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TECHNISCHER BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Erzeugen von Laserimpulsfolgen
in einem kontinuierlich gepumpten Festkörperlaser. Die Erfindung betrifft
insbesondere ein Verfahren zum Erzeugen einer Impulsfolge in einem
kontinuierlich gepumpten Festkörperlaser
durch wiederholtes Unterbrechen des CW-(Dauerstrich)-Betriebs des
Lasers mit einem Güteschalter.
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ERÖRTERUNG
DES TECHNISCHEN HINTERGRUNDS
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Pulsierte
Laser werden in Anwendungen wie Bohren von Mikroverbindungskontaktlöchern, Materialmarkierungen,
Stereolithografie und Biowissenschaften weithin eingesetzt. In vielen
dieser Anwendungen sind sowohl Präzision als auch Betriebsflexibilität wichtig.
Präzision
verlangt, dass der Laser einheitliche und im Wesentlichen identische
Strahlenausbreitungseigenschaften und von Impuls zu Impuls dieselbe
Laserimpulsenergie hat. Flexibilität beinhaltet die Fähigkeit,
komplexe Impulsfolgen mit veränderlichen
Zeitperioden dazwischen zu erzeugen. Die Zeitperiode zwischen Impulsen
kann von einigen Dutzend Mikrosekunden (μs) bis zu einer Sekunde oder
länger
liegen.
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Eine
optimale Kombination aus Präzision und
Flexibilität
beinhaltet die Fähigkeit,
Laserimpulse in einer bevorzugten Zeitsequenz mit konstanter und variabler
(aber doch einheitlicher) Laserimpulsenergie und nahezu identischen
Strahlenausbreitungseigenschaften zuzuführen. Es werden einheitliche Strahlenausbreitungseigenschaften
benötigt,
so dass die Laserimpulse einheitlich zu einer gewünschten
Punktgröße an einer
vorbestimmten Stelle fokussiert werden kann.
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Kontinuierlich
gepumpte, wiederholt gütegeschaltete
Festkörperlaser
(besonders diodenlasergepumpte Laser) sind bevorzugte Impulslaserquellen für die oben
erwähnten
Anwendungen. Der Grund ist, dass solche Laser einen hohen Wirkungsgrad,
eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit haben. In einem solchen
Festkörperlaser
verlangen Wärmeeffekte
im Laserverstärkungsmedium
aufgrund von optischem Pumpen besondere Aufmerksamkeit beim Konstruieren
des Lasers. Signifikante Wärmeeffekte
beinhalten thermisches Lensing und thermische Doppelbrechung, was
jeweils von Wärmegradient
und Wärmebelastung
herrührt.
Es ist möglich,
einen Resonator für
einen solchen Festkörperlaser
zu konfigurieren, um einen vorbestimmten Bereich von Wärmeeffekten
zu kompensieren oder aufzunehmen und Variationen von Lasereigenschaften
aufgrund von Änderungen
dieser Wärmeeffekte innerhalb
dieses vorbestimmten Bereichs zu minimieren. Dies kann in einem
festen Laserresonator durch eine geeignete Wahl von Resonatorparametern
erfolgen. Es ist auch möglich,
einen dynamisch umkonfigurierbaren Resonator zu haben, so dass gemessene
oder vorhergesagte Änderungen
des thermischen Lensing aufgenommen werden können. Selbst bei einem solchen
kompensierten Resonator können,
wenn sich die Thermisches-Lensing-Bedingungen in einem Verstärkungsmedium
während
und zwischen Impulsfolgen-Zuführungen
erheblich unterscheiden, die Impulse in einer Folge im Hinblick
auf Amplitude und Strahlenausbreitungseigenschaften auf eine Weise
variieren, die von der Zeitsequenz der Laserimpulse abhängt. Die
Kompensation kann unzureichend (im Falle eines festen Resonators)
oder zu langsam sein (bei einem dynamisch kompensierten Resonator).
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In
kontinuierlich gepumpten, wiederholt gütegeschalteten Festkörperlasern
des Standes der Technik bleibt der Güteschalter zwischen Laserimpulszuführungen geschlossen.
Der hierin verwendete Begriff geschlossen bedeutet, dass der Güteschalter
hohe Verluste im Resonator verursacht, so dass kein Lasern möglich ist.
In einem solchen Laser des Standes der Technik variiert die Wärmebelastung
auf dem Verstärkungsmedium
mit der Impulswiederholfrequenz (PRF). Demzufolge variieren auch
die oben erwähnten
Wärmeeffekte,
von denen thermisches Lensing beim Beeinflussen von Raummodus und
Stabilität
des Lasers gewöhnlich
eine herausragende Rolle spielen.
