EP4173091A1 - Laser apparatus and method for controlling a laser apparatus - Google Patents

Laser apparatus and method for controlling a laser apparatus

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EP4173091A1
EP4173091A1 EP21737017.0A EP21737017A EP4173091A1 EP 4173091 A1 EP4173091 A1 EP 4173091A1 EP 21737017 A EP21737017 A EP 21737017A EP 4173091 A1 EP4173091 A1 EP 4173091A1
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EP
European Patent Office
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laser
modulator
resonator
output beam
medium
Prior art date
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Pending
Application number
EP21737017.0A
Other languages
German (de)
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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    • H01S3/1075Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using electro-optic devices, e.g. exhibiting Pockels or Kerr effect for optical deflection
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    • H01S3/1312Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping

Definitions

  • the present invention relates to a laser device and a method for controlling a laser device according to the independent claims.
  • a time-variable mean power and pulse energy for applications in the field of optronic countermeasures with lasers, laser communication and laser material processing, it is often desirable to emit a time-variable mean power and pulse energy, as desired in accordance with an electronic specification signal, and to split it into, for example, two output beams, such as two channels .
  • a Q-switched laser source could be variably adjustable in its output power and pulse energy 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, repetition rate or pulse energy.
  • the Q-switched laser source is often operated with constant power in continuous, repetitive operation.
  • the laser power and thus the pulse energy is subsequently attenuated in its amplitude by a modulator introduced into the output beam, whereby the desired intensity modulation is impressed on the output beam.
  • the component complementary to this appears in the second beam generated by the modulator, for example a second polarization in an electro-optical modulator or a diffracted portion in an acousto-optical modulator.
  • Such a Q-switched laser source often works at full power, which can result in high energy consumption and the need for a corresponding waste heat management with additional power and space requirements.
  • the modulator in the output beam can cause a change in the beam position depending on the thermal load, in particular with varying modulation formats.
  • the laser pulse duration and peak power also depend significantly on the selected repetition rate, which is why this is often fixed.
  • This object is achieved by a laser device according to claim 1 and a method for controlling a laser device according to claim 20.
  • Advantageous refinements and developments are described in the dependent claims.
  • the present invention is based on the knowledge that the above object can be achieved by arranging two modulators in a laser resonator, and depending on the desired power distribution on the channels, pulse energy and pulse duration, these modulators are specifically controlled.
  • a laser resonator of this type two output beams which can form channels can be generated.
  • a first output beam can be a useful beam to be used for the specific application, for example in the area of optronic countermeasures with lasers, laser communication and laser material processing, which beam has predetermined beam properties.
  • excess laser power can be decoupled from the laser resonator via the second output beam in order to keep the laser resonator in its middle operating point and / or to ensure the specified beam properties of the useful beam.
  • Both output beams can also represent useful beams to be used in the specific application.
  • a laser device comprising a laser resonator.
  • the laser resonator has a laser medium.
  • the laser device comprises a first modulator.
  • the first modulator is arranged in the laser resonator.
  • the first modulator is designed to couple a first output beam from the laser resonator.
  • the laser device comprises a second modulator.
  • the second modulator is arranged in the laser resonator.
  • the second modulator is designed to couple a second output beam from the laser resonator. Since the two output beams can form channels, they can in particular be decoupled from the laser device, for example emerge from a housing of the laser device.
  • the laser resonator can be a linear resonator or a ring resonator. Furthermore, the laser resonator can have at least two mirrors which spatially delimit the laser resonator and have a reflectivity of more than 80%, preferably more than 90%, preferably more than 95%, preferably more than 99%. For example, the mirrors are highly reflective mirrors with a reflectivity of more than 99.9%.
  • the laser medium can be arranged between two mirrors of the laser resonator. Furthermore, the laser medium can be a laser-active medium. In addition, the laser medium can be a solid, for example a doped crystal or a doped glass, a doped light-guiding fiber, a liquid, for example a dye solution, or a gas.
  • the first modulator and the second modulator can each be designed to couple the respective output beams out of the laser resonator by deflecting laser radiation.
  • the first output beam and / or the second output beam can be a laser pulse or a continuous wave laser beam.
  • the first output beam can be a useful beam to be used in the specific application, while excess power is coupled out of the laser resonator via the second output beam.
  • the first modulator and the second modulator can be controllable modulators.
  • the laser device can also include a control device.
  • the control device can be designed to control the first modulator and the second modulator independently of one another.
  • the independent control of the respective modulators has the advantage that the power of the respective output beams can be adjusted individually. This allows the beam properties of the respective output beams to be optimized.
  • the control device can comprise a microcontroller or a processor.
  • the first modulator and / or the second modulator can be an acousto-optical modulator, an electro-optical modulator, a frustrated total reflection switch or a mechanically moved wave plate.
  • control device can be designed to control the first controllable modulator and the second controllable modulator and the pump power of the laser in such a way that, in continuous operation, a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator into the first output beam or into the second output beam is constant, or in pulsed operation during the pulse generation of each individual pulse over several pulses a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator in the first output beam or in the second output beam is constant.
  • This has the advantage that the beam properties of the respective output beams can be optimized.
  • the total degree of coupling of the respective modulators can be through
  • T oc 1 ⁇ (1 - ⁇ 1 ) 2 * (1 ⁇ ⁇ 2 ) 2 with double passage of the laser radiation through the first modulator and the second modulator per cycle or during one cycle of the resonator, for example in a standing wave resonator, if each Passage on the way there and back leads to a decoupling, or through
  • T oc 1 ⁇ (1 - ⁇ 1 ) * (1 ⁇ ⁇ 2 ) with a single passage of the laser radiation through the first modulator and the second modulator per cycle or during one cycle of the resonator, for example in a ring resonator.
  • ⁇ 1 is the proportion of the power coupled out into the first output beam during a modulator passage.
  • ⁇ 2 is the proportion of the power coupled out into the second output beam during a modulator passage.
  • a suitable choice of ⁇ 1 and ⁇ 2 has the advantage that the laser resonator can be kept in its mean operating point.
  • the first modulator and the second modulator can be acted upon by the laser mode one after the other in the running direction or circumferential direction of a laser mode in the laser resonator without passing through the laser medium and / or when passing through the Laser radiation through the first modulator or the second modulator, the first modulator and the second modulator in the running direction or circumferential direction of a laser mode in the laser resonator are acted upon one after the other with the laser mode traversing the laser medium.
  • the laser resonator can additionally have further decoupling points, for example for measurement and control purposes, or due to unavoidable losses L.
  • the laser device can furthermore have a detection device for detecting an effective inversion of the laser medium.
  • the control device can also be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected effective inversion of the laser medium. This has the advantage that a desired inversion of the laser medium can be set.
