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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf ein Überwachen des Eingangsstrahls
eines phasenkonjugierten Hauptoszillator-Leistungsverstärkers (PC-MOPA) und
ein Abschalten des PC-MOPA, wenn sein Betrieb multimodal wird, um
eine katastrophale Beschädigung
der MOPA-Komponenten zu verhindern.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
Hauptoszillator-Leistungsverstärker ("master oscillator
power amplifier";
MOPA)- Architektur ist dafür
bekannt, dass sie in Lasersystemen, wie beispielsweise Festkörperlasersystemen,
verwendet wird und eine bequeme und leistungsfähige Möglichkeit bereitstellt, die
Helligkeit solcher Lasersysteme zu skalieren. Festkörper-MOPAs
sind dafür bekannt,
dass sie einen Hauptoszillator und einen optischen Verstärker, der
als Zick-Zack-Verstärker bekannt
ist, umfassen. Ein primäres
Lasersignal vom Hauptoszillator wird durch den Zick-Zack-Verstärker verstärkt, um
ein relativ hohes bzw. starkes mittleres Leistungsausgabesignal
bereitzustellen. Der Hauptoszillator umfasst normalerweise eine
gepumpte Diode, ein Festkörpermedium,
einen Totalreflektor und ein Auskoppelelement zum Bereitstellen
eines primären
Lasersignals. Beispiele für
solche Festkörperlaser
sind in den US-Patenten 3,679,999; 4,730,324; 4,852,109; 4,949,346;
4,984,246; 5,271,031; 5,305,345; 5,317,585; 5,351,251; 5,646,773; 5,555,254
und 5,307,430 offenbart.
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Um
die Leistungsfähigkeit
solcher Lasersysteme zu verbessern, sind phasenkonjugierte MOPAs ("phase conjugated
MOPAs"; PC-MOPAs)
entwickelt worden, wie sie beispielsweise in
US 4,734,911 und
US 5,555,254 offenbart sind.
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Für Festkörperlaser
führte
die Verwendung von PC-MOPAs zu Lasern der Kilowatt-Klasse mit einer
Strahlqualität,
welche annähernd
beugungsbegrenzt ist. Bei den meisten Festkörper-PC-MOPA-Lasern ist das
Phasenkonjugationsmedium eine angeregte Brillouin-Streuzelle ("stimulated Brillouin
scattering; SBS), wie es beispielsweise in
US 5,818,856 , betitelt "Ozone Compatible
Stimulated Brillouin Scattering Materials", von Hagop Injeyan und Randall J. St.
Pierre offenbart ist. Solche SBS-Zellen sind dafür bekannt, dass sie eine außergewöhnliche
Leistungsfähigkeit
als Antwort auf einen Einzel-Longitudinalmoden-Eingangsstrahl mit
einer bereitstellen, erleidet aber mit Multi-Longitudinalmoden-Lasern
bei bescheidenen Energien eine optische Störung bzw. einen optischen Ausfall.
Dieser Ausfall kann ernsthafte Aberrationen in dem SBS-Medium bewirken,
welche zu einer katastrophalen optischen Schädigung der MOPA-Komponenten
führt.
Daher besteht ein Bedarf nach einem Überwachen und Abschalten des
Lasers, wenn der Eingangsstrahl zum PC-MOPA nicht länger einzelmodal
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein PC-MOPA nach Anspruch 1 und ein
Verfahren zum Schützen
eines PC-MOPA nach Anspruch 8 bereit. Kurz gesagt, erlaubt es die
vorliegende Erfindung, den Mode eines Eingangsstrahls zu einem phasenkonjugierten
Hauptoszillator-Leistungsverstärker
(PC-MOPA) zu überwachen.
Um eine katastrophale optische Beschädigung der MOPA-Komponenten
unter Multimode-Bedingungen
zu verhindern, schaltet die vorliegende Erfindung den Laser ab,
wenn ein Multimode-Eingangsstrahl gemessen wird, um die katastrophale
optische Beschädigung
der MOPA-Komponenten zu verhindern.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind mit Bezug auf
die folgende Beschreibung und zugehörigen Zeichnungen einfach zu
verstehen, wobei:
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1 ein
Blockdiagramm eines phasenkonjugierten Hauptoszillator-Leistungsverstärkers (PC-MOPA)
mit einem Ausfallsteuersystem für
eine angeregte Brillouin-Streuzelle (SBS) mit einem Abschalten des
Hauptoszillators über
einen Q- bzw. Güteschalter,
und zwar gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
zu 1 ähnliche
alternative Ausführungsform
der Erfindung ist, außer,
dass sie die Verwendung einer externen Pockels-Zelle zeigt;
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3 ein
schematische Diagramm der Steuergeräteelektronik zur Verwendung
mit den in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
weitere alternative Ausführungsform
der Erfindung ist, welche eine akustische oder Weißlicht-Messung
und eine externe Pockels-Zelle verwendet; und
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5 eine
schematische Darstellung der Steuergeräteelektronik für die in 4 gezeigte
Ausführung
ist; und
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6 ein
funktionales Flussdiagramm des in 5 gezeigten
Steuergeräts
ist.