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Zu
thermischem Lensing kommt es aufgrund einer räumlichen Variation des Brechungsindex
des Festkörperverstärkungsmediums,
der von einem Wärmegradienten
im Verstärkungsmedium
herrührt. Dieser
Wärmegradient
rührt vom
Erhitzen des Verstärkungsmediums
durch einen Teil der darin absorbierten Pumpleistung her, der nicht
als Laserstrahlung und durch andere Faktoren extrahiert wird. In
einem endgepumpten Verstärkungsmedium
ist das thermische Lensing proportional zur Differenz zwischen der
Gesamtpumpleistung und der vom Verstärkungsmedium als Laserstrahlung
extrahierten Leistung. Die vom Verstärkungsmedium extrahierte Leistung
ist wiederum von der PRF abhängig.
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Zum
Beispiel, in einem kontinuierlich gepumpten, wiederholt gütegeschalteten
Festkörperlaser
des Standes der Technik kann bei Verwendung von Nd:YVO4 als
Verstärkungsmedium,
mit 27 W Diodenleistung endgepumpt, die vom Verstärkungsmedium
extrahierte durchschnittliche Laserleistung jeweils etwa 12,6 W
bei 50 kHz und 4,6 W bei 5 kHz betragen. Demzufolge ist die Nettoerhitzungsleistung und
somit thermisches Lensing proportional zu 14,4 W und 22,4 W bei
50 kHz und 5 kHz PRF. Es ist ersichtlich, dass es zu einer erheblichen
Thermisches-Lensing-Variation kommen kann, was eine erhebliche Änderung
des Raummodus des Lasers zur Folge haben kann, wenn der Laser zwischen
den beiden unterschiedlichen PRFs geschaltet wird. Dies kann zu
einem Problem z.B. bei der Präzisionsbearbeitung
oder beim Markieren führen.
Das Problem verschärft
sich, wenn Grundstrahlungsimpulse vom Resonator frequenzkonvertiert
werden, z.B. um zweite, dritte oder vierte harmonische Wellenlängen in
einem oder mehreren optisch nichtlinearen Kristallen zu erzeugen,
bevor diese in einer bestimmten Anwendung verwendet werden. Der
Grund ist, dass eine solche Frequenzkonvertierung jede Variation
im Grundstrahl immer verstärkt.
Demgemäß besteht
Bedarf an einem Verfahren zum Überwinden
von Variationen der Wärmeeffekte
im Verstärkungsmedium, wenn
der Laser zwischen stark durchschnittlichen PRFs geschaltet wird.
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In
der PCT-Anmeldung WO 01/28050, die am 19. April 2001 veröffentlicht
wurde und auf die Zessionarin der vorliegenden Erfindung übertragen ist,
wird ein Verfahren zum Betreiben eines pulsierten Lasers beschrieben,
bei dem das Verstärkungsmedium
kontinuierlich mit einem konstanten Pegel gepumpt wird, und der
Laser wird zwischen Impulsfolgenzuführungen mit ausreichender Energie
betrieben, um einen Bearbeitungsvorgang oder eine andere Anwendung
auszuführen,
um „Thermisches-Lensing-Control"-Impulse mit ausreichender Energie zu erzeugen,
um die Bearbeitungsoperation oder Anwendung auszuführen. Die
Geschwindigkeit, mit der die Thermisches-Lensing-Control-Impulse zugeführt werden,
ist höher
als die Geschwindigkeit, mit der die Bearbeitungsimpulsfolgen zugeführt werden,
und wird so eingestellt, dass die von dem kontinuierlich gepumpten
Verstärkungsmedium
extrahierte durchschnittliche Laserleistung etwa die gleiche ist
wie die, die bei der Zuführung
der Bearbeitungsimpulse extrahiert wird. In einer Anordnung wird
der Laser im CW- (Dauerstrich)-Modus
zwischen Bearbeitungsimpulszuführungen
betrieben, wobei die CW-Leistung etwa genauso groß ist wie
die durchschnittliche Leistung bei der Zuführung der Bearbeitungsimpulse. Durch
Extrahieren etwa derselben Menge an durchschnittlicher Laserleistung
vom Verstärkungsmedium zwischen
und während
den Perioden, in denen Bearbeitungsimpulse zugeführt werden, kann thermisches
Lensing im Verstärkungsmedium
in dem Bereich gehalten werden, für den der Laserresonator kompensiert
wird. Das Verfahren ist zwar allgemein effektiv, aber es ist nicht
immer möglich, Änderungen des
thermischen Lensing beim Übergang
von Nichtbearbeitungsimpuls- (oder CW-Laserstrahl) -zuführung zu
Bearbeitungsimpulszuführung
effektiv zu eliminieren. Dies gilt besonders dann, wenn Bearbeitungsimpulse
mit relativ geringer Geschwindigkeit für die Zuführungsperiode zugeführt werden,
