EP4158739A1 - Laseranordnung und verfahren zum steuern einer laseranordnung - Google Patents

Laseranordnung und verfahren zum steuern einer laseranordnung

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EP4158739A1
EP4158739A1 EP21721070.7A EP21721070A EP4158739A1 EP 4158739 A1 EP4158739 A1 EP 4158739A1 EP 21721070 A EP21721070 A EP 21721070A EP 4158739 A1 EP4158739 A1 EP 4158739A1
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EP
European Patent Office
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laser beam
laser
polarization
crystal
arrangement
Prior art date
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Pending
Application number
EP21721070.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Eichhorn
Christelle Kieleck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP4158739A1 publication Critical patent/EP4158739A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10061—Polarization control
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    • H01S3/0085—Modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
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    • H01S3/10038—Amplitude control
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10069—Memorized or pre-programmed characteristics, e.g. look-up table [LUT]

Definitions

  • the present invention relates to a laser arrangement and a method for controlling a laser arrangement according to the independent claims.
  • a nonlinear laser with a desired time-variable mean power and pulse energy in accordance with an electronic default signal Converter, like one optically parametric oscillator (OPO).
  • OPO optically parametric oscillator
  • a Q-switched laser source can be used for this purpose, the output power and pulse energy of which can be variably adjusted from pulse to pulse.
  • a Q-switched laser source often does not have a stable beam position and divergence that does not fluctuate from pulse to pulse, regardless of the selected average output power and pulse energy.
  • the Q-switched laser source In order not to change the beam properties, such as position, divergence and / or beam quality, of the Q-switched laser source, the Q-switched laser source is often operated with constant power in repetitive continuous operation.
  • the laser power and thus the pulse energy can subsequently be attenuated in amplitude by a modulator introduced into an output beam of the Q-switched laser source, whereby the desired intensity modulation is impressed on the output beam.
  • the component complementary to this appears in a second output beam generated by the modulator, for example with a further polarization in an electro-optical modulator or a diffracted component in an acousto-optical modulator.
  • the modulator in the output beam and / or a possibly downstream non-linear converter is operated with a variable thermal load. This can cause a change in the beam position, depending on the thermal load on the modulator and / or the non-linear converter.
  • the laser pulse duration and peak pulse power of a laser source in Q-switched operation often depends significantly on the selected repetition rate, which is why this is often fixed and cannot be freely selected.
  • the present invention is therefore based on the object of creating an improved laser arrangement and an improved method for controlling a laser arrangement, with which the waste heat generated when generating an output beam or the temporal variation of the thermal load is reduced can be.
  • the present invention is based on the knowledge that the above object can be achieved by suitable modulation of a pump laser beam of a nonlinear converter of a laser arrangement in its polarization and / or intensity in order to control the desired output power of the nonlinear converter.
  • Modulation of the laser radiation can be understood to mean the (targeted and thus controllable) imprinting of a time-varying characteristic, in particular a characteristic that includes polarization and / or intensity. In the case of polarization, this can be done by one or more electrically driven optical components such as a Pockels cell, alternatively or additionally also by one or more mechanically controllable optical components such as 1/2 or 1/4 plates.
  • a laser arrangement has a pump laser source which is set up to generate a first laser beam.
  • the laser arrangement has a polarization modulation device which is set up to receive the first laser beam and to modulate a polarization of the received first laser beam in order to generate a second laser beam.
  • the laser arrangement furthermore has a polarization-dependent converter which is set up to receive the second laser beam and to convert a portion of the received second laser beam with a predetermined polarization into an output laser beam.
  • the polarization modulation device is also set up to modulate the polarization of the received first laser beam in such a way that a power of the output laser beam assumes a predetermined target value.
  • the target value can correspond to the configuration of the polarization modulation device in such a way that it can be set to an operating point which corresponds to a predetermined power of the output laser. If the laser arrangement generates laser pulses, an average power can be assumed as the power of the output laser beam.
  • the laser arrangement can be designed to generate laser pulses or a continuous wave laser beam.
  • the first laser beam can be a polarized laser beam or a non-polarized laser beam.
  • the first laser beam contains laser radiation with one polarization or laser radiation of different polarizations.
  • the polarization of the first laser beam can be a linear polarization, a circular polarization or an elliptical polarization.
  • the pump laser source can be, for example, a solid-state laser, a fiber laser, a diode laser, a dye laser, a gas laser or a free-electron laser.
  • the polarization modulation device can advantageously be set up to modulate the polarization of the received first laser beam as a function of a control signal.
  • the polarization modulation device or the laser arrangement can have a control device for generating the control signal on the basis of the target value.
  • the polarization modulation device can modulate the polarization of the received first laser beam from linearly below 0 ° via elliptical and circularly back to elliptical and linearly below 90 ° on the basis of the control signal.
  • the polarization-dependent converter can advantageously also be set up in such a way that a further portion of the received second laser beam with a predetermined further polarization is not converted by the polarization-dependent converter.
  • the polarization-dependent converter can be arranged in a laser resonator.
  • the converted portion of the received second laser beam can be more than 10%, more than 20%, more than 30%, more than 40%, more than 50%, more than 60%, more than 70%, more than 80% or more than 90% of the received second laser beam.
  • the predetermined target value can advantageously be determined from an input signal will.
  • the laser arrangement can have a communication interface or a user interface for receiving the input signal and a control device for extracting the target value or a plurality of target values from the received input signal and for controlling the polarization modulation device on the basis of the extracted target value or the plurality of extracted target values.
  • the predefined target value or a plurality of predefined target values to be set one after the other can be pre-stored in a memory of the control device.
  • the control device can identify a microcontroller or a processor, the memory, the communication interface and / or the user interface.
  • the laser arrangement can advantageously further comprise a controllable intensity modulator which is set up to modulate an intensity of the first laser beam or of the second laser beam. This makes it easier to set the power of the output laser beam to the target value.
  • the intensity of the first laser beam or the second laser beam can be a power of the first laser beam or the second laser beam.
  • the controllable intensity modulator can be set up to modulate a power of the first laser beam or the second laser beam in order to modulate the intensity of the first laser beam or the second laser beam.
  • the controllable intensity modulator can be arranged between the pump laser source and the polarization modulation device or between the polarization modulation device and the polarization-dependent converter.
  • the laser arrangement can also be set up to control the controllable intensity modulator in such a way that a thermal load on the polarization-dependent converter caused by the received second laser beam is constant or largely constant on the time scale of thermal effects, in particular on the time scale of thermal effects in the converter .
  • the effects of polarization modulation on the heat load on the converter can be compensated for by intensity modulation in such a way that the end result is that the beam properties of the converted beam, such as position and divergence and / or beam quality, extend over a wide range Change the modulation formats of the output power only insignificantly.
  • control device of the laser arrangement can be set up to control the polarization modulation device and the intensity modulator in such a way that a thermal load on the polarization-dependent converter caused by the received second laser beam is constant or on the time scale of thermal effects, in particular on the time scale of thermal effects in the Converter, is largely constant.
  • a time range can be assumed as the time scale for thermal effects in which a measurable temperature change takes place in the converter due to the absorption of laser radiation.
  • the controllable intensity modulator, the polarization modulation device and the polarization-dependent converter can be arranged on a common straight line. This has the advantage that an output laser beam can be generated even in the event of a failure or after the intensity modulator or the modulation device has been switched off.