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7 eine
Ausführungsform
ist, die auf der Pulsaufbauzeit für einen Injektionsangeregten
Laser beruht.
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8 ein
funktionales Flussdiagramm des in 7 gezeigten
Systems ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Verhinderung einer katastrophalen
optischen Beschädigung
von Komponenten eines optischen Kreises, welcher eine angeregte
Brillouin-Streu (SBS) – Zelle verwendet,
wie beispielsweise einen phasenkonjugierten Hauptoszillator-Leistungsverstärker (PC-MOPA),
was sich während
eines ungewollten Multimode-Betriebs ergeben kann. Wie oben angesprochen, sind
solche PC-MOPAs
dafür bekannt,
eine angeregte Brillouin-Streu (SBS) – Zelle als ein phasenkonjugiertes
Medium zu verwenden. Solche SBS-Zellen sind dafür bekannt, dass sie bei bescheidenen
Energien zusammenbrechen, wenn sie Multilongitudinalimode-Strahlen ausgesetzt
sind. Der Zusammenbruch ist dafür
bekannt, dass er ernsthafte Aberrationen in der SBS-Zelle erzeugt,
welche zu einer katastrophalen optischen Beschädigung der MOPA-Komponenten
führen.
Insbesondere, wenn ein Eingangsstrahl zur SBS-Zelle multimodal wird,
ist es bekannt, dass die SBS-Reflektivität absinkt, was bewirkt, dass die
Transmission durch die SBS-Zelle signifikant ansteigt. Abhängig von
der Eingangsenergie und dem verwendeten SBS-Material kann der Zusammenbruch
des SBS-Mediums auftreten. Eine katastrophale Schädigung tritt
typischerweise bei Pulsen auf, welche demjenigen Puls folgen, welcher
den Zusammenbruch eingeleitet hat. Um eine Schädigung der optischen Komponenten
eines MOPA zu verhindern, überwacht
die vorliegende Erfindung den Energiepegel des zur SBS-Zelle übertragenen
oder von ihr reflektierten Eingangsstrahls. Eine erhebliche Energieänderung
wird verwendet, um den Hauptoszillator abzuschalten, um eine Schädigung des
Systems zu verhindern.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung sind dargestellt. Die 1 und 2 zeigen Ausführungsformen,
in denen Fotodetektoren oder Energiemesser verwendet werden, um
die einfallende, durchgelassene oder von der SBS-Zelle reflektierte Energie
abzutasten. Sollte eine signifikante Änderung in entweder der durchgelassenen
oder der reflektierten Energie gemessen werden, wird der Hauptoszillator
abgeschaltet. In 1 wird der MOPA mittels eines
Hauptoszillator-Güte-
bzw. -Q-Schalters abgeschaltet,
während
in 2 der Strahl vom MOPA vom Leistungsverstärker mittels
einer Pockels-Zelle weg gelenkt wird, welche sich zwischen dem Hauptoszillator
und dem Leistungsverstärker befindet. 3 ist
ein Steuerschema zum Steuern entweder des in 1 gezeigten
Güteschalters
oder der in 2 gezeigten Pockels-Zelle. 4 ist
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, in welcher ein Mikrofon oder ein Weißlichtdetektor
verwendet wird, um den Zusammenbruch der SBS-Zelle festzustellen. 5 ist
ein Steuerschema für
die in 4 gezeigte Ausführungsform, während 6 ein funktionales
Flussdiagramm für
die in 5 gezeigte Ausführungsform ist. 7 ist
eine Ausführungsform,
welche auf der Pulsaufbauzeit eines injektions-angeregten bzw. geimpften
Lasers basiert, während 8 ein
funktionales Flussdiagramm der in 7 gezeigten
Ausführungsform
ist.
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Wenn,
wie oben angesprochen, eine SBS-Zelle einem einfallenden Multimode-Strahl
ausgesetzt wird, fällt
die Reflektivität
von der SBS-Zelle ab, während
sich die Transmission erhöht.