z.B. weniger als 10 kHz, und der Laser zwischen Bearbeitungsimpuls-Zuführungsperioden
mit hoher PRF oder hohem CW-Wert betrieben wird. Der Grund ist, dass
die durchschnittliche Leistungsextraktion vom Verstärkungsmedium
für die
beiden Sequenzen stark unterschiedlich ist und demgemäß eine Änderung des
thermischen Lensing zu Variationen der Laserimpulsenergie oder der
Laserstrahlenausbreitungseigenschaften für die zugeführten Impulse führen wird. Der
Betrieb des Lasers wird weiter durch die Tatsache verkompliziert,
dass selbst dann, wenn es möglich
ist, thermisches Lensing zwischen und während Verarbeitungsimpulszuführungsperioden
gleichzuschalten, eine bestimmte Verzögerung zwischen der Zuführung von
Thermisches-Lensing-Control-(oder CW-Laserstrahl)-Impulsen und der
Zuführung
von Bearbeitungsimpulsen eingeräumt
werden muss. Diese Verzögerung
ermöglicht
es, dass die im Verstärkungsmedium
gespeicherte Energie im Moment der Zuführung des ersten Bearbeitungsimpulses
in einer Folge dieselbe ist wie im Augenblick der Zuführung jedes
anderen
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Impulses
in der Folge. Es besteht Bedarf an einem weniger komplizierten Verfahren
zum Betreiben eines Festkörperlasers
zum Zuführen
von Bearbeitungsimpulsfolgen. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren gemäß Definition
in Anspruch 1 unten bereitgestellt, auf den nun Bezug genommen werden
sollte.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden
die Unterbrechungsperiode und die Zeitperiode zwischen aufeinander
folgenden Impulsen so gewählt,
dass die im unterbrochenen und im ununterbrochenen CW-Betrieb zugeführte durchschnittliche
Strahlungsleistung etwa gleich ist. Wenn die Dauerpumpleistung konstant
gehalten wird, dann hat dies zur Folge, dass Thermische-Lensing-Effekte im
Festkörperverstärkungsmedium
während
und zwischen Zuführungen
von Impulssequenzen konstant bleiben. Wenn der Resonator diesen
konstanten Thermisches-Lensing-Pegel kompensiert,
dann hat jeder Impuls in einer Sequenz etwa dieselbe Impulsenergie
und Strahlenausbreitungseigenschaft. Das Verhältnis zwischen der Zeitperiode
zwischen aufeinander folgenden Impulsen und der Unterbrechungsperiode
beträgt
etwa 3:1 oder mehr. Das Verfahren ist besonders für die Zuführung von
Impulssequenzen mit einer Impulswiederholrate von etwa 200 kHz oder
weniger geeignet.
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Das
optische Pumpen und die Unterbrechungsperiode sind vorzugsweise
so angeordnet, dass die Impulse eine Spitzenleistung haben, die ausreicht,
um einen vorbestimmten Laserbetrieb auszuführen, und die im CW-Modus zugeführte Laserstrahlung
nicht genügend
Leistung zum Ausführen
des Betriebs hat. Wenn die Impulssequenz durch ein optisch nichtlineares
Kristall geleitet wird, um frequenzkonvertierte Strahlung oder Frequenzoberwellen
zu erzeugen, wie z.B. frequenzverdoppelte Strahlung oder Strahlung
mit zweiter Oberwelle, dann kann die Spitzenleistung der frequenzverdoppelten Impulse
mehr als das Zehntausendfache der Spitzenleistung der frequenzkonvertierten
CW-Strahlung für
dieselbe Frequenzkonvertierungsanordnung betragen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Begleitzeichnungen, die in die Spezifikation integriert sind und
Bestandteil davon bilden, illustrieren schematisch eine bevorzugte
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung und erläutern, zusammen mit der oben
gegebenen allgemeinen Beschreibung und der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung, die Grundsätze der
vorliegenden Erfindung.
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1 illustriert
schematisch einen optisch gepumpten Festkörperlaser des Standes der Technik mit
einem Resonator, der einen Güteschalter
und eine Steuerung zum Öffnen
und Schließen
des Güteschalters
aufweist.
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2A und 2B zeigen
Zeitsteuerdiagramme, die schematisch ein Verfahren zum Betreiben
des Güteschalters
von 1 des Standes der Technik illustrieren, um zu
bewirken, dass der Laser eine Sequenz von Impulsen zuführt.