  • a lens, an etalon, a filter, or the like can be arranged between the intensity modulator, the polarization modulation device and the converter, whose function is used, for example, to adjust beam diameters or spectra len adjustments, and which cause a lateral beam offset where the The intensity modulator, the polarization modulation device and the converter no longer lie exactly on the common straight line.
  • the polarization modulation device and the polarization-dependent converter can be arranged on a common straight line, where the controllable intensity modulator is arranged at a distance from the common straight line. This has the advantage that if the intensity modulator fails or is switched off, no pumping light falls on the converter and thus the converter can avoid generating the output laser beam. This makes it possible to increase safety during operation of the laser arrangement.
  • controllable intensity modulator and the polarization-dependent converter can be arranged on a common straight line, the polarization modulation device being arranged at a distance from the common straight line.
  • the polarization modulation device and the controllable intensity modulator can be arranged on a common straight line, the polarization-dependent converter being arranged at a distance from the common straight line.
  • the controllable intensity modulator can be an electro-optical modulator, an acousto-optical modulator, a combination of mechanically movable wave plates with a polarizer or a frustrated total reflection switch.
  • the polarization modulation device can comprise a Pockels cell, a liquid crystal, mechanically movable wave plates or externally generated stress birefringence in optical media.
  • the polarization dependent converter can include a nonlinear crystal.
  • the nonlinear crystal can be a zinc germanium phosphide crystal, a cadmium silicon phosphide crystal, a barium gallium selenide crystal, a barium gallium sulfide crystal, a mercury gallium sulfide crystal, a Cadmium selenide crystal, a periodically polarized lithium niobate crystal, a periodically polarized potassium titanyl phosphate crystal, a periodically polarized rubidium titanyl phosphate crystal, a periodically oriented crystal Gallium arsenide crystal, a periodically oriented gallium phosphide crystal or a periodically oriented gallium nitride crystal.
  • the laser arrangement can furthermore have a sensor for detecting a temperature of the polarization-dependent converter or a temperature-dependent characteristic, such as a temperature-dependent radiation characteristic, of the polarization-dependent converter.
  • the laser arrangement can be designed to control the polarization modulation device and / or the intensity modulator on the basis of the detected temperature or the detected characteristic.
  • a method for controlling a laser arrangement comprises a pump laser source which is directed to generate a first laser beam, a polarization modulation device which is set up to receive the first laser beam and to modulate a polarization of the received first laser beam in order to generate a second laser beam, and a polarization-dependent one Converter which is set up to receive the second laser beam and to convert a portion of the received second laser beam with a predetermined polarization into an output laser beam.
  • the method comprises modulating the polarization of the received first laser beam in such a way that a power of the output laser beam assumes a predetermined target value. As a result, permanent operation of the converter at full power can be avoided. As a result, the waste heat that occurs when the output laser beam is generated or the variation in the thermal load over time can be reduced.
  • the method can be a computer-implemented method.
  • the laser arrangement can furthermore comprise a controllable intensity modulator which is set up to modulate an intensity of the first laser beam or the second laser beam.
  • the method can also control the controllable intensity modulator in such a way that a thermal load of the polarization-dependent converter caused by the received second laser beam is constant or largely constant on the time scale of thermal effects, in particular on the time scale of thermal effects in the converter .
  • intensity modulation in such a way that the end result is the beam properties of the converted beam, such as position and divergence and / or beam quality, change only insignificantly over a wide range of the modulation formats of the output power.
  • the polarization modulation device and the intensity modulator can be controlled in such a way that a heat load of the polarization-dependent converter caused by the received second laser beam is constant or largely constant on the time scale of thermal effects, in particular on the time scale of thermal effects in the converter.
  • the method can be carried out with the laser arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 a schematic representation of a laser arrangement according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 a schematic representation of a laser arrangement according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 a schematic representation of a laser arrangement according to a third exemplary embodiment
  • FIGS. 4a to 4d schematic representations of a laser arrangement according to a fourth exemplary embodiment.
  • Figures 5a and 5b schematic representations of a laser arrangement according to a fifth embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a laser arrangement 1 according to a first exemplary embodiment.
  • the laser arrangement 1 has a polarization modulation device 2, which in the present exemplary embodiment is formed by a Pockels cell, and a polarization-dependent converter 3.
  • the polarization modulation device 2 receives a first laser beam 4 generated by a non-imaged pump laser source, such as a Pump laser beam.
  • the first laser beam 4 is a polarized laser beam with a polarization indicated by the arrow 5 perpendicular to the direction of propagation of the first laser beam 4.
  • the polarization modulation device 2 modulates the polarization of the received first laser beam 4 in order to generate a second laser beam 6.
  • the second laser beam 6 has, as illustrated by the arrows 7 and 8 and the intervening ellipses and the circle, a polarization depending on the control of the Polarisationsmodulationsvor device 2.
  • the polarization-dependent converter 3 receives the second laser beam 6 and converts a portion of the received second laser beam 6 with a predetermined polarization into an output laser beam 9.
  • unconverted pump radiation 10 emerges from the converter 3.
  • the polarization modulation device 2 is also set up to modulate the polarization of the received first laser beam 4 in such a way that a power of the output laser beam 9 assumes a predetermined target value.
  • the first embodiment has the minimum number of components to implement the present invention.
  • the converter 3 can be an optically parametric oscillator.
  • the polarization modulation device 2 can change the polarization of the first laser beam in accordance with an applied voltage signal from linearly below 0 ° via elliptical and circularly back to elliptical and linearly below 90 °.
  • the voltage signal is provided by a control device of the laser arrangement 1.
  • Zinc germanium phosphide for example, converts pump light of polarization "o", while pump light of polarization "e” does not undergo any conversion, but it is more strongly absorbed in the ZGP and releases more heat than ⁇ "- polarized pump light
  • the output power of the converter 3 can be approximately determined from the pump power in "o" polarization P P 0 , the threshold P th and the conversion efficiency h 00hn of the converter 3 will:
  • T PM is the transmission of the polarization modulation device 2 (independent of the applied voltage) and u l / 2 is the half-wave voltage of the polarization modulation device 2, ie the applied voltage at which the linear polarization is rotated from "o" to "e".
  • the output power of the converter 3, for example the power of the output laser beam 9, can thus be according to Set variably via the voltage UPM applied to the polarization modulation device 2, since only the "o" polarization is optically phase-matched and converted.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a laser arrangement 1 in accordance with a second exemplary embodiment.
  • the laser arrangement 1 according to the second exemplary embodiment can be designed in a manner similar to the laser arrangement 1 according to the first exemplary embodiment.
  • the laser arrangement 1 according to the second embodiment has an intensity modulator 11 which is arranged between the pump laser source and the polarization modulation device 2.
  • the intensity modulator 11 receives the first laser beam 6 and modulates its intensity in order to obtain an intensity-modulated laser beam 12.
  • the first laser beam 6 has a power PP and the intensity-modulated laser beam 12 has a power Pp * Tmod, where T m0d indicates the modulatable transmission of the intensity modulator.
  • the intensity modulator 11 generates a further laser beam 13 which, for example, has the output power Pp * (l-Tm 0 d).
