DE60211933T2 - Güteschaltungsverfahren zur Erzeugung einer Pulsfolge - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
  • 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.
  • ERÖRTERUNG DES TECHNISCHEN HINTERGRUNDS
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 (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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines optisch gepumpten Lasers mit einem Resonator (22), in dem sich ein Festkörperverstärkungsmittel (24) und, ein Güteschalter (26) befinden, wobei der Laser abwechselnd im Dauerstrichmodus und im Pulsmodus betrieben wird, um Thermische-Linsen-(Thermal Lensing)-Variationen im Festkörperverstärkungsmittel (24) zu reduzieren und den Güteschalter (26) im Dauerstrichmodus offen zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass der Güteschalter (26) für eine erste Periode (T2) im geschlossenen Zustand und danach für eine zweite Periode (77, 87) im offenen Zustand ist, wobei die Dauer der ersten Periode (T2) für den Laser ausreicht, um einen einzigen Ausgangsimpuls im Wesentlichen zu Beginn der zweiten Periode (77, 87) zu erzeugen, wobei die zweite Periode für den Laser ausreicht, um einen Dauerstrichausgang während des letzteren Teils (T5) der zweiten Periode (77, 87) zu erzeugen, und wobei die zweite Periode (77, 87) länger ist als die erste Periode (T2), und dadurch, dass die erste und die zweite Periode wiederholt abgewechselt werden, so dass mehrere Ausgangsimpulse von dem Laser erzeugt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpulse eine Energie haben, die ausreicht, um ein Werkstück zu bearbeiten, und der Dauerstrichausgang eine Energie unterhalb der Energie hat, die zum Bearbeiten des Werkstücks notwendig ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserausgang frequenzkonvertiert wird und die frequenzkonvertierten Ausgangsimpulse eine Energie haben, die zum Bearbeiten eines Werkstücks ausreicht.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitperiode (T1) zwischen aufeinander folgenden Öffnungen des Güteschalters variiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zeitperiode (T1) zwischen aufeinander folgenden Öffnungen des Güteschalters (26) und der ersten Zeitperiode (T2) wenigstens 3:1 beträgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verhältnis wenigstens 10:1 beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzenleistung der Ausgangsimulse wenigstens einhundertmal größer ist als die Spitzenleistung des Dauerstrichausgangs.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Zeitperioden so gewählt werden, dass die vom Resonator (22) im Puls- und im Dauerstrichmodus zugeführte durchschnittliche Strahlungsleistung etwa gleich ist.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der ersten Zeitperiode (T2) zur Zeitperiode (T1) zwischen aufeinander folgenden Öffnungen des Güteschalters (26) klein genug ist, damit der Laserleistungsausgang etwa derselbe ist, wenn die Zeitperiode (T1) zwischen aufeinander folgenden Öffnungen variiert wird.
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