Die Reflektivität
der SBS ist eine Funktion der Eingangsenergie. Während der Laser so eingestellt
werden kann, dass er bei einer Vielzahl verschiedener Frequenzen arbeitet,
ist ein wichtiger Aspekt der Erfindung das Überwachen einer plötzlichen
Veränderung
in der Reflektivität
der SBS-Zelle von einem Puls zum nächsten. Der Unterschied in
der Reflektivität
sollte zwischen einem Einzelmode-Puls und einem Multimode-Puls optimiert
werden. Bei einem in der Nähe des
SBS-Schwellwerts arbeitenden Lasers, wird die von der SBS-Zelle
reflektierte Energie den meisten Kontrast bieten. Falls jedoch der
Laser vielfach oberhalb des Schwellwertes arbeitet, wird die durchgelassene
Energie den größten Kontrast
ergeben, wie weiter diskutiert. Allgemein entspricht die SBS-Reflexion der
folgenden Gleichung: Er =
Rs·(Ei – Eth),wobei Er die
reflektierte Energie, Rs die SBS-Steigungseffizienz,
Ei die Eingangsenergie und Eth die SBS-Schwellwertenergie
ist.
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Für ein typisches
SBS-Material, wie beispielsweise Perfluordimethylcyclohexan können die SBS-Steigungseffizienz
Rs und die SBS-Schwellwertenergie Eth beispielsweise 0,95 bzw. 4 mJ für eine Einzelmode-Eingabe
betragen und 0,85 und 7 mJ für eine
Multimode-Eingabe. Falls unter diesen Umständen die Eingangsenergie doppelt
so hoch ist wie die Schwellwertenergie (d.h., 8 mJ Eingabe), hat
das reflektierte Licht 3,8 mJ für
eine Einzelmode gegenüber 0,95
mJ für
eine Multimode (ein Verhältnis
von 4), wobei das durchgelassene Licht für eine Einzelmode und eine
Multimode bzw. Mehrfachmode 4,2 bzw. 7,05 mJ beträgt (ein
Verhältnis
von 1,67). Andererseits betragen bei einhundert Mal dem Schwellwert die
reflektierten Energien 376 bzw. 334 mJ für eine Einzelmode bzw. eine
Multimode (Verhältnis
von 1,12), während
die durchgelassenen Energien 24 bzw. 66 mJ für ein Verhältnis von 2,75 betragen. Um daher
den Kontrast zu optimieren, kann in dem ersten Beispiel die reflektierte
Energie verwendet werden und in dem zweiten Beispiel die durchgelassene Energie.
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Bezüglich 1 wird
ein phasenkonjugierter Hauptoszillator-Leistungsverstärker (PC-MOPA)
mit einer Zusammenbruchsteuerung für eine angeregte Brillouin-Streuzelle (SBS)
gezeigt, welche einen Güteschalter
zum Abschalten des Hauptoszillators verwendet, wenn eine bemerkenswerte Änderung
in der durchgelassenen oder von der SBS-Zelle reflektierten Energie
gemessen wird. Der PC-MOPA, allgemein mit Bezugsziffer 20 bezeichnet,
umfasst einen Hauptoszillator 22 zum Erzeugen beispielsweise
eines primären
Lasersignals. Das primäre
Lasersignal wird auf einen Leistungsverstärker 24 gerichtet,
wo es während
es ersten Durchgangs verstärkt
wird. Der Ausgangsstrahl vom Leistungsverstärker 24 wird auf eine
angeregte Brillouin-Streuzelle (SBS) 30 gerichtet, wo der
von dem Leistungsverstärker 24 verstärkte Strahl
phasenkonjugiert und entlang desgleichen optischen Pfads wie dem
des einfallenden Strahls zurück
reflektiert wird und daher durch den Leistungsverstärker 24 in
einem zweiten Durchgang hindurch reflektiert wird. Ein Polarisator 26 und
ein λ/4-Plättchen 28 werden
als ein optischer Isolator verwendet, um die Ausgangsstrahlen nach
dem zweiten Durchgang durch den Leistungsverstärker 24 vom Hauptoszillator 22 abzutrennen.
Wie oben angemerkt, stellt die SBS-Zelle 30 eine Phasenkonjugation
des Ausgangsstrahls von dem Leistungsverstärker bereit, um beispielsweise
Verzerrungen der Wellenfront, die sich vom Leistungsverstärker ergeben,
zu korrigieren. Eine fokussierende Linse 32 kann sich zwischen der
SBS-Zelle 30 und
dem λ/4-Plättchen 28 befinden, und
zwar zum Fokussieren des auf die SBS-Zelle 30 einfallenden
Strahls. Ein Strahlteiler 34 wird verwendet, um den einfallenden
und den von der SBS-Zelle 30 reflektierten Strahl abzutasten
bzw. zu messen. Der Strahlteiler 34 kann beispielsweise
ein mit einer Entspiegelung ("antireflection"; AR) beschichteter Keil
sein.