  • the polarization modulation device 2 receives the intensity-modulated laser beam 12 and modulates it in the same way as described for the first laser beam 6 in the first embodiment in order to generate a wide Ren laser beam 14 with a polarization modulation 15.
  • the further laser beam 14 is received by the converter 3 and converted.
  • the second exemplary embodiment has the advantage that when the polarization modulation device 2 changes or modulates the polarization of the first laser beam 6 to "do not convert", the pump power arriving at the converter 3 can be reduced of the converter 3.
  • the intensity modulator 6, the polarization modulation device 2 and the converter 3 are arranged on a common straight line.
  • the polarization modulator 2 is connected upstream or downstream of the intensity modulator 11, for example an acousto-optical modulator or an electro-optical modulator with polarizer, the intensity modulator 11 not causing any change in the polarization of the modulated beam.
  • the first laser beam 6 initially acts on the intensity modulator 11, for example. This modulates the intensity of the first laser beam 6.
  • the intensity modulator 11 is an acousto-optical modulator or an electro-optical modulator with a polarizer.
  • the intensity-modulated laser beam 12 then acts on the polarization modulation device 2, which changes or modulates the polarization of the intensity-modulated laser beam 12 and thereby influences the efficiency of the non-linear conversion process in the converter 3.
  • the unconverted “e” polarization has a higher absorption with an absorption coefficient a e than the converted “o” polarization with an absorption coefficient a 0 .
  • the desired output power modulation could be achieved by pure polarization modulation with the polarization modulation device 2, but the thermal load on the crystal of the converter 3 increases in the "off" state due to the increased absorption of the pump radiation while at the same time preventing conversion, ie no reduction in power in "o” polarization due to conversion during propagation in the crystal Thermal effects such as beam position or beam diameter changes. In systems with higher laser power, this can even lead to the destruction of the ZGP crystal. Due to an upstream intensity modulator 11 with variable transmission TM OC) , only the power falls on the polarization modulation device 2
  • this is achieved, for example, by choosing which defines T Mod (t) up to a constant C.
  • C the heat load of the converter can be given within the scope of what is physically possible.
  • This constant can, for example, be selected in such a way that the maximum usability of the pump power P p made available by the laser arrangement, that is to say maximum efficiency, results.
  • P out (t) corresponds to the technically maximum desired or possible output power
  • T Mod (t) 1.
  • This choice is advantageous for a 0 ⁇ a e, such as with ZGP, or generally with a stronger absorption of the non-converting polarization compared to the converting polarization, since it allows the full output power range to be used.
  • the converter 3 has an arbitrarily selectable output power, such as the power of the output laser beam 9, with a minimal number of additionally required components.
  • the laser arrangement 1 or the converter 3 can be operated at a constant operating point and thus the beam position and beam quality remain unchanged due to constant thermal effects regardless of the modulation.
  • the arrangement also allows the thermal load of the downstream crystal of the converter 3 to be kept constant over time as best as possible in order to minimize variations in the beam position or steel divergence.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a laser arrangement 1 in accordance with a third exemplary embodiment.
  • the laser arrangement 1 according to the third embodiment can be designed similarly to the laser arrangement 1 according to the second embodiment.
  • the laser arrangement 1 according to the third exemplary embodiment differs from the laser arrangement 1 according to the second exemplary embodiment in that the intensity modulator 11 is formed by a Pockels cell 16 and a polarizer 17.
  • the first laser beam 6 has a power PP and the intensity-modulated laser beam 12 has a power PP * TI, where Ti indicates the modulatable transmission of the intensity modulator 11.
  • Figures 4a to 4d show schematic representations of a laser arrangement 1 according to a fourth embodiment.
  • the laser arrangement 1 according to the fourth exemplary embodiment can be designed similarly to the laser arrangement 1 according to the second exemplary embodiment.
  • the laser arrangement 1 according to the fourth exemplary embodiment differs from the laser arrangement 1 according to the second exemplary embodiment in that the intensity modulator 11 is formed by an acousto-optical modulator 18.
  • the intensity modulator 11 is arranged between the pump laser source and the polarization modulation device 2, while in FIGS. 4c and 4d the intensity modulator 11 is arranged between the polarization modulation device 2 and the converter 3.
  • the intensity modulator 11, the polarization modulation device 2 and the converter 3 are arranged on a common straight line
  • the intensity modulator 11 is spaced from a common straight line on which the polarization modulation device 2 and the converter 3 are arranged, is arranged and, in FIG. 4d, the converter 3 is arranged at a distance from a common straight line on which the polarization modulation device 2 and the intensity modulator are arranged.
  • the arrangements shown in FIGS. 4a and 4c have the advantage that, when the intensity modulator 11 is switched off, the full power of the laser beam passing through the intensity modulator 11 is available.
  • the arrangements shown in FIGS. 4b and 4d have the advantage that, when the intensity modulator 11 is switched off, no laser beam or no pump light falls on the converter 3. As a result, safety during operation of the laser arrangement 1 can be increased will.
  • FIGS. 5a and 5b show schematic representations of a laser arrangement 1 according to a fifth embodiment.
  • the laser arrangement 1 according to the fifth exemplary embodiment can be designed similarly to the laser arrangement 1 according to the second exemplary embodiment.
  • the laser arrangement 1 according to the fifth embodiment differs from the laser arrangement 1 according to the second embodiment in that the intensity modulator 11 is formed by a frustrated total internal reflection (FTIR) switch 19.
  • FTIR frustrated total internal reflection

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung (1) und ein Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung (1). Die Laseranordnung (1) weist eine Pumplaserquelle, welche eingerichtet ist, einen ersten Laserstrahl (4) zu erzeugen, auf. Zudem weist die Laseranordnung (1) eine Polarisationsmodulationsvorrichtung (2), welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl (4) zu empfangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) zu modulieren, um einen zweiten Laserstrahl (6) zu erzeugen, auf. Die Laseranordnung (1) weist ferner einen polarisationsabhängigen Konverter (3), welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl (6) zu empfangen, und einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls (6) mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl (9) zu konvertieren, auf. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung (2) ist ferner eingerichtet, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) derart zu modulieren, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls (9) einen vorgegebenen Zielwert annimmt.

Description

Laseranordnung und Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung und ein Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Für viele Laseranwendungen, beispielsweise für Anwendungen im Bereich opt- ronischer Gegenmaßnahmen mit Lasern, der Laserkommunikation und der La ser-Materialbearbeitung, ist es vorteilhaft, eine entsprechend einem elektroni schen Vorgabesignal gewünschte zeitlich variable mittlere Leistung und Pulse- nergie aus einem Laser mit einem nichtlinearen Konverter, wie einem optisch parametrischen Oszillator (OPO), abzustrahlen. Dazu kann eine gütegeschaltete Laserquelle verwendet werden, die in ihrer Ausgangsleistung und Pulsenergie von Puls zu Puls variabel einstellbar ist. Eine gütegeschaltete Laserquelle weist jedoch häufig keine unabhängig von der gewählten mittleren Ausgangsleistung und Pulsenergie stabile Strahllage und Divergenz auf, welche von Puls zu Puls nicht schwankt.