  • the detection device can be designed to detect fluorescence of the laser medium and to determine the effective inversion of the laser medium on the basis of the detected fluorescence of the laser medium. This has the advantage that the effective inversion of the laser medium can be determined particularly precisely.
  • the control device can also be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected fluorescence.
  • the detection device can be designed to detect laser radiation from the laser medium and to determine the effective inversion of the laser medium on the basis of the detected laser radiation from the laser medium. This has the advantage that the effective inversion of the laser medium can be determined particularly precisely.
  • the control device can also be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected laser radiation.
  • the detection device can be designed to detect a beam position or beam divergence of the laser radiation of the laser medium and to determine a beam position or beam divergence of the laser radiation of the laser medium on the basis of the detected laser radiation of the laser medium. This has the advantage that the one beam position or beam divergence of the laser radiation of the laser medium can be determined particularly precisely.
  • the laser device can also have a detection device for detecting a laser power.
  • the control device can also be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected laser power.
  • the laser device can have a detection device for detecting a beam position or a beam divergence of the laser radiation.
  • the control device can be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected beam position or beam divergence.
  • the respective modulators can be arranged in the laser resonator in such a way that the respective modulators in the laser resonator are acted upon one after the other by laser radiation circulating in the laser resonator without passing through the laser medium.
  • the laser resonator can have a mirror.
  • the first modulator and the second modulator can be arranged between the laser medium and the mirror.
  • the mirror can spatially delimit the laser resonator.
  • the mirror can have a reflectivity of more than 80%, preferably more than 90%, preferably more than 95%, preferably more than 99%.
  • the mirror can be a highly reflective mirror with a reflectivity of more than 99.9%.
  • Optical elements for example lenses, beam splitters, etalons, filters, polarizers or retardation plates, can be arranged between the mirror and the first or the second modulator or the laser medium.
  • the respective modulators can be arranged on different sides of the laser medium.
  • the laser resonator can have a first mirror and a second mirror.
  • the laser medium can be arranged between the first mirror and the second mirror.
  • the first modulator can be arranged between the laser medium and the first mirror.
  • the second modulator can be arranged between the laser medium and the second mirror.
  • the respective mirrors can spatially delimit the laser resonator.
  • the respective mirrors can have a reflectivity of more than 80%, preferably more than 90%, preferably more than 95%, preferably more than 99%.
  • the respective mirrors can be highly reflective mirrors with a reflectivity of more than 99.9%.
  • the respective mirrors, the laser medium and the respective modulators can lie on a common straight line.
  • the laser device comprises a laser resonator which has a laser medium, a first controllable modulator which is arranged in the laser resonator and which is designed to couple a first output beam from the laser resonator, and a second controllable modulator which is in the laser resonator is arranged, and which is designed to couple a second output beam from the laser resonator.
  • the method comprises controlling the first controllable modulator and the second controllable modulator and / or the laser pump power in such a way that, in continuous operation, a total decoupling rate of laser radiation from the laser resonator into the first output beam and into the second output beam is constant, or in the pulsed mode During the pulse generation of each individual pulse over several pulses, a total decoupling rate of laser radiation from the laser resonator into the first output beam and into the second output beam is constant or that a pulse duration of the first output beam or the second output beam is constant.
  • the method can also detect an effective inversion of the laser medium or fluorescence or laser radiation or laser power or a beam position or beam divergence of the laser radiation of the laser medium and control the first controllable modulator and / or the second controllable modulator and / or the pump power of the laser based on the detected effective inversion of the laser medium or the fluorescence or the laser radiation or the laser power or the beam position or the beam divergence of the laser radiation of the laser medium.
  • FIGS. 1a to 1c laser devices according to different exemplary embodiments
  • FIGS. 2a to 2e laser resonators according to further exemplary embodiments
  • FIGS. 4a and 4b laser resonators according to further exemplary embodiments.
  • Figure 5 a functional principle of a frustrated total reflection
  • FIGS. 1a to 1c show laser devices according to different exemplary embodiments.
  • the laser devices each have a laser resonator 1 which is delimited by a mirror 2.
  • Laser resonator 1 is a ring resonator while the laser resonators 1 shown in FIGS. 1b and 1c are linear resonators or standing wave resonators.
  • a laser medium 3, a first modulator 4 and a second modulator 5 are arranged in each of the laser resonators 1.
  • the first modulator 4 is designed to couple a first output beam 6 from the laser resonator 1.
  • the second modulator 5 is designed to couple a second output beam 7 from the laser resonator 1.
  • the respective modulators 4, 5 couple the respective output beams 6, 7 from the laser radiation 8 located in the laser resonator 1.
  • the laser radiation 8 is reflected by the mirrors 2.
  • the mirrors 2 can each have a reflectivity of more than 80%, preferably of more than 90%, preferably of more than 95%, preferably of more than 99%.
  • the mirrors 2 are highly reflective mirrors with a reflectivity of more than 99.9%.
  • the first modulator 4 and the second modulator 5 are each arranged between the laser medium 3 and the mirror 2-1, while the first modulator 4 in the laser resonator 1 shown in FIG is arranged between the mirror 2-2 and the laser medium 3 and the second modulator 5 between the laser medium 3 and the mirror 2-1.
  • the laser medium 3 and the respective modulators 4, 5 are arranged on a common straight line.
  • the laser radiation 8 can form a standing wave between the mirrors 2, while in the laser resonator 1 shown in FIG.
  • the direction of rotation 9 can be determined by further, not shown elements in the laser resonator 1 or by external injection.
  • the respective modulators 4, 5 can be acousto-optical modulators. In this case, for example, forming the diffracted by the acoustic wave in the respective acousto-optical modulator beam to the respective coupled-out output beam 6, 7. The proportion of the coupled power ⁇ 1 for the first output beam 6, as a channel 1, by suitable choice of the acoustic power of the modulator can be set.
  • the respective modulators 4, 5 can be electro-optical modulators (EOM) consisting of an electro-optical cell and at least one polarizing beam splitter.
  • EOM electro-optical modulators
  • the combination of one EOM with the beam splitter each forms an adjustable decoupling ⁇ 1 for the laser radiation 8 passing through this EOM when it hits the respective beam splitter, for example for the first output beam 6.
  • the respective decoupled portion represents one of the two output radiate 6, 7 or output channels.
  • the portion transmitted by the beam splitter or the reflected portion can be the decoupled portion.
  • the first output beam 6 forms a channel 1 and the second output beam 7 forms a channel 2.
  • at least one of the two modulators 4, 5 or both are first activated in such a way that there is sufficient one large overall decoupling occurs, so that the laser resonator 1 does not start to oscillate and during this time inversion is built up in the laser medium 3 by pumping. This can also be achieved by controlling only one of the modulators 4, 5.