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Ein
Paar von Energiemessern oder Fotodetektoren D1 und D2 ist mit dem
Strahlteiler 34 gekoppelt und wird dazu verwendet, die
einfallende und von der SBS-Zelle 30 reflektierte Energie
zu messen. Ein dritter Energiemesser oder Fotodetektor D3, der mit
der SBS-Zelle 30 wie gezeigt gekoppelt ist, kann dazu verwendet
werden, die durch die SBS-Zelle 30 hindurchgehende Energie
zu messen. Wie oben angemerkt, nimmt die von der SBS-Zelle reflektierte
Energie ab, während
die durchgelassene Energie sich als Antwort auf einen einfallenden
Multimode-Lichtstrahl erhöht.
Diese Änderungen
in den Energiepegeln werden von einem Steuergerät 36 dazu verwendet,
eine plötzliche Änderung
entweder des reflektierten oder des durchgelassenen Energiepegels
zu messen, wobei das Steuergerät
wiederum eine Blende 38 und einen Güteschaltertreiber 39 steuert.
Wie weiter unten genauer diskutiert wird, wird der Hauptoszillator 22,
wenn plötzliche Änderungen
in der durchgelassenen oder von der SBS-Zelle 30 reflektierten
Energie gemessen werden, mittels des Güteschalters (nicht gezeigt)
abgeschaltet bzw. heruntergefahren, welcher sich innerhalb des Hauptoszillators 22 unter
der Kontrolle des Güteschaltertreibers 39 und
des Steuergeräts 36 befindet,
um eine Beschädigung
der den PC-MOPA 20 bildenden Komponenten zu vermeiden.
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Eine
alternative Ausführungsform
der Erfindung ist in 2 gezeigt. Diese Ausführungsform
ist zu der in 1 gezeigten Ausführungsform ähnlich, außer dass
sie eine Pockels-Zelle dazu nutzt, den Laserstrahl von dem Leistungsverstärker 40 ab-
bzw. wegzulenken, wenn plötzliche Änderungen
in der durchgelassenen oder von der SBS-Zelle reflektierten Energie
gemessen werden. In dieser Ausführungsform
umfasst der PC-MOPA, der allgemein mit der Bezugsziffer 36 bezeichnet
wird, einen Hauptoszillator 38, einen Leistungsverstärker 40,
eine SBS-Zelle 42, einen aus einem Polarisator 44 und
einem λ/4-Plättchen 46 gebildeten
optischen Isolator und kann eine Fokussierlinse 48 umfassen. Ähnlich zu
der in 1 gezeigten Ausführungsform wird ein Strahlteiler 50 verwendet,
um den einfallenden und den von der SBS-Zelle 42 reflektierten
Strahl abzutasten. Die Energiemesser oder Fotodetektoren D1 und
D2 können
verwendet werden, um die von der SBS-Zelle reflektierten und einfallenden
Strahlen zu messen. Ein Energiemesser D3 kann auch dazu verwendet
werden, die durch die SBS-Zelle durchgehende Energie zu messen. Ähnlich zu
der in 1 gezeigten Ausführungsform erzeugt, wenn eine
bedeutende Änderung
in der durchgelassenen oder von der SBS-Zelle 42 reflektierten
Energie gemessen wird, ein Steuergerät 50 ein elektronisches
Signal, welches an einen Pockels-Zellen-Treiber 52 angelegt wird,
welcher wiederum dazu verwendet wird, eine am Ausgang des Hauptoszillators 38 angebrachte Pockels-Zelle 54 zu
aktivieren, um das Hauptoszillator-Ausgangssignal zu blockieren.
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3 zeigt
ein Steuerschema, welches für die
Steuergeräte 36 und 50 im
Zusammenhang mit den in den 1 bzw. 2 gezeigten
Ausführungsformen
verwendet werden kann. Wie oben angemerkt, werden drei Energiedetektoren
D1, D2 und D3 dazu verwendet, die Energie des einfallenden, des reflektierten
und des durch die SBS-Zellen 30 und 42 durchlaufenden
bzw. durchgehenden Strahls zu messen. Der Kontrast in den Verhältnissen
für Einzelmode-
und Multimode-Bedingungen ändert
sich als eine Funktion der Betriebsbedingung des Lasers. Dazu wird
ein Paar von Verhältnisverstärkern 58 und 60 bereitgestellt.
Die Energiesignale von den Energiedetektoren D1 und D2 werden dem
Verhältnisverstärker 58 zugeführt, während die
Energiesignale von den Energiedetektoren D2 und D3 an den Verhältnisverstärker 60 angelegt
werden. Die beiden Verhältnisverstärker 58 und 60 stellen
eine Abdeckung des gesamten Spektrums des Leistungsbereichs des
Lasers zur Verfügung.
Für eine
relativ hochleistungsartige Laserausgabe kann das Verhältnis D1/D2
verwendet werden, um den optimalen Kontrast bereitzustellen. Für eine Niedrigleistungsausgabe
kann das Verhältnis
D3/D2 verwendet werden. Ein einpoliger Umschalter 62 kann
dazu verwendet werden, zwischen den zwei Betriebsarten zu wählen. Der Schalter 62 kann
von jeglicher Art von Elektronik sein oder ein anderer Typ von Schalter.