Um die Strahleigenschaften, wie Lage, Divergenz und/oder Strahlqualität, der gütegeschalteten Laserquelle nicht zu verändern, wird die gütegeschaltete La serquelle häufig bei konstanter Leistung im repetierenden Dauerbetrieb betrie ben. Die Laserleistung und damit die Pulsenergie kann im Nachhinein durch ei nen in einen Ausgangsstrahl der gütegeschalteten Laserquelle eingebrachten Modulator in ihrer Amplitude abgeschwächt werden, wodurch die gewünschte Intensitätsmodulation auf den Ausgangsstrahl aufgeprägt wird. Der dazu kom plementäre Anteil erscheint dabei in einem zweiten vom Modulator erzeugten Ausgangsstrahl, beispielsweise mit einer weiteren Polarisation bei einem elekt rooptischen Modulator oder ein gebeugter Anteil bei einem akustooptischen Modulator.
Bei einem derartigen Betrieb der gütegeschalteten Laserquelle arbeitet diese jedoch häufig mit voller Leistung, wodurch ein hoher Energieverbrauch und die Notwendigkeit eines entsprechenden Managements der entstehenden Ab wärme mit zusätzlichem Leistungs- und Platzbedarf auftreten kann.
Zudem wird der Modulator im Ausgangsstrahl und/oder ein eventuell nachge schalteter nichtlinearer Konverter bei variabler thermischer Last betrieben. Hierdurch kann je nach thermischer Belastung des Modulators und/oder des nichtlinearen Konverters eine Strahllageänderung verursacht werden. Zudem hängt die Laserpulsdauer und Puls-Spitzenleistung einer Laserquelle im gütege schalteten Betrieb häufig signifikant von der gewählten Repetitionsrate ab, weshalb diese oft festgelegt wird und nicht frei wählbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Laseranordnung und ein verbessertes Verfahren zum Steuern einer Laserano rdnung zu schaffen, mit denen eine beim Erzeugen eines Ausgangsstrahls ent stehende Abwärme oder die zeitliche Variation der thermischen Last reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Laseranordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen An sprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch geeignete Modulation eines Pumplaserstrahls eines nichtlinearen Kon verters einer Laseranordnung in seiner Polarisation und/oder Intensität, um so die gewünschte Ausgangsleistung des nichtlinearen Konverters zu steuern, ge löst werden kann. Hierdurch kann ein dauerhafter Betrieb des nichtlinearen Konverters bei voller Leistung oder unter zeitlich stark variierender thermischer Belastung vermieden werden. Unter Modulation der Laserstrahlung kann das (gezielte und damit steuerbare) Aufprägen einer zeitlich variierenden Charak teristik verstanden werden, insbesondere einer Charakteristik die Polarisation und/oder Intensität umfasst. Das kann im Fall der Polarisation durch eine oder mehrere elektrisch angetriebene optische Komponenten wie bspw. eine Po- ckelszelle erfolgen, alternativ oder ergänzend auch durch eine oder mehrere mechanisch steuerbare optische Komponenten wie l/2- oder l/4-Platten.
Erfindungsgemäß wird eine Laseranordnung bereitgestellt. Die Laseranordnung weist eine Pumplaserquelle auf, welche eingerichtet ist, einen ersten Laser strahl zu erzeugen. Zudem weist die Laseranordnung eine Polarisationsmodu lationsvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl zu emp fangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls zu modulie ren, um einen zweiten Laserstrahl zu erzeugen. Die Laseranordnung weist fer ner einen polarisationsabhängigen Konverter auf, welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl zu empfangen, und einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl zu konvertieren. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung ist darüber hinaus eingerichtet, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls derart zu modulieren, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls einen vorgegebenen Zielwert annimmt. Hierdurch kann ein dauerhafter Betrieb des Konverters bei voller Leistung vermieden werden. Dadurch kann die beim Erzeugen des Aus gangslaserstrahls entstehende Abwärme reduziert werden. Ein vorgegebener Zielwert kann entsprechend dem Ausgestalten der Polarisationsmodulations vorrichtung derart entsprechen, dass sie auf einen Betriebspunkt eingestellt werden kann, der einer vorher festgelegten Leistung des Ausgangslasers ent spricht. Falls die Laseranordnung Laserpulse erzeugt, kann als Leistung des Aus gangslaserstrahls eine mittlere Leistung angenommen werden.
Die Laseranordnung kann ausgebildet sein, Laserpulse oder einen Dauerstrich laserstrahl zu erzeugen. Ferner kann der erste Laserstrahl ein polarisierter La serstahl oder ein nichtpolarisierter Laserstahl sein. Beispielsweise enthält der erste Laserstrahl Laserstrahlung mit einer Polarisation oder Laserstrahlung un terschiedlicher Polarisationen. Die Polarisation des ersten Laserstrahls kann eine lineare Polarisation, eine zirkulare Polarisation oder eine elliptische Pola risation sein. Zudem kann die Pumplaserquelle z.B. ein Festkörperlaser, ein Fa serlaser, ein Diodenlaser, ein Farbstofflaser, ein Gaslaser oder ein Freier-Elekt- ronen-Laser sein.
Die Polarisationsmodulationsvorrichtung kann vorteilhaft eingerichtet sein, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls in Abhängigkeit von einem Steuersignal zu modulieren. Beispielsweise kann die Polarisationsmodulations vorrichtung oder die Laseranordnung eine Steuerungseinrichtung zum Erzeu gen des Steuersignals auf Basis des Zielwerts aufweisen. Beispielsweise kann die Polarisationsmodulationsvorrichtung die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls von linear unter 0° über elliptisch und zirkular zurück nach elliptisch und linear unter 90° auf Basis des Steuersignals modulieren.
Der polarisationsabhängige Konverter kann vorteilhaft ferner derart eingerich tet sein, dass ein weiterer Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls mit ei ner vorbestimmten weiteren Polarisation durch den polarisationsabhängigen Konverter keine Konversion erfährt. Zudem kann der polarisationsabhängige Konverter in einem Laserresonator angeordnet sein. Darüber hinaus kann der konvertierte Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls mehr als 10%, mehr als 20%, mehr als 30%, mehr als 40%, mehr als 50%, mehr als 60%, mehr als 70%, mehr als 80% oder mehr als 90% des empfangenen zweiten Laserstrahls betragen.
Der vorgegebene Zielwert kann vorteilhaft aus einem Eingabesignal bestimmt werden. Beispielsweise kann die Laseranordnung eine Kommunikationsschnitt stelle oder eine Benutzerschnittstelle zum Empfangen des Eingabesignals und eine Steuereinrichtung zum Extrahieren des Zielwerts oder einer Mehrzahl von Zielwerten aus dem empfangenen Eingabesignal und zum Steuern der Polarisa tionsmodulationsvorrichtung auf Basis des extrahierten Zielwerts oder der Mehrzahl von extrahierten Zielwerten aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der vorgegebene Zielwert oder eine Mehrzahl von nacheinander einzu stellenden vorgegebenen Zielwerten in einem Speicher der Steuereinrichtung vorgespeichert sein. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung einen Mikro kontroller oder einen Prozessor, den Speicher, die Kommunikationsschnitt stelle und/oder die Benutzerschnittstelle ausweisen.