  • the effective inversion increases as a function of the residual inversion of the laser medium 3 that may exist before the pumping process of the laser medium 3 due to the pumping process:
  • ⁇ a is the spectroscopic absorption cross-section and ⁇ e is the spectroscopic emission cross-section of the laser transition, R p is the pumping rate, ⁇ f is the fluorescence lifetime and (N) is the mean concentration of the laser-active dopant in the laser medium 3.
  • the effective inversion results mathematically by shifting the population inversion around a value that depends on the spectroscopic cross sections and the mean active concentration:
  • the laser device thus runs in a manner comparable to a normal, Q-switched laser and generates a pulse with the pulse duration
  • ⁇ c is the photon lifetime in the laser resonator
  • ⁇ (r) the extraction efficiency and the ratio of the logarithmic gain when the pulse is triggered for logarithmic amplification of a comparable continuous wave laser at the laser threshold g th (threshold amplification)
  • P 2 ⁇ 2 (1 - ⁇ 1 ) P inc, 1 (t)
  • P inc, 1 (t) is the power that falls over the pulse and varies over time within the laser resonator 1 on the modulator 4 for channel 1. So the circumstances are regardless of the pulse shape P inc, 1 (t).
  • the corresponding ratio ⁇ of the output power and pulse energy between the two output channels or output beams 6, 7 can thus be freely set with a constant total pulse energy and pulse duration from pulse to pulse. If the modulators 4, 5 were controlled and responded quickly, it would even be possible to change the distribution during a pulse. The component that is complementary to the power emitted in channel 1 is then always emitted in the other channel.
  • decoupling points or modulators 4, 5 are on different sides of the laser medium 3, for example, the decoupling point for channel 1 or the first modulator 4, then the laser medium 3 and then the decoupling point for channel 2 or the second, is first in the direction of rotation 9 Applied to modulator 5 or, for example, in the laser resonator 1 shown in FIG. 1c, applies
  • the amplification G (t) which is time-dependent over a pulse, also determines the time profile of the power P 2 emitted in channel 2. In this case it would be
  • the laser resonator 1 shown in FIG. 2d is a unidirectional ring resonator.
  • the direction of rotation 9 in the laser resonator 1 is set here by an optical isolator 15 arranged in the laser resonator 1.
  • the laser resonator 1 shown in FIG. 2e differs from the laser resonator 1 shown in FIG. 2d in that, instead of the optical isolator 15, at least one of the mirrors 16 is arranged on the polarizers 11 to move around the direction of rotation 9 or a unidirectional direction of rotation force.
  • FIGS. 3a to 3f show laser resonators 1 according to further exemplary embodiments.
  • the laser resonators 1 shown in FIGS. 3 a to 3 f can be designed in a manner similar to the laser resonators described in connection with FIGS. 1 a to 1 c.
  • the first modulator 4 is formed by an acousto-optical modulator 17-1 and a further mirror 16-1.
  • the second modulator 5 is formed by an acousto-optical modulator 17-2 and a further mirror 16-2.
  • the respective modulators 4, 5 are arranged on the same side of the laser medium 3, while in the laser resonator 1 shown in FIG Modulators 4, 5 are arranged on different sides of the laser medium 3.
  • a device can be realized in which there are four output channels.
  • the two channels generated by the first modulator are complementary to the two channels generated by the second modulator.
  • the two channels of each modulator have a different output, depending on the degree of decoupling of the respective modulator. Depending on the application, this can be an advantage.
  • the radius of the spherical mirror 18-2 corresponds to the distance between the spherical mirror 18-2 and the acousto-optical modulator 17-2 in such a way that the diffracted beam is reflected back into itself regardless of the diffraction angle.
  • the acousto-optical modulator 17-1 and the spherical mirror 18-1 form the first modulator 4, while the acousto-optical modulator 17-2 and the spherical mirror 18-2 form the second modulator 5.
  • the spherical mirrors 18 can be highly reflective mirrors, for example mirrors with a reflectivity of more than 99%.
  • the laser resonator 1 shown in FIG. 3d differs from the laser resonator 1 shown in FIG. 3b in that the acousto-optical modulator 17-2 is spaced from a common straight line on which the laser medium 3 and the acousto-optical modulator 17-1 are arranged, is arranged.
  • the laser resonator 1 shown in FIG. 3e differs from the laser resonator 1 shown in FIG. 3a in that the laser resonator 1 shown in FIG. 3e is designed as a unidirectional ring resonator with an optical isolator 15.
  • the laser resonator 1 shown in FIG. 3f differs from that in FIG Figure 3d laser resonator 1 shown in that the laser resonator 1 shown in Figure 3f is designed as a unidirectional ring resonator.
  • orders 19 of the diffracted laser beams are shown in FIG. 3f.
  • the laser resonators 1 shown in FIGS. 3d and 3f have the advantage that the 1st order diffracted by the acousto-optical modulator 17-1 is reduced by the acousto-optical modulator 17-2 from the -1. Order is bent again into the 0th order. As a result, the frequency shifts caused by the diffraction carried out in the acousto-optical modulators 17-1, 17-2 can cancel each other out. As a result, the light circulating in the laser resonator 1 does not experience any frequency shift.
  • FIGS. 4a and 4b show laser resonators 1 according to further exemplary embodiments.
  • the laser resonators 1 shown in FIGS. 4a and 4b can be designed similarly to the laser resonators described in connection with FIGS. 1a to 1c.
  • the first modulator 4 is formed by a frustrated total reflection switch 20-1 and a further mirror 16-1.
  • the second modulator 5 is formed by a frustrated total reflection switch 20-2 and a further mirror 16-2.
  • the laser resonator 1 shown in FIG. 4a is designed as a linear resonator
  • the laser resonator 1 shown in FIG. 4b is designed as a unidirectional ring resonator.
  • the direction of rotation 9 results automatically from self-injection by the further mirror 16.

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Abstract

The present invention relates to a laser apparatus and a method for controlling a laser apparatus. The laser apparatus comprises a laser resonator (1) which has a laser medium (3). In addition, the laser apparatus comprises a first modulator (4) which is arranged in the laser resonator (1) and which is designed to decouple a first output beam (6) from the laser resonator (1). The laser apparatus furthermore comprises a second modulator (5) which is arranged in the laser resonator (1) and which is designed to decouple a second output beam (7) from the laser resonator (1).

Description

Laservorrichtung und Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung Laser device and method for controlling a laser device
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung und ein Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. The present invention relates to a laser device and a method for controlling a laser device according to the independent claims.