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3A und 3B sind
Zeitsteuerdiagramme, die schematisch ein Güteschaltverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Betreiben des Güteschalters
von 1 illustrieren, um zu bewirken, dass ein Laser
eine Impulssequenz zuführt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nun
mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Merkmale die gleichen
Bezugsziffern erhielten, 1 illustriert schematisch einen
einfachen Festkörperlaser 20 des
Standes der Technik mit einem Laserresonator 22, der ein
Festkörperverstärkungsmedium 24 und
einen Güteschalter 26 aufweist.
Der Resonator 22 ist zwischen Spiegeln 28 und 30 ausgebildet.
Das Verstärkungsmedium 24 wird
kontinuierlich optisch mit Pumplicht P endgepumpt, das ihm über eine
Glasfaser 32 und eine Linse 34 von einer Quelle
wie einem Diodenlaser oder einer Diodenlaserarray zugeführt wird.
Im Resonator als Reaktion auf das optische Pumpen erzeugte Grundlaserstrahlung
zirkuliert über
eine Längsachse 36 des
Resonators 22, wie durch die Einzelpfeile F angedeutet
wird. Der Spiegel 30 ist für die Wellenlänge der
Grundstrahlung teildurchlässig,
um die Zuführung
der Strahlung vom Resonator zuzulassen.
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Wenn
das Verstärkungsmedium 24 einen
erheblichen Thermisches-Lensing-Effekt aufweist, dann hat der Resonator 22 die
Aufgabe, einen Bereich eines solchen thermischen Lensing durch Wählen geeigneter
Resonatorparameter wie Spiegelkrümmung,
Resonatorlänge
und axialer Ort des Verstärkungsmediums
im Resonator zu kompensieren. Für
eine(n) feste(n) Pumpenkonfiguration und Resonator wird das thermische
Lensing in einem beliebigen Verstärkungsmedium unter anderem
anhand der Differenz zwischen der Leistung von im Verstärkungsmedium
absorbiertem Pumplicht und der Laserstrahlenleistung bestimmt, die
vom Verstärkungsmedium
als Laserstrahlung extrahiert wird, wie oben erörtert.
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Laserstrahlung
kann nur im Resonator 22 zirkulieren, wenn der Güteschalter 26 in
einem „offenen" Zustand ist. Im
offenen Zustand verursacht der Güteschalter
nicht genügend
Grundstrahlungsverluste, um eine Erzeugung der Laserstrahlung zu
verhüten.
Ein bevorzugter Güteschalter
ist ein akustooptischer Güteschalter.
Ein solcher Güteschalter
wird „geschlossen", indem ein RF-Potential
von einer/m RF-Versorgung oder -Treiber 38 daran angelegt
wird. Das Anlegen des RF-Potentials bewirkt, dass der Güteschalter 26 einen
Teil der Grundstrahlung ablenkt, die entlang der Achse 36 darauf
fällt,
um aus dem Resonator 22 hinaus abgelenkt zu werden. Wenn
der abgelenkte Teil hoch genug ist, dann sind die resultierenden
Verluste so hoch, dass keine Laserstrahlung im Resonator erzeugt
werden kann. Das Anlegen des RF-Potentials wird von einem Regler 40 geregelt.
Die Art und Weise, in der der Güteschalter
gemäß den Befehlen
vom Regler 40 geöffnet
und geschlossen wird, bestimmt den Modus, in dem die Laserstrahlung
vom Laserresonator als Reaktion auf das kontinuierliche optische
Pumpen zugeführt
wird.
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Eine
Grundstrahlung F wird vom Resonator 22 über den Spiegel 30 wie
oben erwähnt
zugeführt. Die
Strahlung kann direkt verwendet oder durch eines oder mehrere optisch
nichtlineare Kristalle geleitet werden, um die Grundwellenlänge in kürzere Wellenlängen zu
konvertieren. Im Laser 20 wird die Grundstrahlung F mit
einer Frequenz m durch ein erstes optisch nichtlineares Kristall 42 geleitet.
Das Kristall 42 konvertiert einen Teil der Grundstrahlung in
Strahlung der zweiten Oberwelle mit einer Frequenz 2ω (in 1 mit
Doppelpfeilen angedeutet). Die Strahlung der zweiten Oberwelle und
die Grundstrahlung werden dann in einem zweiten optisch nichtlinearen
Kristall 44 gemischt, um Strahlung der dritten Oberwelle
mit einer Frequenz 3ω zu
erzeugen (in 1 durch Dreifachpfeile angedeutet).
Die Fachperson wird ohne weitere Illustration erkennen, dass auch
Strahlung der vierten Oberwelle durch Leiten der Strahlung der zweiten
Oberwelle nur durch das zweite optisch nichtlineare Kristall erzeugt
werden kann.