Die Laseranordnung kann vorteilhaft ferner einen steuerbaren Intensitätsmo dulator umfassen, welcher eingerichtet ist, eine Intensität des ersten Laser strahls oder des zweiten Laserstrahls zu modulieren. Hierdurch kann ein Ein stellen der Leistung des Ausgangslaserstrahls auf den Zielwert erleichtert wer den. Die Intensität des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls kann eine Leistung des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls sein. Bei spielsweise kann der steuerbare Intensitätsmodulator eingerichtet sein, eine Leistung des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls zu modulieren, um die Intensität des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls zu mo dulieren. Zudem kann der steuerbare Intensitätsmodulator zwischen der Pumplaserquelle und der Polarisationsmodulationsvorrichtung oder zwischen der Polarisationsmodulationsvorrichtung und dem polarisationsabhängigen Konverter angeordnet sein.
Die Laseranordnung kann ferner eingerichtet sein, den steuerbaren Intensitäts modulator derart zu steuern, dass eine durch den empfangenen zweiten Laser strahl bewirkte Wärmebelastung des polarisationsabhängigen Konverters kon stant oder auf der Zeitskala thermischer Effekte, insbesondere auf der Zeitskala thermischer Effekte in dem Konverter, weitgehend konstant ist. Hierdurch kön nen die Auswirkungen der Polarisationsmodulation auf die Wärmebelastung des Konverters dergestalt durch Intensitätsmodulation kompensiert werden, dass im Endergebnis die Strahleigenschaften des konvertierten Strahls, wie Lage und Divergenz und/oder Strahlqualität, sich über einen weiten Bereich der Modulationsformate der Ausgangsleistung nur unwesentlich ändern. Beispiels weise kann die Steuereinrichtung der Laseranordnung eingerichtet sein, die Po larisationsmodulationsvorrichtung und den Intensitätsmodulator derart zu steuern, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl bewirkte Wär mebelastung des polarisationsabhängigen Konverters konstant oder auf der Zeitskala thermischer Effekte, insbesondere auf der Zeitskala thermischer Ef fekte in dem Konverter, weitgehend konstant ist. Als Zeitskala thermischer Ef fekte kann ein Zeitbereich angenommen werden, in welchem eine messbare Temperaturänderung im Konverter durch Absorption von Laserstrahlung statt findet.
Der steuerbare Intensitätsmodulator, die Polarisationsmodulationsvorrichtung und der polarisationsabhängige Konverter können auf einer gemeinsamen Ge raden angeordnet sein. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass auch bei Aus fall oder nach Ausschalten des Intensitätsmodulators oder der Modulationsvor richtung ein Ausgangslaserstrahl erzeugt werden kann. Zudem können eine Linse, ein Etalon, ein Filter, oder ähnliches zwischen dem Intensitätsmodulator, der Polarisationsmodulationsvorrichtung und dem Konverter angeordnet wer den, deren Funktion, z.B. zur Anpassung von Strahldurchmessern oder spektra len Anpassungen dient, und die einen lateralen Strahlversatz verursachen, wo mit der Intensitätsmodulator, die Polarisationsmodulationsvorrichtung und der Konverter nicht mehr exakt auf der gemeinsamen Gerade liegen.
Alternativ können die Polarisationsmodulationsvorrichtung und der polarisati onsabhängige Konverter auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet sein, wo bei der steuerbare Intensitätsmodulator beabstandet von der gemeinsamen Geraden angeordnet ist. Hierdurch kann der Vorteil erreicht werden, dass bei Ausfall oder Abschalten des Intensitätsmodulators kein Pumplicht auf den Kon verter fällt und damit ein Erzeugen des Ausganglaserstrahls durch den Konver ter vermieden werden kann. Hierdurch kann eine Sicherheit bei einem Betrieb der Laseranordnung erhöht werden.
Alternativ können der steuerbare Intensitätsmodulator und der polarisations abhängige Konverter auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet sein, wobei die Polarisationsmodulationsvorrichtung beabstandet von der gemeinsamen Geraden angeordnet ist. Hierdurch kann der Vorteil erreicht werden, dass bei Ausfall oder Abschalten der Polarisationsmodulationsvorrichtung oder des In tensitätsmodulators kein Pumplicht auf den Konverter fällt und damit ein Er zeugen des Ausganglaserstrahls durch den Konverter vermieden werden kann. Hierdurch kann eine Sicherheit bei einem Betrieb der Laseranordnung erhöht werden.
Alternativ können die Polarisationsmodulationsvorrichtung und der steuerbare Intensitätsmodulator auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet sein, wobei der polarisationsabhängige Konverter beabstandet von der gemeinsamen Ge raden angeordnet ist. Hierdurch kann der Vorteil erreicht werden, dass bei Aus fall oder Abschalten der Polarisationsmodulationsvorrichtung oder des Intensi tätsmodulators kein Pumplicht auf den Konverter fällt und damit ein Erzeugen des Ausganglaserstrahls durch den Konverter vermieden werden kann. Hier durch kann eine Sicherheit bei einem Betrieb der Laseranordnung erhöht wer den.
Der steuerbare Intensitätsmodulator kann ein elektrooptischer Modulator, ein akustooptischer Modulator, eine Kombination aus mechanisch bewegbaren Wellenplatten mit einem Polarisator oder ein Frustrierte-Totalreflexion-Schal- ter sein.
Die Polarisationsmodulationsvorrichtung kann eine Pockelszelle, einen Flüssig kristall, mechanisch bewegbare Wellenplatten oder extern erzeugte Span nungsdoppelbrechung in optischen Medien umfassen.
Der polarisationsabhängige Konverter kann einen nichtlinearen Kristall umfas sen. Der nichtlineare Kristall kann ein Zink-Germanium-Phosphid-Kristall, ein Cadmium-Silizium-Phosphid-Kristall, ein Barium-Gallium-Selenid-Kristall, ein Barium-Gallium-Sulfid-Kristall, ein Quecksilber-Gallium-Sulfid-Kristall, ein Cad- mium-Selenid-Kristall, ein periodisch-gepolter Lithium-Niobat-Kristall, ein peri- odisch-gepolter Kalium-Titanyl-Phosphat-Kristall, ein periodisch-gepolter Rubi- dium-Titanyl-Phosphat-Kristall, ein periodisch-orientierter Gallium-Arsenid- Kristall, ein periodisch-orientierter Gallium-Phosphid-Kristall oder ein perio disch-orientierter Gallium-Nitrid-Kristall sein.
Die Laseranordnung kann ferner einen Sensor zum Erfassen einer Temperatur des polarisationsabhängigen Konverters oder einer temperaturabhängigen Charakteristik, wie einer temperaturabhängigen Strahlungscharakteristik, des polarisationsabhängigen Konverters aufweisen. Zudem kann die Laseranord nung ausgebildet sein, die Polarisationsmodulationsvorrichtung und/oder den Intensitätsmodulator auf Basis der erfassten Temperatur oder der erfassten Charakteristik zu steuern.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung bereitgestellt. Die Laseranordnung umfasst eine Pumplaserquelle, welche ein gerichtet ist, einen ersten Laserstrahl zu erzeugen, eine Polarisationsmodulati onsvorrichtung, welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl zu empfangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls zu modulieren, um einen zweiten Laserstrahl zu erzeugen, und einen polarisationsabhängigen Kon verter, welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl zu empfangen, und ei nen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls mit einer vorbestimmten Po larisation in einen Ausgangslaserstrahl zu konvertieren. Das Verfahren umfasst Modulieren der Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls derart, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls einen vorgegebenen Zielwert annimmt. Hierdurch kann ein dauerhafter Betrieb des Konverters bei voller Leistung ver mieden werden. Dadurch kann die beim Erzeugen des Ausgangslaserstrahls entstehende Abwärme oder die zeitliche Variation der thermischen Last redu ziert werden. Das Verfahren kann ein computerimplementiertes Verfahren sein.