Für Anwendungen im Bereich optronischer Gegenmaßnahmen mit Lasern, der Laserkommunikation und der Laser-Materialbearbeitung ist es häufig wün- schenswert, eine entsprechend einem elektronischen Vorgabesignal ge- wünschte zeitlich variable mittlere Leistung und Pulsenergie abzustrahlen und auf zum Beispiel zwei Ausgangsstrahlen, wie zwei Kanäle, aufzuteilen. Dazu könnte eine gütegeschaltete Laserquelle in ihrer Ausgangsleistung und Pulse- nergie von Puls zu Puls variabel einstellbar sein. Eine gütegeschaltete Laser- quelle weist jedoch häufig keine gleichzeitig unabhängig von der gewählten mittleren Ausgangsleistung, Repetitionsrate oder Pulsenergie eine stabile Strahllage und Divergenz auf, welche von Puls zu Puls nicht schwankt. For applications in the field of optronic countermeasures with lasers, laser communication and laser material processing, it is often desirable to emit a time-variable mean power and pulse energy, as desired in accordance with an electronic specification signal, and to split it into, for example, two output beams, such as two channels . In addition a Q-switched laser source could be variably adjustable in its output power and pulse energy from pulse to pulse. However, 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, repetition rate or pulse energy.
Um die Strahleigenschaften, wie Lage, Divergenz und/oder Strahlqualität, nicht zu verändern wird die gütegeschaltete Laserquelle häufig bei konstanter Leis- tung im repetierenden Dauerbetrieb betrieben. Die Laserleistung und damit Pulsenergie wird im Nachhinein durch einen in den Ausgangsstrahl eingebrach- ten Modulator in ihrer Amplitude abgeschwächt, wodurch die gewünschte In- tensitätsmodulation auf den Ausgangsstrahl aufgeprägt wird. Der dazu komple- mentäre Anteil erscheint dabei im zweiten vom Modulator erzeugten Strahl, beispielsweise eine zweite Polarisation bei einem elektrooptischen Modulator oder ein gebeugter Anteil bei einem akustooptischen Modulator. In order not to change the beam properties, such as position, divergence and / or beam quality, the Q-switched laser source is often operated with constant power in continuous, repetitive operation. The laser power and thus the pulse energy is subsequently attenuated in its amplitude by a modulator introduced into the output beam, whereby the desired intensity modulation is impressed on the output beam. The component complementary to this appears in the second beam generated by the modulator, for example a second polarization in an electro-optical modulator or a diffracted portion in an acousto-optical modulator.
Eine derartige gütegeschaltete Laserquelle arbeitet jedoch häufig bei voller Leistung, wodurch ein hoher Energieverbrauch und die Notwendigkeit eines entsprechenden Abwärmemanagements mit zusätzlichem Leistungs- und Platzbedarf entstehen kann. Zudem kann der Modulator im Ausgangsstrahl je nach thermischer Belastung, insbesondere bei sich variierenden Modulations- formaten, eine Strahllageänderung hervorrufen. Laserpulsdauer und Spitzen- leistung hängen im gütegeschalteten Betrieb ferner signifikant von der gewähl- ten Repetitionsrate ab, weshalb diese oft festgelegt wird. Such a Q-switched laser source, however, often works at full power, which can result in high energy consumption and the need for a corresponding waste heat management with additional power and space requirements. In addition, the modulator in the output beam can cause a change in the beam position depending on the thermal load, in particular with varying modulation formats. In Q-switched operation, the laser pulse duration and peak power also depend significantly on the selected repetition rate, which is why this is often fixed.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine verbesserte Laservorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung zu schaffen, mit denen eine Reduzierung der beim Erzeugen eines Laserstrahls entstehenden Abwärme und/oder eine Optimierung der Strahleigenschaften des erzeugten Laserstrahls erreicht werden kann. The object of the invention is thus to create an improved laser device and an improved method for controlling a laser device, with which a reduction in the waste heat generated when generating a laser beam and / or an optimization of the beam properties of the generated laser beam can be achieved.
Diese Aufgabe wird durch eine Laservorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung gemäß Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen An- sprüchen beschrieben. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass in einem Laserresonator zwei Modulatoren anordnet werden, und je nach gewünschter Leistungsverteilung auf die Kanäle, Pulsenergie und Pulsdauer diese Modulatoren spezifisch angesteuert werden. Mit einem derartigen Laserresonator können zwei Ausgangsstrahlen, welche Kanäle bilden können, erzeugt werden. Ein erster Ausgangsstrahl kann ein für die konkrete Anwendung, beispielsweise im Bereich optronischer Gegenmaß- nahmen mit Lasern, der Laserkommunikation und der Laser-Materialbearbei- tung, zu verwendender Nutzstrahl sein, welcher vorgegebene Strahleigenschaf- ten aufweist. Zudem kann über den zweiten Ausgangsstrahl überschüssige La- serleistung aus dem Laserresonator ausgekoppelt werden, um den Laserre- sonator in seinem mittleren Arbeitspunkt zu halten und/oder die vorgegebenen Strahleigenschaften des Nutzstrahls zu gewährleisten. Es können auch beide Ausgangsstrahlen in der konkreten Anwendung zu verwendende Nutzstrahlen darstellen. This object is achieved by a laser device according to claim 1 and a method for controlling a laser device according to claim 20. Advantageous refinements and developments are described in the dependent claims. The present invention is based on the knowledge that the above object can be achieved by arranging two modulators in a laser resonator, and depending on the desired power distribution on the channels, pulse energy and pulse duration, these modulators are specifically controlled. With a laser resonator of this type, two output beams which can form channels can be generated. A first output beam can be a useful beam to be used for the specific application, for example in the area of optronic countermeasures with lasers, laser communication and laser material processing, which beam has predetermined beam properties. In addition, excess laser power can be decoupled from the laser resonator via the second output beam in order to keep the laser resonator in its middle operating point and / or to ensure the specified beam properties of the useful beam. Both output beams can also represent useful beams to be used in the specific application.
Erfindungsgemäß wird eine Laservorrichtung bereitgestellt. Die Laservorrich- tung umfasst einen Laserresonator. Der Laserresonator weist ein Lasermedium auf. Zudem umfasst die Laservorrichtung einen ersten Modulator. Der erste Modulator ist in dem Laserresonator angeordnet. Ferner ist der erste Modula- tor ausgebildet, einen ersten Ausgangsstrahl aus dem Laserresonator auszu- koppeln. Zudem umfasst die Laservorrichtung einen zweiten Modulator. Der zweite Modulator ist in dem Laserresonator angeordnet. Ferner ist der zweite Modulator ausgebildet, einen zweiten Ausgangsstrahl aus dem Laserresonator auszukoppeln. Da die beiden Ausgangsstrahlen Kanäle bilden können, können sie insbesondere aus der Laservorrichtung ausgekoppelt werden, beispiels- weise aus einem Gehäuse der Laservorrichtung austreten. According to the invention, a laser device is provided. The laser device comprises a laser resonator. The laser resonator has a laser medium. In addition, the laser device comprises a first modulator. The first modulator is arranged in the laser resonator. Furthermore, the first modulator is designed to couple a first output beam from the laser resonator. In addition, the laser device comprises a second modulator. The second modulator is arranged in the laser resonator. Furthermore, the second modulator is designed to couple a second output beam from the laser resonator. Since the two output beams can form channels, they can in particular be decoupled from the laser device, for example emerge from a housing of the laser device.