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Es
ist zu bemerken, dass der Laser 20 nur einen Grundlaserresonator
exemplifiziert und hier lediglich erörtert wird, um Grundresonatorkomponenten
und Parameter zu identifizieren, die nachfolgend bei der Beschreibung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
des Betreibens eines kontinuierlich gepumpten Festkörperlasers
zum Zuführen
einer Impulsfolge davon erörtert
wird. Ein komplexerer, kontinuierlich gepumpter Laser mit zwei separat
gepumpten Verstärkungselementen
und Mitteln zum Einstellen der Länge
des Resonators zum Kompensieren unterschiedlicher Thermisches-Lensing-Bereiche
ist ausführlich
im US-Patent Nr. 5,912,912 (Caprara et al.) beschrieben, dessen
vollständige
Offenbarung hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist gleichermaßen
auf diesen Laser und auf andere kontinuierlich gepumpte, gütegeschaltete
Festkörperlaser
anwendbar.
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Ein übliches
Verfahren des Standes der Technik zum Betreiben eines Güteschalters 26 zum Zuführen einer
Sequenz oder, Folge von Impulsen vom Laser 20 zum Ausführen einer
Bearbeitungs- oder Abladierungsoperation ist schematisch anhand von
Zeitsteuerdiagrammen in den 2A und 2B dargestellt. 2B zeigt
erste und zweite sequentielle Impulse 51 und 52 in
einer Folge oder Sequenz solcher Impulse, deren Zahl Dutzende oder Hunderte
betragen kann, je nach der besonderen Anwendung der Impulse. 2A zeigt
den Güteschalterbetrieb,
der den Impuls erzeugt. Der zum Schließen des Güteschalters benötigte RF-Pegel
ist mit 1 bezeichnet, Pegel 0 bedeutet, dass der Güteschalter offen
ist. Der Güteschalter
wird in einem „normal
geschlossenen" Zustand
gehalten (Linie 53). Der Güteschalter wird dann wie gezeigt
(Linie 55) geöffnet,
so dass der Impuls 51 zugeführt werden kann. Der Impuls 51 erfolgt
infolge von. Energie, die im Verstärkungsmedium gespeichert ist,
aufgrund von kontinuierlichem Pumpen ohne Extraktion von Laserstrahlung.
Die Umschaltzeit zum Öffnen
des Güteschalters,
d.h. die Zeit für
den Übergang
von 0 auf 1 in 2A, ist von der Fähigkeit
des RF-Treibers 38 abhängig
und liegt in der Größenordnung
von 10 Nanosekunden (ns) für
einen typischen 80 MHz RF-Treiber. Die Laserimpulsbreite T3 liegt
in einem Bereich von ein paar Nanosekunden bis zu Hunderten von Nanosekunden,
je nach Resonatorkonfiguration, Verstärkungsmedium, Pumpenleistung
und Pumpenkonfiguration. Der Güteschalter
wird dann geschlossen (Linie 57), um eine weitere Zuführung von
Laserstrahlung zu verhindern, so dass der Güteschalter nach der Zuführung des
Impulses wieder in den normal geschlossenen Zustand zurückkehrt
(Linie 59). Der Güteschalter
wird gewöhnlich
etwa 2 Mikrosekunden (μs)
nach dem Öffnen
geschlossen. Die Schließschaltzeit
(die Zeit von 1 auf 0 in 2A) liegt typischerweise
bei etwa 100 ns. Der Güteschalter wird
dann nach einem Zeitpunkt T1 nach dem vorherigen Öffnen wieder
geöffnet
(Linie 61), so dass Impuls 52 zugeführt werden
kann. Der Güteschalter wird
dann nach der Zuführung
des Impulses geschlossen (Linie 63) und im normal geschlossenen Zustand
gehalten (Linie 65). Dieser Vorgang wird dann wiederholt,
bis die Zuführung
der übrigen
Impulse in der Sequenz abgeschlossen ist. Die Wiederholrate PRF
von Impulsen in der Sequenz ist 1/T1.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben
des Güteschalters 26 zum
Zuführen
einer Sequenz oder Folge von Impulsen vom Laser 20, z.B.
zum Ausführen
einer Bearbeitungs- oder Abladierungsoperation, wird schematisch
anhand der Zeitsteuerdiagramme 3A und 3B dargestellt.
Hier wird der Güteschalter 26 zunächst in
einem „normal
offenen" Zustand
gehalten (siehe Linie 71 in 3A). Da
das Verstärkungsmedium 24 kontinuierlich
mit einem konstanten Leistungspegel gepumpt wird, führt der
Laser 20 CW-Laserstrahlung
mit einem konstanten Pegel zu, wie in 3B durch
Linie 73 angedeutet ist.