Der Schalter 62 steht unter der Steuerung eines BETRIEBSARTWAHL-Signals.
Dieses Signal kann von einer externen Quelle zugeführt werden,
entweder manuell oder unter Rechnersteuerung. Wie oben diskutiert,
wird dieser Schalter 62 abhängig davon gesetzt, ob die SBS-Zelle
in der Nähe
ihres Schwellwerts betrieben wird (d.h., dem Zweifachen der Schwellwertenergie) oder
mehrfach höher
als der Schwellwert (d.h., 100 Mal höher als der Schwellwert). Für jeden
Laserpuls wird das Verhältnis
von einem der relativ schnellen Verhältnisverstärker 58, 60 erlangt,
und zwar abhängig
von der Position des Schalters 62, und wird mittels eines
schnellen Integrators 64 auf einer Puls-zu-Puls-Basis integriert.
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Das
Energieverhältnis
für jeden
Laserpuls wird mit vorhergehenden Pulsen verglichen, um zu bestimmen,
ob eine signifikante Änderung
aufgetreten ist. Insbesondere wird dies durch Vergleichen jedes
Pulses mit dem Mittel der vorhergehenden beispielsweise 1 bis 2
Sekunden von Pulsen durchgeführt.
Ein Abtasthalteverstärker 66 und
ein Verstärker 68 mit
geringer Bandbreite werden verwendet, um das Mittel der Pulse über einen
relativ kurzen Zeitbereich, wie beispielsweise wenige Sekunden,
zu bestimmen. Im Besonderen wird die Ausgabe der schnellen Integrierschalter 64 an
eine Seite eines torgesteuerten Komparators 70 angelegt.
Die Ausgabe der schnellen Integrierschaltung 64 wird auch
an den Abtasthalteverstärker 66 angelegt.
Der Abtasthalteverstärker 66 wird
beispielsweise nach jedem Laserpuls unter Computer steuerung zurückgesetzt.
Die Ausgabe des Abtasthalteverstärkers 66 wird
an einen Filterverstärker 68 mit
geringer Bandbreite bezüglich
einer Frequenzantwort in der Größenordnung von
einigen Hertz angelegt. Der Verstärker mit geringer Bandbreite
ist mit einem Anschluss ausgestattet, um es zu erlauben, dass beim
Hochfahren ein Wert voreingestellt wird, um einen best-geschätzten Mittelwert
bereitzustellen, der auf der angeforderten Laserausgabeleistung
basiert. Ein geeigneter Verstärker 68 mit
geringer Bandbreite ist als Modell Nr. OP-07 von Precision Monolithics
in Santa Clara, Californien erhältlich.
Ein variables Dämpfungsglied 71 kann zum
Skalieren des Ausgabewertes des Verstärkers 68 mit geringer
Bandbreite auf einen vorbestimmten Wert (d.h., 10 bis 20 % kleiner)
kleiner als dem Puls-zu-Puls-Wert verwendet werden. Daher aktiviert bei
einer negative Veränderung,
die größer als
dieser Betrag ist, der Komparator 70 – welcher am Ende jedes Laserpulses
unter Rechnersteuerung für
beispielsweise 1 Mikrosekunde aktiviert wird – eine Zeitschaltung 73 oder
die Pockels-Zelle direkt. Im Besonderen wird die Ausgabe des Komparators 70 dazu verwendet,
entweder den Güteschalter
oder die Pockels-Zelle 54 anzutreiben, wie weiter unten
diskutiert.
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Im
Besonderen kann ein Hauptoszillator aus einer Reihe von Gründen in
einen Multimode-Zustand übergehen.
Unter einigen Umständen
kann die Änderung
vorübergehend
sein, beispielsweise aufgrund von Änderungen in der Laserumgebung.
Unter noch anderen Umständen
kann die Änderung
permanent sein, wie für
den Fall eines geimpften Hauptoszillators, wenn die Impfeinheit
ausgefallen ist. Falls der Hauptoszillator ausgefallen ist und neu
gestartet wird, kann es mehrere Minuten dauern, bis er sich stabilisiert
hat. Während
dieser Zeit muss eine Hilfsblende, beispielsweise die Blende 38,
dazu verwendet werden, den Strahl daran zu hindern, in die SBS-Zelle 30 einzutreten.
Falls andererseits eine Pockels-Zelle verwendet wird, wie in 2 gezeigt, kann
das System nach kurzer Zeit (beispielsweise einigen Sekunden) neu
gestartet werden, um wieder auf ein Zusammenbrechen zu prüfen, und
falls die Bedingung anhält
(d.h., dass immer noch ein multimodaler Zustand vorhanden ist),
kann dann ein permanentes Abschalten begonnen werden. Daher wird für den Fall
des Güteschalters
die Ausgabe des Komparators 70 an eine Zeitschaltung 73 angelegt.