Der Laserresonator kann ein linearer Resonator oder ein Ringresonator sein. Ferner kann der Laserresonator zumindest zwei Spiegel aufweisen, welche den Laserresonator räumlich begrenzen und eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweisen. Beispielsweise sind die Spiegel hochreflektie- rende Spiegel mit einer Reflektivität von mehr als 99,9%. Das Lasermedium kann zwischen zwei Spiegeln des Laserresonators angeord- net sein. Ferner kann das Lasermedium ein laseraktives Medium sein. Zudem kann das Lasermedium ein Festkörper, beispielsweise ein dotierter Kristall oder ein dotiertes Glas, eine dotierte lichtführende Faser, eine Flüssigkeit, beispiels- weise eine Farbstofflösung, oder ein Gas sein. The laser resonator can be a linear resonator or a ring resonator. Furthermore, the laser resonator can have at least two mirrors which spatially delimit the laser resonator and have a reflectivity of more than 80%, preferably more than 90%, preferably more than 95%, preferably more than 99%. For example, the mirrors are highly reflective mirrors with a reflectivity of more than 99.9%. The laser medium can be arranged between two mirrors of the laser resonator. Furthermore, the laser medium can be a laser-active medium. In addition, the laser medium can be a solid, for example a doped crystal or a doped glass, a doped light-guiding fiber, a liquid, for example a dye solution, or a gas.
Der erste Modulator und der zweite Modulator können jeweils ausgebildet sein, die jeweiligen Ausgangsstrahlen durch Ablenkung von Laserstrahlung aus dem Laserresonator auszukoppeln. Ferner kann der erste Ausgangsstrahl und/oder der zweite Ausgangsstrahl ein Laserpuls oder ein Dauerstrich-Laser- strahl sein. Beispielsweise kann der erste Ausgangsstrahl ein in der konkreten Anwendung zu verwendender Nutzstrahl sein während über den zweiten Aus- gangsstrahl überschüssige Leistung aus dem Laserresonator ausgekoppelt wird. The first modulator and the second modulator can each be designed to couple the respective output beams out of the laser resonator by deflecting laser radiation. Furthermore, the first output beam and / or the second output beam can be a laser pulse or a continuous wave laser beam. For example, the first output beam can be a useful beam to be used in the specific application, while excess power is coupled out of the laser resonator via the second output beam.
Der erste Modulator und der zweite Modulator können steuerbare Modulato- ren sein. Zudem kann die Laservorrichtung ferner eine Steuereinrichtung um- fassen. Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, den ersten Modulator und den zweiten Modulator unabhängig voneinander zu steuern. Durch die unab- hängige Steuerung der jeweiligen Modulatoren wird der Vorteil erreicht, dass die Leistung der jeweiligen Ausgangsstrahlen individuell eingestellt werden kann. Hierdurch können die Strahleigenschaften der jeweiligen Ausgangsstrah- len optimiert werden. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung einen Mikrokontroller oder einen Prozessor umfassen. The first modulator and the second modulator can be controllable modulators. In addition, the laser device can also include a control device. The control device can be designed to control the first modulator and the second modulator independently of one another. The independent control of the respective modulators has the advantage that the power of the respective output beams can be adjusted individually. This allows the beam properties of the respective output beams to be optimized. For example, the control device can comprise a microcontroller or a processor.
Der erste Modulator und/oder der zweite Modulator kann ein akustooptischer Modulator, ein elektrooptischer Modulator, ein Frustrierte-Totalreflexion- Schalter oder eine mechanisch bewegte Wellenplatte sein. The first modulator and / or the second modulator can be an acousto-optical modulator, an electro-optical modulator, a frustrated total reflection switch or a mechanically moved wave plate.
Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, den ersten Modulator und den zweiten Modulator derart zu steuern, dass im kontinuierlichen Betrieb ein Ge- samtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ers- ten Ausgansstrahl und in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist, oder im ge- pulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laser- resonator in den ersten Ausgansstrahl und in den zweiten Ausgangsstrahl kon- stant ist oder dass eine Pulsdauer des ersten Ausgansstrahls oder des zweiten Ausgangsstrahls konstant ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrich- tung ausgebildet sein, den ersten steuerbaren Modulator und den zweiten steuerbaren Modulator und die Pumpleistung des Lasers derart zu steuern, dass im kontinuierlichen Betrieb eine Strahllage oder Strahldivergenz von La- serstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl oder in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl oder in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Strahleigenschaften der jeweiligen Ausgangsstrah- len optimiert werden können. The control device can be designed to control the first modulator and the second modulator in such a way that a total decoupling rate of laser radiation from the laser resonator into the first output beam and into the second output beam is constant in continuous operation, or in pulsed operation During the pulse generation of each individual pulse over several pulses, a total decoupling degree of laser radiation from the laser resonator into the first output beam and into the second output beam is constant or that a pulse duration of the first output beam or the second Output beam is constant. Alternatively or additionally, the control device can be designed to control the first controllable modulator and the second controllable modulator and the pump power of the laser in such a way that, in continuous operation, a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator into the first output beam or into the second output beam is constant, or in pulsed operation during the pulse generation of each individual pulse over several pulses a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator in the first output beam or in the second output beam is constant. This has the advantage that the beam properties of the respective output beams can be optimized.