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Wenn
eine Impulssequenz für
einen bestimmten Laserbetrieb zugeführt werden soll, dann wird
der Güteschalter 26 geschlossen
(siehe Linie 75 in 3A) und
für eine
Zeitperiode T2 geschlossen gehalten, damit das optische Pumpen einen
Aufbau von Populationsinversion (im Anregungszustand gespeicherte
Energie) des Verstärkungsmediums über der
Gleichgewichts-Anregungszustandsenergie
des CW-Betriebs zulässt.
Die Zeitperiode T2 ist vorzugsweise kürzer als die Zeit für diese
Populationsinversion oder Energie, die im Anregungszustand des Verstärkungsmediums
gespeichert ist, um ein Sättigungsniveau
zu erreichen. Die zum Erreichen eines Sättigungsniveaus benötigte Zeit
ist unter anderem von der Leistung der optischen Pumpe, dem Querschnitt
der stimulierten Emission und von der Lebensdauer des Anregungszustands
(oberes Niveau) des Verstärkungsmediums
abhängig,
wird aber im Allgemeinen im Vergleich zur thermischen Entspannungszeit
des Verstärkungsmediums
kurz sein und demzufolge nicht ausreichen, um eine merkliche Änderung
des Thermisches-Lensing-Zustands im Verstärkungsmedium zu bewirken. Nach
dem Verstreichen der Zeit T2 wird der Güteschalter 26 wieder
in den offenen Zustand zurückgebracht
(siehe Linie 77 in 3A) und
die im Verstärkungsmedium
gespeicherte Energie wird als Impuls 81 freigegeben (siehe 3B).
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Durch
die Zuführung
des Impulses 81 wird die gespeicherte Energie im Verstärkungsmedium vorübergehend
erschöpft
und die Zuführung
von Laserstrahlung erheblich reduziert (siehe 3B,
Region 83), bevor die Zuführung von CW-Laserstrahlung auf
dem vorherigen Pegel wieder aufgenommen wird (siehe 3B,
Linie 85). Zum Beispiel, die reduzierte CW-Betriebszeit
T4 liegt bei etwa 2 Mikrosekunden, je nach der Pumpleistung und
dem Material des Verstärkungsmediums.
Unterbrechungsperiode T2, Impulsdauer T3 und reduzierte CW-Betriebszeit
T4 sind alle geringer als die thermische Entspannungszeit des Verstärkungsmediums.
Die thermische Entspannungszeit liegt im Bereich von ein paar Millisekunden bis
zu Dutzenden von Millisekunden und hängt von Faktoren wie Pumpleistungspegel,
Wärmeleitfähigkeit
des Verstärkungsmediums
und Kühlanordnungen
für das
Verstärkungsmedium
ab. Während
der Sequenz dieser Perioden T2, T3 und T4 kommt es zu einer Energieaustauschdynamik
im Verstärkungsmedium,
die dazu neigt, thermisches Lensing sowohl zu erhöhen als
auch zu verringern. Infolgedessen gibt es keine erhebliche Änderung
des Thermisches-Lensing-Zustands
im Verstärkungsmedium.
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Zu
einem Zeitpunkt T2, bevor der nächste Impuls
in der Sequenz benötigt
wird, wird der Güteschalter 26 wieder
geschlossen (siehe Linie 87 in 3A) und
die Zuführung
der CW-Laserstrahlung wird wieder für eine Zeitperiode T2 unterbrochen.
Der Güteschalter
wird dann wieder geöffnet
(siehe Linie 89 in. 3A) und
gibt einen Impuls 91 zum Zeitpunkt T1 nach der Freigabe
des vorherigen Impuls 81 frei. Die Zeitperiode T1 ist natürlich auch
die Zeit zwischen den (Anfängen
der) Unterbrechungsperiode(n) T2. Der Impuls 91 hat dieselbe
Spitzenleistung wie der Impuls 81 und wurde durch dieselbe
Energieaustauschdynamik im Verstärkungsmedium
erzeugt. Nach der Zuführung
des Impulses 91 wird dieselbe Sequenz von Güteschaltungs-
und Impulszuführungsevents
wiederholt, bis alle Impulse in der Sequenz zugeführt sind.
An dieser Stelle befindet sich der Güteschalter in seinem normal
offenen Zustand und es wird nur CW-Laserstrahlung zugeführt. Der Güteschalter
bleibt in diesem Zustand, bis eine weitere Sequenz von Impulsen
benötigt
wird.
