielectric mirrors ( 2 ) and ( 5 ) is present as a quality-controlling optical device. 3. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Element zur Steuerung der optischen Verluste (6) ein akustooptisches Bauteil ist.3. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that the element for controlling the optical losses ( 6 ) is an acousto-optical component. 4. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Element zur Steuerung der optischen Verluste (6) ein elektrooptisches Bauteil ist. 4. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that the element for controlling the optical losses ( 6 ) is an electro-optical component. 5. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Element zur Steuerung der optischen Verluste (6) ein magneto­ optisches Bauteil ist.5. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that the element for controlling the optical losses ( 6 ) is a magneto-optical component. 6. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Element zur Steuerung der optischen Verluste (6) ein sättigbarer Absorber ist.6. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that the element for controlling the optical losses ( 6 ) is a saturable absorber. 7. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Element zur Steuerung der optischen Verluste (6) ein schaltbarer optischer Richtungsleiter ist.7. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that the element for controlling the optical losses ( 6 ) is a switchable optical directional conductor. 8. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Spiegeln (2) und (5) des Fabry-Perot-Interferenzfilters (8) eine schaltbare Blende angeordnet ist.8. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that a switchable diaphragm is arranged between the mirrors ( 2 ) and ( 5 ) of the Fabry-Perot interference filter ( 8 ). 9. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Spiegel (2) und (5) des Fabry-Perot-Interferenzfilters (8) so angeordnet sind, daß eine steuerbare plasmaerzeugende Vorrichtung zwischen den Spiegeln (2) und (5) angebracht ist. 9. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that the mirrors ( 2 ) and ( 5 ) of the Fabry-Perot interference filter ( 8 ) are arranged so that a controllable plasma-generating device between the mirrors ( 2nd ) and ( 5 ) is attached. 10. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Raum zwischen den Spiegeln (2) und (5) des Fabry-Perot-Interferenzfil­ ters (8) abgeschlossen ist und daß dieser mit einer Ein­ richtung zur Änderung der Gaszusammensetzung oder des Druckes verbunden ist.10. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that the space between the mirrors ( 2 ) and ( 5 ) of the Fabry-Perot interference filter ( 8 ) is complete and that this with a device for Change in gas composition or pressure is connected. 11. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der dielektrische Spiegel (5) auf einer mechanischen Positioniereinrichtung (7) fest montiert ist.11. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that the dielectric mirror ( 5 ) on a mechanical positioning device ( 7 ) is fixedly mounted. 12. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Spiegeln (2) und (5) des Fabry-Perot-Interferenzfilters (8) mindestens ein in seiner Ausdehnung steuerbares op­ tisches Element angeordnet ist.12. Arrangement for quality control of lasers according to claims 1 and 2, characterized in that between the mirrors ( 2 ) and ( 5 ) of the Fabry-Perot interference filter ( 8 ) is arranged at least one element controllable in its extent op table. 13. Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern nach den Ansprüchen 3 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß der Raum zwischen den Spiegeln (2) und (5) des Fabry-Perot-Interferenzfil­ ters (8) abgeschlossen ist und mit einer Vakuumeinrichtung verbunden oder mit einem Schutzgas gefüllt ist.13. Arrangement for quality control of lasers according to claims 3 to 11, characterized in that the space between the mirrors ( 2 ) and ( 5 ) of the Fabry-Perot interference filter ( 8 ) is completed and connected to a vacuum device or with a Shielding gas is filled.
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