Der Gesamtauskopplungsgrad der jeweiligen Modulatoren kann durchThe total degree of coupling of the respective modulators can be through
Toc = 1 ̶ (1 - ρ1)2 * (1 ̶ ρ2)2 bei Doppel-Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator und den zweiten Modulator pro Umlauf oder während eines Resonatorumlaufs, bei- spielsweise in einem Stehwellenresonator, sofern jeder Durchgang auf Hin- und Rückweg zu einer Auskopplung führt, oder durch T oc = 1 ̶ (1 - ρ 1 ) 2 * (1 ̶ ρ 2 ) 2 with double passage of the laser radiation through the first modulator and the second modulator per cycle or during one cycle of the resonator, for example in a standing wave resonator, if each Passage on the way there and back leads to a decoupling, or through
Toc = 1 ̶ (1 - ρ1) * (1 ̶ ρ2) bei Einfach-Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator und den zweiten Modulator pro Umlauf oder während eines Resonatorumlaufs, bei- spielsweise in einem Ringresonator, gegeben sein. Hierbei ist ρ1 der Anteil der bei einem Modulatordurchgang in den ersten Ausgangsstrahl ausgekoppelten Leistung. Ferner ist ρ2 der Anteil der bei einem Modulatordurchgang in den zweiten Ausgangsstrahl ausgekoppelten Leistung. Durch geeignete Wahl von ρ1 und ρ2 wird der Vorteil erreicht, dass der Laserresonator in seinem mittleren Arbeitspunkt gehalten werden kann. Beispielsweise können bei Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator und den zweiten Modulator der erste Modulator und der zweite Modulator in Laufrichtung oder Umlaufrich- tung einer Lasermode in dem Laserresonator nacheinander ohne Durchque- rung des Lasermediums durch die Lasermode beaufschlagt werden und/oder bei Durchgang der Laserstrahlung durch den ersten Modulator oder den zwei- ten Modulator der erste Modulator und der zweite Modulator in Laufrichtung oder Umlaufrichtung einer Lasermode in dem Laserresonator nacheinander mit Durchquerung des Lasermediums durch die Lasermode beaufschlagt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann der Laserresonator zusätzlich noch wei- tere Auskoppelstellen aufweisen, beispielsweise zu Mess- und Regelzwecken, oder durch unvermeidbare Verluste L. T oc = 1 ̶ (1 - ρ 1 ) * (1 ̶ ρ 2 ) with a single passage of the laser radiation through the first modulator and the second modulator per cycle or during one cycle of the resonator, for example in a ring resonator. Here, ρ 1 is the proportion of the power coupled out into the first output beam during a modulator passage. Furthermore, ρ 2 is the proportion of the power coupled out into the second output beam during a modulator passage. A suitable choice of ρ 1 and ρ 2 has the advantage that the laser resonator can be kept in its mean operating point. For example, when the laser radiation passes through the first modulator and the second modulator, the first modulator and the second modulator can be acted upon by the laser mode one after the other in the running direction or circumferential direction of a laser mode in the laser resonator without passing through the laser medium and / or when passing through the Laser radiation through the first modulator or the second modulator, the first modulator and the second modulator in the running direction or circumferential direction of a laser mode in the laser resonator are acted upon one after the other with the laser mode traversing the laser medium. According to one embodiment, the laser resonator can additionally have further decoupling points, for example for measurement and control purposes, or due to unavoidable losses L.
Die Laservorrichtung kann ferner eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen ei- ner effektiven Inversion des Lasermediums aufweisen. Zudem kann die Steuer- einrichtung ferner ausgebildet sein, den ersten Modulator und/oder den zwei- ten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten effektiven Inversion des Lasermediums zu steuern. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass eine gewünschte Inversion des Lasermediums eingestellt werden kann. The laser device can furthermore have a detection device for detecting an effective inversion of the laser medium. In addition, the control device can also be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected effective inversion of the laser medium. This has the advantage that a desired inversion of the laser medium can be set.
Die Erfassungseinrichtung kann ausgebildet sein, eine Fluoreszenz des Laser- mediums zu erfassen und die effektive Inversion des Lasermediums auf Basis der erfassten Fluoreszenz des Lasermediums zu bestimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die effektive Inversion des Lasermediums besonders ge- nau bestimmt werden kann. Zudem kann die Steuereinrichtung ferner ausge- bildet sein, den ersten Modulator und/oder den zweiten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten Fluoreszenz zu steuern. The detection device can be designed to detect fluorescence of the laser medium and to determine the effective inversion of the laser medium on the basis of the detected fluorescence of the laser medium. This has the advantage that the effective inversion of the laser medium can be determined particularly precisely. In addition, the control device can also be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected fluorescence.
Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung ausgebildet sein, eine Laserstrahlung des Lasermediums zu erfassen und die effektive Inversion des Lasermediums auf Basis der erfassten Laserstrahlung des Lasermediums zu be- stimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die effektive Inversion des La- sermediums besonders genau bestimmt werden kann. Zudem kann die Steuer- einrichtung ferner ausgebildet sein, den ersten Modulator und/oder den zwei- ten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten Laserstrah- lung zu steuern. Alternatively or additionally, the detection device can be designed to detect laser radiation from the laser medium and to determine the effective inversion of the laser medium on the basis of the detected laser radiation from the laser medium. This has the advantage that the effective inversion of the laser medium can be determined particularly precisely. In addition, the control device can also be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected laser radiation.
Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung ausgebildet sein, eine Strahllage oder Strahldivergenz der Laserstrahlung des Lasermediums zu erfas- sen und eine Strahllage oder Strahldivergenz der Laserstrahlung des Laserme- diums auf Basis der erfassten Laserstrahlung des Lasermediums zu bestimmen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die eine Strahllage oder Strahldivergenz der Laserstrahlung des Lasermediums besonders genau bestimmt werden kann. Die Laservorrichtung kann ferner eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen ei- ner Laserleistung aufweisen. Zudem kann die Steuereinrichtung ferner ausge- bildet sein, den ersten Modulator und/oder den zweiten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten Laserleistung zu steuern. Beispiels- weise kann die erfasste Laserleistung eine Leistung des ersten Ausgangsstrahls, eine Leistung des zweiten Ausgangsstrahls oder eine Leistung eines an einer weiteren Auskopplungsstelle, wie einem Auskoppelspiegel, des Laserresona- tors ausgekoppelten Laserstrahls sein. Alternatively or additionally, the detection device can be designed to detect a beam position or beam divergence of the laser radiation of the laser medium and to determine a beam position or beam divergence of the laser radiation of the laser medium on the basis of the detected laser radiation of the laser medium. This has the advantage that the one beam position or beam divergence of the laser radiation of the laser medium can be determined particularly precisely. The laser device can also have a detection device for detecting a laser power. In addition, the control device can also be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected laser power. For example, the detected laser power can be a power of the first output beam, a power of the second output beam or a power of a laser beam decoupled at a further decoupling point, such as a decoupling mirror, of the laser resonator.
Alternativ oder zusätzlich kann die Laservorrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Strahllage oder einer Strahldivergenz der Laserstrahlung aufweisen. Ferner kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, den ersten Mo- dulator und/oder den zweiten Modulator und/oder die Pumpleistung auf Basis der erfassten Strahllage oder Strahldivergenz zu steuern. Alternatively or additionally, the laser device can have a detection device for detecting a beam position or a beam divergence of the laser radiation. Furthermore, the control device can be designed to control the first modulator and / or the second modulator and / or the pump power on the basis of the detected beam position or beam divergence.