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Thermisches
Lensing im Verstärkungsmedium
während
der Zuführung
der mit Bezug auf die 3A und 3B beschriebenen
Impulssequenz bleibt im Wesentlichen konstant und ist dieselbe wie das
thermische Lensing in dem Verstärkungsmedium,
wenn keine Impulssequenz zugeführt
wird. Aus einer anderen Sichtgesehen kann erwartet werden, dass
das thermische Lensing konstant bleibt, da das Verstärkungsmedium
mit einer konstanten Leistung kontinuierlich gepumpt wird und vor,
während
und zwischen Zuführungen
von Impulssequenzen die von dem Verstärkungsmedium extrahierte durchschnittliche
Laserstrahlungsenergie im Wesentlichen konstant bleibt.
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Die
optimale Effektivität
des erfindungsgemäßen Güteschaltungsverfahrens
beruht auf einem relativ hohen Verhältnis zwischen einer Zeit T5
(siehe 3B) für die Periode zwischen Impulsen,
während der
CW-Dauerleistung zugeführt
wird, und der Unterbrechungsperiode T2. Leider lässt sich die Zeit T5 nur schwer
messen. Für
einen konstanten Pumpleistungspegel ist jedoch die Recovery- oder
Erschöpfungszeit
T4 festgelegt. Demgemäß kann ein
Verhältnis
zwischen T1 (der Umkehr der PRF) und T2 auch als Richtlinie verwendet
werden. T2 sollte im Allgemeinen viel kleiner sein als T1. Dadurch
wird gewährleistet,
dass die Unterbrechung des CW-Betriebs kurz genug ist, damit der
Laserleistungsausgang selbst dann etwa gleich ist, wenn T1 variiert.
Zum Beispiel, wenn die Unterbrechungsperiode T2 20 μs beträgt, dann
beträgt
T1 vorzugsweise etwa 200 μs oder
mehr, d.h. die PRF beträgt
vorzugsweise etwa 5 kHz oder weniger. Eine allgemeine Richtlinie
zur Erzielung einer optimalen Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Güteschaltungsverfahrens
ist, dass das Verhältnis
T2:T1 bei etwa 3:1 oder höher,
stärker
bevorzugt bei etwa 10:1 1 [sic] oder höher liegt, wobei T2 vorzugsweise
um einen ausreichenden Betrag kürzer
ist als die thermische Entspannungszeit, um erhebliche Störungen des
thermischen Gleichgewichts im Verstärkungsmedium zu vermeiden.
Die Obergrenze von PRF ist durch die Zeit T4 begrenzt, die von der
Pump- und Resonatorkonfiguration für ein bestimmtes Verstärkungsmedium
abhängig
ist. Wenn diese allgemeinen Richtlinien eingehalten werden, dann
kann das Verfahren Laserimpulse mit einheitlicher Impulsenergie
und Laserstrahlenausbreitungseigenschaften bei jeder PRF von weniger
als etwa 200 kHz zuführen.
Es gibt. keine besondere Untergrenze für die Wirksamkeit des Betriebs.
In der Tat besteht ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass
es unabhängig
davon, ob aufeinander folgende Impulse einen Abstand von einer Sekunde
oder mehr haben, gleichermaßen
effektiv ist.
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Es
ist zu bemerken, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung zwar
oben der Einfachheit halber implizit im Sinne einer Folge von in
einem regelmäßigen Intervall
wiederholten Impulsen beschrieben ist, aber das Verfahren ist inhärent und gleichermaßen für die Zuführung einer
Folge von Impulsen mit unregelmäßigem Zeitabstand
dazwischen effektiv. Dies ist ein besonders vorteilhafter Aspekt des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Folgen von unregelmäßig beabstandeten
Impulsen sind in mehreren pulsierten Laseranwendungen nützlich.
So werden beispielsweise solche unregelmäßigen Impulsfolgen häufig in
bestimmten Lasermarkierungsoperationen zur Erzeugung von Halbtongrafik
angewendet.
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Es
ist zu bemerken, dass in 3B die Gleichgewichts-
(konstante) Leistung der CW-Laserstrahlung relativ zur Spitzenleistung
von Impulsen 81 und 91 zur besseren Veranschaulichung
stark übertrieben
ist. In der Praxis kann die Spitzenleistung eines Impulses 81 oder 91 mehr
als das Hundertfache der CW-Dauerleistung betragen. Zum Beispiel,
in einer Resonatoranordnung, bei der Impulse 81 und 91 eine
Energie von 300 Mikrojoule (μJ)
und eine Dauer (T3) von 20 Nanosekunden (ns) haben und mit einer Impulswiederholrate
von 20 kHz zugeführt
werden, die Impulse eine Spitzenleistung von etwa 15 Kilowatt (KW)
haben. Die entsprechende CW-Dauerleistung wird gewöhnlich weniger
als 10 Watt (W) betragen. Demgemäß werden,
wenn ein Impuls mit einer Spitzenleistung von 15 KW benötigt wird,
um ein bestimmtes Material effektiv zu abladieren, die 10 W an zwischen
Impulsen zugeführter
CW-Leistung im Allgemeinen an sich ineffektiv (unzureichend) sein,
um eine Abladierung dieses Materials zu bewirken. In einer ausreichend
langen Sequenz von Impulsen, die auf eine Position des Materials
zugeführt
werden, z.B. zum Laserbohren, kann jedoch die Zwischenimpuls-CW-Leistung
zu einer Erhitzung des Materials beitragen, und eine solche Erhitzung
kann die Abladierungsrate beeinflussen.