Die Laseranordnung kann ferner einen steuerbaren Intensitätsmodulator, wel cher eingerichtet ist, eine Intensität des ersten Laserstrahls oder des zweiten Laserstrahls zu modulieren, umfassen. Zudem kann das Verfahren ferner Steu ern des steuerbaren Intensitätsmodulators derart, dass eine durch den emp fangenen zweiten Laserstrahl bewirkte Wärmebelastung des polarisationsab hängigen Konverters konstant oder auf der Zeitskala thermischer Effekte, ins besondere auf der Zeitskala thermischer Effekte in dem Konverter, weitgehend konstant ist, umfassen. Hierdurch können die Auswirkungen der Polarisations modulation auf die Wärmebelastung des Konverters dergestalt durch Intensi tätsmodulation kompensiert werden, dass im Endergebnis die Strahleigen schaften des konvertierten Strahls, wie Lage und Divergenz und/oder Strahl- qualität, sich übereinen weiten Bereich der Modulationsformate der Ausgangs leistung nur unwesentlich ändern. Beispielsweise können die Polarisationsmo dulationsvorrichtung und der Intensitätsmodulator derart gesteuert werden, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl bewirkte Wärmebelas tung des polarisationsabhängigen Konverters konstant oder auf der Zeitskala thermischer Effekte, insbesondere auf der Zeitskala thermischer Effekte in dem Konverter, weitgehend konstant ist.
Das Verfahren kann mit der erfindungsgemäßen Laseranordnung ausgeführt wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei spiele beschrieben. Dazu zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer Laseranordnung ge mäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Laseranordnung ge mäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Figur 3: eine schematische Darstellung einer Laseranordnung ge mäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
Figuren 4a bis 4d: schematische Darstellungen einer Laseranordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel; und
Figuren 5a und 5b: schematische Darstellungen einer Laseranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laseranordnung 1 gemäß ei nem ersten Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 weist eine Polarisati onsmodulationsvorrichtung 2, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Pockelszelle gebildet ist, und einen polarisationsabhängigen Konver ter 3 auf. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 empfängt einen von einer nichtabgebildeten Pumplaserquelle erzeugten ersten Laserstrahl 4, wie einen Pumplaserstrahl. Der erste Laserstrahl 4 ist ein polarisierter Laserstrahl mit ei ner durch den Pfeil 5 angedeuteten Polarisation senkrecht zur Ausbreitungs richtung des ersten Laserstrahls 4. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 moduliert die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls 4, um einen zweiten Laserstrahl 6 zu erzeugen. Der zweite Laserstrahl 6 weist, wie durch die Pfeile 7 und 8 und die dazwischenliegenden Ellipsen und den Kreis veranschau licht, eine Polarisation je nach Ansteuerung der Polarisationsmodulationsvor richtung 2 auf. Der polarisationsabhängige Konverter 3 empfängt den zweiten Laserstrahl 6 und konvertiert einen Anteil des empfangenen zweiten Laser strahls 6 mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl 9. Zudem tritt aus dem Konverter 3 nicht-konvertierte Pumpstrahlung 10 aus. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 ist ferner eingerichtet, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls 4 derart zu modulieren, dass eine Leis tung des Ausgangslaserstrahls 9 einen vorgegebenen Zielwert annimmt. Das erste Ausführungsbeispiel weist die minimale Anzahl von Komponenten zur Re alisierung der vorliegenden Erfindung auf.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Konverter 3 ein optisch parametri scher Oszillator sein. Zudem kann die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 die Polarisation des ersten Laserstrahls entsprechend einem angelegten Span nungssignal von linear unter0° über elliptisch und zirkularzurück nach elliptisch und linear unter 90° verändern. Beispielsweise wird das Spannungssignal von einer Steuerungseinrichtung der Laseranordnung 1 bereitgestellt. So konver tiert beispielsweise Zink-Germanium-Phosphid (ZGP) Pumplicht der Polarisa tion „o", während Pumplicht der Polarisation „e" keine Konversion erfährt, da für aber stärker im ZGP absorbiert wird und mehr Wärme freisetzt als ^"-po larisiertes Pumplicht identischer Wellenlänge und Leistung. Die Ausgangsleis tung des Konverters 3, wie die Leistung Pout des Ausgangslaserstrahls 9, kann dabei näherungsweise aus der Pumpleistung in „o"-Polarisation PP 0, der Schwelle Pth und der Konversionseffizienz h00hn des Konverters 3 bestimmt wer den:
Nimmt man an, dass der erste Laserstrahl 6 mit Leistung Pp bereits in „o"-Rich- tung polarisiert ist, so führt die Modulation durch die Polarisationsmodulati onsvorrichtung 2 zu einer je nach angelegter Spannung UPM veränderten effek tiven Leistung in „o"-Polarisation Pp,0 und „e"-Polarisation Pp,e, beispielsweise für eine Pockels-Zelle:
Dabei \st TPM die (von der angelegten Spannung unabhängige) Transmission der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und ul/2 die Halbwellenspannung der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2, d.h. die angelegte Spannung, bei der die lineare Polarisation von „o" nach „e" gedreht wird. Somit lässt sich die Aus gangsleistung des Konverters 3, beispielsweise die Leistung des Ausgangslaser strahls 9, gemäß über die angelegte Spannung UPM an der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 variabel einstellen, da nur die „o"-Polarisation optisch phasenangepasst ist und konvertiert wird.