Der Laserresonator kann einen Auskoppelspiegel aufweisen, der eine Reflekti- vität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweist. Zudem kann die Erfas- sungseinrichtung ausgebildet sein, die durch den Auskoppelspiegel ausgekop- pelte Leistung zu erfassen und somit die Laserleistung oder eine Strahllage oder eine Strahldivergenz der Laserstrahlung auf Basis der erfassten ausgekoppelten Leistung zu bestimmen. Der Auskoppelspiegel kann ein den Laserresonator be- grenzender Spiegel oder ein in dem Laserresonator angeordneter Umlenkspie- gel oder ein in dem Laserresonator angeordneter Strahlteiler oder in dem La- serresonator angeordneter Polarisator sein. The laser resonator can have a coupling-out mirror which has a reflectivity of more than 80%, preferably more than 90%, preferably more than 95%, preferably more than 99%. In addition, the detection device can be designed to detect the power decoupled by the output mirror and thus to determine the laser power or a beam position or a beam divergence of the laser radiation on the basis of the detected output power. The coupling-out mirror can be a mirror delimiting the laser resonator or a deflecting mirror arranged in the laser resonator or a beam splitter arranged in the laser resonator or a polarizer arranged in the laser resonator.
Die jeweiligen Modulatoren können derart in dem Laserresonator angeordnet sein, dass die jeweiligen Modulatoren in dem Laserresonator durch in dem La- serresonator umlaufende Laserstrahlung nacheinander ohne Durchquerung des Lasermediums beaufschlagt werden. The respective modulators can be arranged in the laser resonator in such a way that the respective modulators in the laser resonator are acted upon one after the other by laser radiation circulating in the laser resonator without passing through the laser medium.
Der Laserresonator kann einen Spiegel aufweisen. Zudem können der erste Mo- dulator und der zweite Modulator zwischen dem Lasermedium und dem Spie- gel angeordnet sein. Der Spiegel kann den Laserresonator räumlich begrenzen. Der Spiegel kann eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% auf- weisen. Beispielsweise kann der Spiegel ein hochreflektierender Spiegel mit ei- ner Reflektivität von mehr als 99,9% sein. Zwischen dem Spiegel und dem ers- ten oder dem zweiten Modulator oder dem Lasermedium können optische Ele- mente, beispielsweise Linsen, Strahlteiler, Etalons, Filter, Polarisatoren oder Verzögerungsplatten, angeordnet sein. The laser resonator can have a mirror. In addition, the first modulator and the second modulator can be arranged between the laser medium and the mirror. The mirror can spatially delimit the laser resonator. The mirror can have a reflectivity of more than 80%, preferably more than 90%, preferably more than 95%, preferably more than 99%. For example, the mirror can be a highly reflective mirror with a reflectivity of more than 99.9%. Optical elements, for example lenses, beam splitters, etalons, filters, polarizers or retardation plates, can be arranged between the mirror and the first or the second modulator or the laser medium.
Der zweite Modulator kann beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher der erste Modulator und das Lasermedium liegen, angeordnet sein. Zudem kann der erste Modulator ferner ausgebildet sein, einen in Richtung des zweiten Modulators gerichteten Laserstrahl zu erzeugen. Des Weiteren kann der zweite Modulator ferner ausgebildet sein, den zweiten Ausgangsstrahl aus dem von dem ersten Modulator erzeugten Laserstrahl zu erzeugen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass durch die Auskopplung der jeweiligen Ausgangs- strahlen erzeugte Frequenzverschiebungen reduziert werden können. The second modulator can be arranged at a distance from a common straight line on which the first modulator and the laser medium lie. In addition, the first modulator can also be designed to generate a laser beam directed in the direction of the second modulator. Furthermore, the second modulator can also be designed to generate the second output beam from the laser beam generated by the first modulator. This has the advantage that frequency shifts generated by coupling out the respective output beams can be reduced.
Die jeweiligen Modulatoren können auf unterschiedlichen Seiten des Laserme- diums angeordnet sein. The respective modulators can be arranged on different sides of the laser medium.
Der Laserresonator kann einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel auf- weisen. Zudem kann das Lasermedium zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel angeordnet sein. Ferner kann der erste Modulator zwischen dem Lasermedium und dem ersten Spiegel angeordnet sein. Des Weiteren kann der zweite Modulator zwischen dem Lasermedium und dem zweiten Spiegel angeordnet sein. Die jeweiligen Spiegel können den Laserresonator räumlich begrenzen. Ferner können die jeweiligen Spiegel eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugs- weise von mehr als 99% aufweisen. Beispielsweise können die jeweiligen Spie- gel hochreflektierende Spiegel mit einer Reflektivität von mehr als 99,9% sein. The laser resonator can have a first mirror and a second mirror. In addition, the laser medium can be arranged between the first mirror and the second mirror. Furthermore, the first modulator can be arranged between the laser medium and the first mirror. Furthermore, the second modulator can be arranged between the laser medium and the second mirror. The respective mirrors can spatially delimit the laser resonator. Furthermore, the respective mirrors can have a reflectivity of more than 80%, preferably more than 90%, preferably more than 95%, preferably more than 99%. For example, the respective mirrors can be highly reflective mirrors with a reflectivity of more than 99.9%.
Die jeweiligen Spiegel, das Lasermedium und die jeweiligen Modulatoren kön- nen auf einer gemeinsamen Geraden liegen. The respective mirrors, the laser medium and the respective modulators can lie on a common straight line.
Mindestens einer der jeweiligen Modulatoren kann derart ausgebildet sein, dass die bei umgekehrtem Umlaufsinn in die dem als Auskoppelkanal definier- ten Ausgansstrahl entgegengesetzte Richtung ausgekoppelte Strahlung in sich zurückreflektiert wird. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Umlaufrich- tung der Lasermode in dem Laserresonator durch die jeweiligen Modulatoren festgelegt werden kann. At least one of the respective modulators can be designed in such a way that the radiation decoupled in the opposite direction of rotation in the direction opposite to the output beam defined as the decoupling channel is reflected back. This has the advantage that the direction of rotation of the laser mode in the laser resonator can be determined by the respective modulators.