Wenn die Zeitschaltung 73, wie oben diskutiert, gesetzt
ist, aktiviert der Güteschalter
unter der Steuerung des Güteschaltertreibers 39 eine
vorbestimmte Zahl von Ausgabepulsen vom Hauptoszillator 22 und
erlaubt es der SBS-Zelle,
sich zu erholen, oder das System schaltet den Laser permanent ab.
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Es
sollte den Fachleuten klar sein, dass das in 3 gezeigte
Schema lediglich funktional ist, und dass es, obwohl es in einer
Hardware-Implementierung gezeigt ist, auch in Software oder einer
Kombination von beidem implementiert werden kann. Ein funktionales
Flussdiagramm für
das in 3 gezeigte System ist in 6 gezeigt.
Wie oben angemerkt, wird, bevor der MOPA 20 oder 36,
wie oben diskutiert, angeschaltet wird, ein BETRIEBSARTWAHL-Signal
entweder mittels einer externen Hardware oder mittels Computersteuerung
ausgewählt,
um die Betriebsart für
den MOPA 20, 36 auszuwählen. Sobald der MOPA 20, 36 in
Betrieb ist, wird nach jedem Puls ein RESET (Zurücksetz)-Signal erzeugt, um
den Abtasthalteverstärker 66 zurückzusetzen.
Jeder Puls des MOPA 20, 32 kann mittels Überwachens
der Spannungsausgabe des Verhältnisverstärkers 58, 60 überwacht
werden, da eine Verhältnisspannung
an diesen Ausgaben bzw. Ausgängen
nach jedem Puls verfügbar
ist. Sobald der MOPA 20, 32 angeschaltet ist, überprüft das System
dauernd den Status der SBS-Zelle 32, 42, wie durch
die Blöcke 100 und 102 angedeutet.
Wie oben angemerkt, wird, abhängig von
der Position des Schalters 62, der Status der SBS-Zellen 30 und 42 überwacht,
und zwar mittels Überwachen
des Verhältnisses
entweder der durchgelassenen Energie zur einfallenden Energie oder des
Verhältnisses
der reflektierten Energie zur einfallenden Energie, beispielsweise
mittels der Verhältnisverstärker 58 und 60.
Diese Verhältnissignale
werden, wie oben angesprochen, mittels eines Komparators 70 verglichen.
Bei Erkennung eines Verhältnisses
oberhalb eines geeigneten Schwellwerts wird der Komparator 70 dazu
verwendet, entweder den Güteschaltertreiber 39 zu
aktivieren, um den Güteschalter (nicht
gezeigt) zu schließen,
oder um die Pockels-Zelle 54 mittels des Pockels-Zellen-Treibers 52 zu
aktivieren, wie durch Block 104 angedeutet. Für den Fall
der in 1 gezeigten Ausführungsform schließt das System
in Schritt 106 auch die Blende 38, um es dem Hauptoszillator 22 zu
ermöglichen, sich
zu stabilisieren, nachdem der Hauptoszillator repariert oder wiederhergestellt
wurde, wie in Schritt 108 angedeutet, und, wie in Schritt 110 angedeutet, wieder
angeschaltet wurde. Für
den Fall der in 1 gezeigten Ausführungsform
wird die Blende 38 für eine
vorbestimmte Zeit in einer geschlossenen Position gehalten, wie
beispielsweise mittels der Zeitschaltung 73 (3)
gesteuert, wie durch Schritt 112 angedeutet, um dem Hauptoszillator 22 Zeit
zu lassen, sich zu stabilisieren, worauf die Blende 38 in Schritt 114 geöffnet wird.
Danach überprüft, wie
oben angemerkt, das System dauernd den Status der SBS-Zellen 30 und 42.
Für eine
in 2 gezeigte Ausführungsform, welche die Pockels-Zelle 54 verwendet,
wird keine Stabilisierungszeit benötigt, da die Pockels-Zelle 54 den
Strahl lediglich vom Verstärker 40 ablenkt.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt.
In dieser Ausführungsform
ist ein PC-MOPA, allgemein mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet,
gezeigt. Der PC-MOPA 60, ähnlich zu den in den 1 und 2 gezeig ten
Ausführungsformen,
umfasst einen Hauptoszillator 62, einen Leistungsverstärker 64,
eine SBS-Zelle 66, einen optischen Isolator, welcher beispielsweise
ein λ/4-Plättchen 68 und
einen Polarisator 70 umfasst, als auch eine fokussierende
Linse 72. Eine Pockels-Zelle 74 befindet sich
zwischen dem Leistungsverstärker 64 und
dem Hauptoszillator 62. Die Pockels-Zelle 74 wird
von einem Pockels-Zellen-Treiber 76 angetrieben, welcher
wiederum mittels eines Steuergeräts 78 angetrieben
wird. Das Steuergerät 78 ist
in 5 gezeigt und wird weiter unten genauer beschrieben.