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Wenn
eine durch das Güteschaltungsverfahren
der vorliegenden Erfindung erzeugte Impulsfolge durch ein optisch
nichtlineares Kristall zum Verdoppeln der Laserstrahlungsfrequenz
(Halbieren der Wellenlänge)
geleitet wird, d.h. für
eine Erzeugung der zweiten Oberwelle (SHG), dann ist die relative Leistung
von Cw-Strahlung
im Vergleich zu Impulsleistung um weitere zwei Größenordnungen
reduziert, d.h. die Spitzenleistung beträgt etwa das Zehntausend- oder
mehr -fache der CW-Leistung. Der Grund ist, dass die Frequenzkonvertierungseffizienz in
einem optisch nichtlinearen Kristall proportional zum Quadrat der
Spitzenleistung des Laserstrahls für eine bestimmte Strahlenbreite
in dem Kristall ist. Eine weitere Frequenzkonvertierung zur Erzielung
einer Erzeugung der dritten Oberwellen (THG) oder einer Erzeugung
der vierten Oberwelle (FHG) in einem zweiten optisch nichtlinearen
Kristall bewirkt noch eine weitere Reduzierung. Die Zwischenimpuls-CW-Strahlung
ist demgemäß im Wesentlichen in
dem Bearbeitungsvorgang unter den meisten praktischen Bedingungen
ineffektiv.
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Zusammenfassend
sei gesagt, es wurde oben ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben
eines kontinuierlich gepumpten, gütegeschalteten Lasers zum Erzeugen
von Folgen (Bündel
oder Sequenzen) von Impulsen für
Laserbearbeitungsoperationen beschrieben. Der Laser beinhaltet ein Festkörperverstärkungsmedium,
das beim optischen Pumpen einen thermischen Lensing-Effekt aufweist. Die
Impulszuführung
wird mit einem Güteschalter
geregelt, der sich in einem offenen Zustand befindet, wenn der Laser
keine Impulse zuführt.
So kann der Laser CW-Laserstrahlung zuführen, wenn keine Impulse zugeführt werden.
Eine Folge von Impulsen wird durch wiederholtes Unterbrechen des
CW-Betriebs durch
Schließen
und anschließendes
Neuöffnen
des Güteschalters
zugeführt.
Wenn der Güteschalter
nach der Unterbrechung wieder öffnet,
dann führt
der Laser einen Laserstrahlenimpuls zu und nimmt dann die Zuführung von
CW-Laserstrahlung wieder
auf, bis zur nächsten
Unterbrechung. Die wiederholte Unterbrechung bewirkt eine Zuführung einer Folge
von Impulsen mit ausreichender Spitzenleistung zum Ausführen eines
bestimmten Betriebs, wobei die CW-Strahlung eine unzureichende Leistung zum
Ausführen
des zwischen Impulsen zugeführten Betriebs
hat. Das erfindungsgemäße Güteschaltungsverfahren
ermöglicht
es, mittels dieses einen besonderen wiederholten Güteschaltungsbetriebs, dass
der thermische Lensing-Effekt im Verstärkungsmedium vor, während und
zwischen Zuführungen von
Impulsfolgen konstant bleibt und dass alle Impulse in einer Impulsfolge
dieselbe Impulsenergie und Strahlenausbreitungseigenschaft haben.
Güteschaltungsverfahren
des Standes der Technik zum Erzielen desselben Ergebnisses können zwei
unterschiedliche wiederholte Güteschaltungssequenzen
erfordern, um thermisches Lensing vor, während und zwischen Zuführungen
von Bearbeitungsimpulsfolgen auszugleichen, und eine separate Güteschalterbetätigung,
um zu gewährleisten,
dass die Spitzenleistung im ersten Impuls einer Impulsfolge dieselbe Spitzenleistung
hat wie alle anderen Impulse in der Folge.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf eine bevorzugte Ausgestaltung
beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese bevorzugte
Ausgestaltung begrenzt. Stattdessen ist die Erfindung nur durch
die hier beiliegenden Ansprüche
begrenzt.