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Laseranordnung 1 gemäß ei nem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann ähnlich wie die Laseranordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Zusätzlich zu den Merkmalen der Laser anordnung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen Intensitätsmodulator 11 auf, welcher zwischen der Pumplaserquelle und der Polarisationsmodulationsvor richtung 2 angeordnet ist. Der Intensitätsmodulator 11 empfängt den ersten Laserstrahl 6 und moduliert dessen Intensität, um einen intensitätsmodulierten Laserstrahl 12 zu erhalten. Beispielsweise weist der erste Laserstrahl 6 eine Leistung PP auf und weist der intensitätsmodulierte Laserstrahl 12 eine Leistung Pp*Tmod auf, wobei Tm0d die modulierbare Transmission des Intensitätsmodula tors angibt. Zudem erzeugt der Intensitätsmodulator 11 einen weiteren Laser stahl 13, welcher beispielsweise die ausgekoppelte Leistung Pp*(l-Tm0d) auf weist. Die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 empfängt den intensitätsmo dulierten Laserstrahl 12 und moduliert diesen in gleicher Weise wie für den ers ten Laserstrahl 6 im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, um einen weite ren Laserstrahl 14 mit einer Polarisationsmodulation 15 zu erzeugen. Der wei tere Laserstahl 14 wird vom Konverter 3 empfangen und konvertiert. Das zweite Ausführungsbeispiel weist den Vorteil auf, dass, wenn die Polarisations modulationsvorrichtung 2 die Polarisation des ersten Laserstrahls 6 auf „nicht konvertieren" ändert oder moduliert, die am Konverter 3 ankommende Pumpleistung reduziert werden kann. Hierdurch kann eine durch die ankom mende Pumpleistung bewirkte Erwärmung des Konverters 3 reduziert werden. Zudem sind in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Intensitätsmodulator 6, die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und der Konverter 3 auf einer ge meinsamen Geraden angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 der Intensitätsmodulator 11, beispielsweise ein akustooptischer Modulator oder ein elektrooptischer Modulator mit Polarisator, vor oder nachgeschaltet, wobei der Intensitätsmodulator 11 keine Änderung der Polarisation des modu lierten Strahls verursacht. Der erste Laserstrahl 6 beaufschlägt beispielsweise zunächst den Intensitätsmodulator 11. Dieser moduliert die Intensität des ers ten Laserstrahls 6. Beispielsweise ist der Intensitätsmodulator 11 ein akustoop tischer Modulator oder ein elektrooptischer Modulator mit Polarisator. Der in tensitätsmodulierte Laserstrahl 12 beaufschlagt danach die Polarisationsmodu lationsvorrichtung 2, welche die Polarisation des intensitätsmodulierten Laser strahls 12 verändert oder moduliert und dadurch die Effizienz des nichtlinearen Konversionsprozesses im Konverter 3 beeinflusst. Bei ZGP als Kristall des Kon verters 3 besitzt z.B. die nicht konvertierte „e"-Polarisation eine höhere Ab sorption mit Absorptionskoeffizient ae als die konvertierte „o"-Polarisation mit Absorptionskoeffizient a0. Als Konsequenz würde daher durch reine Polarisati onsmodulation mit der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 zwar die ge wünschte Ausgangsleistungsmodulation erreicht werden können, die thermi sche Belastung des Kristalls des Konverters 3 steigt jedoch im „aus"-Zustand aufgrund der erhöhten Absorption der Pumpstrahlung bei gleichzeitig verhin derter Konversion, d.h. fehlender Reduktion der Leistung in „o"-Polarisation durch Konversion während der Propagation im Kristall. Somit ist die Wärmebe lastung des Kristalls des Konverters 3 im Allgemeinen nicht zeitlich konstant und kann zu modulationsabhängigen thermischen Effekten wie z.B. Strahllage oder Strahldurchmesser-Veränderungen führen. Bei Systemen höherer Laser leistung kann dies sogar zur Zerstörung des ZGP-Kristalls führen. Durch einen vorgeschalteten Intensitätsmodulator 11 mit der variablen Transmission TMOC) fällt auf die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 nur die Leistung
Somit erhält man als Leistung des Ausgangslaserstrahls 9 während die im Kristall mit der (Propagations-)Länge L absorbierte Leistung nä herungsweise durch gegeben ist. In dieser Formel ist die Konversion und der damit einhergehende Abfall von Pumpstrahlung in „o"-Polarisation während der Propagation im Kon verter vernachlässigt. Durch geeignete Wahl von TMod(t) und UpM(t), welche bei spielsweise durch eine computerimplementierte Berechnung, beispielsweise auch unter Berücksichtigung des konversionsbedingten Leistungsabfalls in „o"- Polarisation, der nötigen Werte oder durch Nutzung einer Hashtabelle (Eng lisch: „Hash table") erfolgt, erreicht man nun, dass gleichzeitig das gewünschte „Signal" P0ut(t) emittiert wird und Pabs(t)=const zeitlich unabhängig von der „Sig- nal"-Form wird. Dies wird in obiger Näherung beispielsweise erreicht durch die Wahl von was TMod(t) bis auf eine konstante C festlegt. Durch die Konstante C kann die Wärmebelastung des Konverters im Rahmen des physikalisch Möglichen vor gegeben werden. Diese Konstante kann beispielsweise dergestalt gewählt wer den, dass sich eine maximale Nutzbarkeit der zur Verfügung gestellten Pumpleistung Pp der Laseranordnung, d.h. eine maximale Effizienz ergibt. Dies erreicht man beispielsweise, indem C dergestalt gewählt wird, dass sich, wenn Pout(t) der technisch maximal gewünschten oder möglichen Ausgangsleistung entspricht, gerade TMod(t) = 1 wird. Diese Wahl ist Vorteilhaft für a0 < ae wie z.B. bei ZGP, oder allgemein bei einer stärkeren Absorption der nicht konvertie renden Polarisation im Vergleich zur konvertierenden Polarisation, da es die Ausnutzung des vollen Ausgangsleistungsbereichs erlaubt.
Für a0 > ae, oder allgemein bei einer stärkeren Absorption der konvertieren den Polarisation im Vergleich zur nicht konvertierenden Polarisation, kann es beispielsweise von Vorteil sein, C = 1 zu setzen. Bei dieser Wahl kann man un ter Anwendung des Verfahrens die größtmöglich zugängliche Ausgangsleistung Pout erzielen, welche jedoch geringer ist als die physikalisch maximal mögliche Ausgangsleistung ohne Modulation aufgrund der installierten Pumpleistung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Konverter 3 eine beliebig wählbare Ausgangsleistung, wie die Leistung des Ausgangslaserstrahls 9, bei ei ner minimalen Anzahl an zusätzlich nötigen Komponenten auf. Weitere Vorteile bestehen darin, dass die Laseranordnung 1 oder der Konverter 3 bei konstan tem Arbeitspunkt betrieben werden kann und somit die Strahllage und Strahl qualität aufgrund konstanter thermischer Effekte unabhängig von der Modula tion unverändert bleiben. Zudem erlaubt es die Anordnung zusätzlich, die ther mische Last des nachgeschalteten Kristalls des Konverters 3 bestmöglich zeit lich konstant zu halten, um Variationen in Strahllage oder Stahldivergenz zu mi nimieren. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Laseranordnung 1 gemäß ei nem dritten Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kann ähnlich wie die Laseranordnung 1 gemäß dem zwei ten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Ferner unterscheidet sich die Laser anordnung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel von der Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Intensitätsmodu lator 11 durch eine Pockelszelle 16 und einen Polarisator 17 gebildet ist. Bei spielsweise weist der erste Laserstrahl 6 eine Leistung PP auf und weist der in tensitätsmodulierte Laserstrahl 12 eine Leistung PP*TI auf, wobei Ti die modu lierbare Transmission des Intensitätsmodulators 11 angibt.