In dieser Ausführungsform
kann ein schnelles Mikrofon 78 in der Nähe der SBS-Zelle 66 angeordnet sein, um
ein akustisches Signal zu messen, das sich aus dem Zusammenbruch
der SBS-Zelle 66 ergibt. Alternativ kann ein Weißlicht-Detektor
verwendet werden und in die Nähe
des Brennpunktes gesetzt werden, um Weißlicht zu messen, das von einem
Plasma ausgestrahlt wird, welches sich beim Zusammenbruch der SBS-Zelle
bildet. In dieser Ausführungsform
muss das Steuergerät 78 zwischen
einem Signal aufgrund eines Zusammenbruchs oder aufgrund anderer
Faktoren unterscheiden. Lichtblenden können dazu verwendet werden,
externe Lichtquellen für
diejenigen Ausführungsformen
zu eliminieren, welche den Weißlicht-Detektor
nutzen. Auf ähnliche
Art kann äußeres akustisches
Rauschen unter Verwendung eines Hochpassfilters elektronisch ausgefiltert
werden.
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Das
Steuergerät 78 ist
schematisch in 5 gezeigt. In dieser Ausführungsform
wird die Ausgabe des Mikrofons oder des Weißlicht-Detektors 79 an
einen schnellen Verstärker 80 und
an einen Hochpassfilter 82 angelegt. Eine Vergleichsschaltung 84 wird dazu
verwendet, den Schwellwert zum Abschalten des Signals festzulegen.
Dieser Schwellwert kann mittels eines Referenzsignals 86 festgesetzt
werden, welches durch ein Potentiometer 88 und eine Referenzspannung
+V wie gezeigt bereitgestellt werden kann. Wie in den oben gezeigten
Ausführungsformen,
kann eine Zeitschaltung 90 vorgesehen sein, um den Güteschalter
dazu zu befähigen,
für eine
vorbestimmte Zeitspanne abgeschaltet zu werden, um es der SBS-Zelle 66 zu
erlauben, sich zu erholen, oder um sie permanent abzuschalten.
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Die
in 7 gezeigte Ausführungsform beruht auf einer
Injektionsimpftechnik, um einen gütegeschalteten Hauptoszillator
dazu zu bringen, in einem Einzelmode-Betrieb zu arbeiten. In dieser Ausführungsform
umfasst der Hauptoszillator, der mit der Bezugsziffer 116 bezeichnet
ist, einen Dauerstrich ("continuous
wave"; CW)-Laser 118 mit
relativ niedriger Leistung. In den injektionsgeimpften Hauptoszillatoren
wird der CW-Laser 118 mit niedriger Leistung dazu verwendet,
eine der Resonatormoden bereitzustellen, was einen bedeutenden Vorteil
während
des Pulsaufbauablaufs darstellt, um es dieser Mode zu ermöglichen,
alle anderen Moden zu dominieren, wodurch eine Einzelmode-Ausgabe
erreicht wird. Insbesondere wird das CW-Laser 118-Signal
typischerweise mittels eines Polarisators 120 in einen
Laserresonator injiziert bzw. eingeschossen. Die Resonatorlänge wird
so gesteuert, dass die Impfeinheit sich in Resonanz mit der Resonatormode
befindet. Insbesondere wird die Resonatorlänge durch Befestigen eines Totalreflektors 122 des
Hauptoszillators auf einem piezoelektrischen Wandler 124 gesteuert
und durch Zitternlassen des Gesamtreflektors 122, um die
Pulsaufbauzeit ("pulse
build-up time";
PBUT) zu minimieren. Die PBUT wird mittels eines Fotodetektors 124 gemessen,
beispielsweise einer Fotodiode, welche den Strahl innerhalb des
Resonators mittels einer kleinen Reflexion vom Polarisator 120 abtastet.
Ein Faraday-Isolator 126, der vor der Einimpfeinheit angeordnet
ist, entnimmt diese kleine Reflexion und lenkt sie in Richtung des
Fotodetektors 124. Wenn der Laser geeignet geimpft ist
und im Einzelmodebetrieb läuft,
ist die Pulsaufbauzeit niedrig, und zwar in der Größenordnung
einer Pulslänge;
falls jedoch die Impfeinheit außerhalb
der Resonanz liegt oder abgeschaltet ist, liegt die Pulsaufbauzeit
in der Größenordnung
von zwei oder drei Pulslängen.
Daher kann die Pulsaufbauzeit als ein Maß zum Überwachen des Einzelmodebetriebs
verwendet werden.
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Impfgeräthersteller,
wie beispielsweise Lightwave Electronics aus Mountain View, Kalifornien, stellen
elektronische Steuerungen zum Steuern der Resonatorlänge und
zum Bereitstellen eines Auslesens der Pulsaufbauzeit bereit. Sollte
die Pulsaufbauzeit erheblich länger
als eine Pulslänge
werden, kann der Hauptoszillator 116 durch Verwendung eines
Güteschalters 128 und
mittels einer Pockels-Zelle 130 oder einer mechanischen
Blende, wie oben diskutiert, abgeschaltet werden.
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In
dieser Ausführungsform
wird ein totalreflektierender Spiegel 132, der benachbart
zum Faraday-Isolator 126 angeordnet ist, dazu verwendet,
das Signal von dem Faraday-Isolator 126 zu einem anderen
Polarisator 134 zu reflektieren, welcher das Signal vom
Laser 118 zum Hauptresonator lenkt, welcher den Reflektor 122,
einen Güteschalter 128,
ein Verstärkermedium 136 und
einen Auskoppelspiegel 138 umfasst. Wie oben bemerkt, kann
ein Güteschalter 128 beispielsweise
zwischen dem Reflektor 122 und dem Polarisator 134 angebracht
sein. Die Pockels-Zelle 130 kann außerhalb des Hauptresonators angeordnet
sein, beispielsweise benachbart zum Auskoppelspiegel 138.
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In
dieser Ausführungsform
wird der Pulsaufbau mittels des Zitterablaufs minimiert, jedoch
kann er nicht auf Basis eines einzelnen Pulses durchgeführt werden
und wird üblicherweise
durch Mittelwertbildung einer Zahl von Pulsen durchgeführt. Bei spielsweise
kann der Laser bei 2 kHz arbeiten, aber die PZT-Aktualisierung kann
zwischen 100 und 500 Hz liegen. Diese Technik ist besser geeignet
zum Überwachen
des Einzelmode-Betriebs während
des Anschaltens, wenn die Blende zum Verstärkerstrang geschlossen ist.
In dieser Ausführungsform
ist das Pulsaufbausignal durch den Steuerblock 140 angedeutet,
welcher dazu verwendet wird, entweder einen Pockels-Zellen-Treiber,
durch Block 142 angedeutet, oder einen Güteschaltertreiber,
durch Block 144 angedeutet, zu steuern. Wie oben angedeutet,
ist der Pulsaufbausteuerblock 144 von Lightwave Electronics
aus Mountain View, Kalifornien verfügbar. Der Pockels-Zellentreiber
und der Güteschaltertreiber sind
allgemein bekannt und von verschiedenen Quellen verfügbar, einschließlich von
INRAD aus New Jersey und Quantum Electronics aus Florida.
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Ein
funktionales Blockdiagramm des in 7 gezeigten
Systems ist in 8 gezeigt. Wie oben gezeigt,
kann das System in Hardware oder Software implementiert werden.
Bezüglich 8 überprüft das System
die Pulsaufbauzeit in Schritt 146 kontinuierlich. Falls
die Pulsaufbauzeit einen Einzelmode-Betrieb anzeigt, ist die Blende
(nicht gezeigt) in Schritt 148 offen, nachdem der Hauptoszillator
Zeit hatte, sich nach einem anfänglichen
Anschalten zu stabilisieren. Sollte die Pulsaufbauzeit einen anderen
als einen Einzelmode-Betrieb anzeigen, signalisiert der Steuerblock 140 dem
Pockels-Zellen-Treiber und/oder dem Güteschalter-Treiber 144, den
Güteschalter 128 zu
schließen
und/oder die Pockels-Zelle 130 zu aktivieren, um den Strahl
abzulenken. Folglich werden, nachdem das System 116, wie durch
Block 150 angedeutet, wiederhergestellt ist, der Güteschalter 128 und
die Pockels-Zelle 130 für einen
normalen Betrieb rekonfiguriert, wie es durch Block 118 angedeutet
ist. In denjenigen Ausführungsformen,
welche einen Güteschalter
verwenden, kann ein mechanischer Schalter benachbart zum Auskoppler
angeordnet sein, um dem Hauptoszillator genügend Zeit zu geben, sich zu
stabilisieren. In solchen Ausführungsformen
wird die Blende verzögert, wie
durch Block 120, 154 angedeutet, um dem Hauptoszillator
effektiv Zeit zu geben, sich zu stabilisieren.
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Offensichtlich
sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung
im Lichte der oben aufgeführten
Lehren möglich.
Daher ist es so zu verstehen, dass innerhalb des Bereichs der angehängten Ansprüche die
Erfindung auch auf eine andere Weise als wie oben detailliert beschrieben
ausgeführt
werden kann.