Figuren 4a bis 4d zeigen schematische Darstellungen einer Laseranordnung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel kann ähnlich wie die Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Ferner unterscheidet sich die Laseranordnung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel von der Laser anordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Inten sitätsmodulator 11 durch einen akustooptischen Modulator 18 gebildet ist. In den Figuren 4a und 4b ist der Intensitätsmodulator 11 zwischen der Pumpla serquelle und der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 angeordnet während in den Figuren 4c und 4d der Intensitätsmodulator 11 zwischen der Polarisati onsmodulationsvorrichtung 2 und dem Konverter 3 angeordnet ist. Ferner sind in den Figuren 4a und 4c der Intensitätsmodulator 11, der Polarisationsmodu lationsvorrichtung 2 und der Konverter 3 auf einer gemeinsamen Geraden an geordnet während in der Figur 4b der Intensitätsmodulator 11 beabstandet von einer gemeinsamen Gerade, auf welcher der Polarisationsmodulationsvorrich tung 2 und der Konverter 3 angeordnet sind, angeordnet ist und in der Figur 4d der Konverter 3 beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher die Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und der Intensitätsmodulator angeord net sind, angeordnet ist. Die in den Figuren 4a und 4c gezeigten Anordnungen weisen den Vorteil auf, dass, wenn der Intensitätsmodulator 11 ausgeschaltet ist, die volle Leistung des den Intensitätsmodulator 11 durchquerenden Laser strahls zur Verfügung stehen. Ferner weisen die in den Figuren 4b und 4d ge zeigten Anordnungen den Vorteil auf, dass, wenn der Intensitätsmodulator 11 ausgeschaltet ist, kein Laserstrahl oder kein Pumplicht auf den Konverter 3 fällt. Hierdurch kann eine Sicherheit bei einem Betrieb der Laseranordnung 1 erhöht werden.
Figuren 5a und 5b zeigen schematische Darstellungen einer Laseranordnung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Die Laseranordnung 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel kann ähnlich wie die Laseranordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein. Ferner unterscheidet sich die Laseranordnung 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel von der Laser anordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Inten sitätsmodulator 11 durch einen Frustrierte-Totalreflexion (Englisch: „frustrated total internal reflection, FTIR") -Schalter 19 gebildet ist. Beispielsweise weist der erste Laserstrahl 6 eine Leistung PP auf und weist der intensitätsmodulierte Laserstrahl 12 eine Leistung PP*TFTIR auf, wobei TFTIR die modulierbare Transmis sion des Intensitätsmodulators angibt. Ferner ist in der Figur 5a der Intensitäts modulator 11 zwischen der Pumplaserquelle und der Polarisationsmodulati onsvorrichtung 2 angeordnet während in der Figur 5b der Intensitätsmodulator 11 zwischen der Polarisationsmodulationsvorrichtung 2 und dem Konverter 3 angeordnet ist.
Bezugszeichenliste
1: Laseranordnung
2: Polarisationsmodulationsvorrichtung
3: Konverter
4: erster Laserstrahl
5: Pfeil
6: zweiter Laserstrahl
7, 8: Pfeile
9: Ausgangslaserstrahl
10: nicht-konvertierte Pumpstrahlung
11: Intensitätsmodulator
12: intensitätsmodulierter Laserstrahl
13: weiterer Laserstrahl
14: weiterer Laserstrahl
15: Polarisationsmodulation
16: Pockelszelle
17: Polarisator
18: akustooptischer Modulator 19: Frustrierte-Totalreflexion-Schalter

Claims

Patentansprüche
1. Laseranordnung (1), mit: einer Pumplaserquelle, welche eingerichtet ist, einen ersten Laserstrahl (4) zu erzeugen; einer Polarisationsmodulationsvorrichtung (2), welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl (4) zu empfangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) zu modulieren, um einen zweiten Laserstrahl (6) zu erzeugen; und einem polarisationsabhängigen Konverter (3), welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl (6) zu empfangen, und einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls (6) mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl (9) zu konvertieren; wobei die Polarisationsmodulationsvorrichtung (2) ferner eingerichtet ist, die Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) derart zu modulieren, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls (9) einen vorgegebenen Zielwert annimmt.
2. Laseranordnung (1) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen steuerbaren Intensitätsmodulator (11), welcher eingerichtet ist, eine Intensität des ersten Laserstrahls (4) oder des zweiten Laserstrahls (6) zu modulieren.
3. Laseranordnung (1) nach Anspruch 2, wobei die Laseranordnung (1) ferner eingerichtet ist, den steuerbaren Intensitätsmodulator (11) derart zu steuern, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl (6) bewirkte Wärmebelastung des polarisationsabhängigen Konverters (3) auf der Zeitskala thermischer Effekte weitgehend konstant ist.
4. Laseranordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der steuerbare
Intensitätsmodulator (11) ein elektrooptischer Modulator (16, 17), ein akustooptischer Modulator (18) oder ein Frustrierte-Totalreflexion- Schalter (19) ist.
5. Laseranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Polarisationsmodulationsvorrichtung (2) eine Pockelszelle, einen Flüssigkristall, mechanisch bewegbare Wellenplatten oder extern erzeugte Spannungsdoppelbrechung in optischen Medien umfasst.
6. Laseranordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der polarisationsabhängige Konverter (3) einen nichtlinearen Kristall umfasst.
7. Laseranordnung nach Anspruch 6, wobei der nichtlineare Kristall ein Zink-Germanium-Phosphid-Kristall, ein Cadmium-Silizium-Phosphid- Kristall, ein Barium-Gallium-Selenid-Kristall, ein Barium-Gallium-Sulfid- Kristall, ein Quecksilber-Gallium-Sulfid-Kristall, ein Cadmium-Selenid- Kristall, ein periodisch-gepolter Lithium-Niobat-Kristall, ein periodisch gepolter Kalium-Titanyl-Phosphat-Kristall, ein periodisch-gepolter Rubidium-Titanyl-Phosphat-Kristall, ein periodisch-orientierter Gallium-Arsenid-Kristall, ein periodisch-orientierter Gallium-Phosphid- Kristall oder ein periodisch-orientierter Gallium-Nitrid-Kristall ist.
8. Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung (1), wobei die
Laseranordnung (1) eine Pumplaserquelle, welche eingerichtet ist, einen ersten Laserstrahl (4) zu erzeugen, eine Polarisationsmodulationsvorrichtung (2), welche eingerichtet ist, den ersten Laserstrahl (4) zu empfangen und eine Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) zu modulieren, um einen zweiten Laserstrahl (6) zu erzeugen, und einen polarisationsabhängigen Konverter (3), welcher eingerichtet ist, den zweiten Laserstrahl (6) zu empfangen, und einen Anteil des empfangenen zweiten Laserstrahls (6) mit einer vorbestimmten Polarisation in einen Ausgangslaserstrahl (9) zu konvertieren, umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
Modulieren der Polarisation des empfangenen ersten Laserstrahls (4) derart, dass eine Leistung des Ausgangslaserstrahls (9) einen vorgegebenen Zielwert annimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Laseranordnung (1) ferner einen steuerbaren Intensitätsmodulator (11), welcher eingerichtet ist, eine Intensität des ersten Laserstrahls (4) oder des zweiten Laserstrahls (6) zu modulieren, umfasst, und wobei das Verfahren ferner umfasst:
Steuern des steuerbaren Intensitätsmodulators (11) derart, dass eine durch den empfangenen zweiten Laserstrahl bewirkte Wärmebelastung des polarisationsabhängigen Konverters (3) auf der Zeitskala thermischer Effekte weitgehend konstant ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Verfahren mit einer Laseranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführt wird.
EP21721070.7A 2020-05-27 2021-04-22 Laseranordnung und verfahren zum steuern einer laseranordnung Pending EP4158739A1 (de)

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DE102020206636.1A DE102020206636B3 (de) 2020-05-27 2020-05-27 Laseranordnung und Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung
PCT/EP2021/060561 WO2021239341A1 (de) 2020-05-27 2021-04-22 Laseranordnung und verfahren zum steuern einer laseranordnung

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