Der Laserresonator kann derart ausgebildet sein, dass in einem Resonatorum- lauf das Lasermedium viermal durchlaufen wird. Dadurch kann eine Verstär- kung der Strahlung in dem Laserresonator pro Resonatorumlauf erhöht wer- den. Hierdurch können zudem kürzere Laserpulse ermöglicht werden. The laser resonator can be designed in such a way that the laser medium is traversed four times in one cycle of the resonator. As a result, an amplification of the radiation in the laser resonator can be increased per resonator revolution. This also enables shorter laser pulses to be made possible.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrich- tung bereitgestellt. Die Laservorrichtung umfasst einen Laserresonator, wel- cher ein Lasermedium aufweist, einen ersten steuerbaren Modulator, welcher in dem Laserresonator angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen ers- ten Ausgangsstrahl aus dem Laserresonator auszukoppeln, und einen zweiten steuerbaren Modulator, welcher in dem Laserresonator angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrahl aus dem Laserresonator auszukoppeln. Das Verfahren umfasst Steuern des ersten steuerbaren Modula- tors und des zweiten steuerbaren Modulators und/oder der Laserpumpleistung derart, dass im kontinuierlichen Betrieb eine Gesamtauskopplungsgrad von La- serstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Ausgansstrahl und in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg ein Gesamtaus- kopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Aus- gansstrahl und in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist oder dass eine Puls- dauer des ersten Ausgansstrahls oder des zweiten Ausgangsstrahls konstant ist. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren Steuern des ersten steuerba- ren Modulators und des zweiten steuerbaren Modulators und der Pumpleis- tung des Lasers derart, dass im kontinuierlichen Betrieb eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator in den ersten Aus- gansstrahl oder in den zweiten Ausgangsstrahl konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hin- weg eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserre- sonator in den ersten Ausgansstrahl oder in den zweiten Ausgangsstrahl kon- stant ist. Durch die vorgenannte Steuerung der jeweiligen Modulatoren oder der Pumpleistung des Lasers können die Strahleigenschaften der jeweiligen Ausgangsstrahlen optimiert werden. Ferner kann das Verfahren ein computer- implementiertes Ansteuerverfahren sein, das beispielsweise auf direkten Be- rechnungen oder der Nutzung einer Hash-Tabelle oder der Verwendung künst- licher Intelligenz beruht. According to the invention, a method for controlling a laser device is also provided. The laser device comprises a laser resonator which has a laser medium, a first controllable modulator which is arranged in the laser resonator and which is designed to couple a first output beam from the laser resonator, and a second controllable modulator which is in the laser resonator is arranged, and which is designed to couple a second output beam from the laser resonator. The method comprises controlling the first controllable modulator and the second controllable modulator and / or the laser pump power in such a way that, in continuous operation, a total decoupling rate of laser radiation from the laser resonator into the first output beam and into the second output beam is constant, or in the pulsed mode During the pulse generation of each individual pulse over several pulses, a total decoupling rate of laser radiation from the laser resonator into the first output beam and into the second output beam is constant or that a pulse duration of the first output beam or the second output beam is constant. Alternatively or additionally, the method includes controlling the first controllable modulator and the second controllable modulator and the pump power of the laser in such a way that, in continuous operation, a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator into the first output beam or into the second Output beam is constant, or in pulsed operation during the pulse generation of each individual pulse over several pulses a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator into the first output beam or into the second output beam is constant. Through the aforementioned control of the respective modulators or the pump power of the laser, the beam properties of the respective Output rays are optimized. Furthermore, the method can be a computer-implemented control method based, for example, on direct calculations or the use of a hash table or the use of artificial intelligence.
Das Verfahren kann ferner Erfassen einer effektiven Inversion des Lasermedi- ums oder einer Fluoreszenz oder einer Laserstrahlung oder einer Laserleistung oder einer Strahllage oder Strahldivergenz der Laserstrahlung des Lasermedi- ums und Steuern des ersten steuerbaren Modulators und/oder des zweiten steuerbaren Modulators und/oder der Pumpleistung des Lasers auf Basis der erfassten effektiven Inversion des Lasermediums oder der Fluoreszenz oder der Laserstrahlung oder der Laserleistung oder der Strahllage oder der Strahldiver- genz der Laserstrahlung des Lasermediums umfassen. The method can also detect an effective inversion of the laser medium or fluorescence or laser radiation or laser power or a beam position or beam divergence of the laser radiation of the laser medium and control the first controllable modulator and / or the second controllable modulator and / or the pump power of the laser based on the detected effective inversion of the laser medium or the fluorescence or the laser radiation or the laser power or the beam position or the beam divergence of the laser radiation of the laser medium.
Das Verfahren kann mit der erfindungsgemäßen Laservorrichtung ausgeführt werden. The method can be carried out with the laser device according to the invention.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei- spiele beschrieben. Dazu zeigen: The present invention is described below on the basis of several exemplary embodiments. To do this, show:
Figuren 1a bis 1c: Laservorrichtungen gemäß unterschiedlichen Ausfüh- rungsbeispielen; FIGS. 1a to 1c: laser devices according to different exemplary embodiments;
Figuren 2a bis 2e: Laserresonatoren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; FIGS. 2a to 2e: laser resonators according to further exemplary embodiments;
Figuren 3a bis 3f: Laserresonatoren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; FIGS. 3a to 3f: laser resonators according to further exemplary embodiments;
Figuren 4a und 4b: Laserresonatoren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; und FIGS. 4a and 4b: laser resonators according to further exemplary embodiments; and
Figur 5: ein Funktionsprinzip eines Frustrierte-Totalreflexion-Figure 5: a functional principle of a frustrated total reflection
Schalters. Switch.
Figuren 1a bis 1c zeigen Laservorrichtungen gemäß unterschiedlichen Ausfüh- rungsbeispielen. Die Laservorrichtungen weisen jeweils einen Laserresonator 1 auf, welcher durch Spiegel 2 begrenzt ist. Hierbei ist der in Figur 1a gezeigte Laserresonator 1 ein Ringresonator während die in den Figuren 1b und 1c ge- zeigten Laserresonatoren 1 lineare Resonatoren oder Stehwellenresonatoren sind. In den Laserresonatoren 1 ist jeweils ein Lasermedium 3, ein erster Mo- dulator 4 und ein zweiter Modulator 5 angeordnet. Der erste Modulator 4 ist ausgebildet, einen ersten Ausgangsstrahl 6 aus dem Laserresonator 1 auszu- koppeln. Ferner ist der zweite Modulator 5 ausgebildet, einen zweiten Aus- gangsstrahl 7 aus dem Laserresonator 1 auszukoppeln. Die jeweiligen Modula- toren 4, 5 koppeln die jeweiligen Ausgangsstrahlen 6, 7 aus in dem Laserresona- tor 1 befindlicher Laserstrahlung 8 aus. Die Laserstrahlung 8 wird von den Spie- geln 2 reflektiert. Die Spiegel 2 können jeweils eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugs- weise von mehr als 99% aufweisen. Beispielsweise sind die Spiegel 2 hochre- flektierende Spiegel mit einer Reflektivität von mehr als 99,9%. FIGS. 1a to 1c show laser devices according to different exemplary embodiments. The laser devices each have a laser resonator 1 which is delimited by a mirror 2. Here is that shown in Figure 1a Laser resonator 1 is a ring resonator while the laser resonators 1 shown in FIGS. 1b and 1c are linear resonators or standing wave resonators. A laser medium 3, a first modulator 4 and a second modulator 5 are arranged in each of the laser resonators 1. The first modulator 4 is designed to couple a first output beam 6 from the laser resonator 1. Furthermore, the second modulator 5 is designed to couple a second output beam 7 from the laser resonator 1. The respective modulators 4, 5 couple the respective output beams 6, 7 from the laser radiation 8 located in the laser resonator 1. The laser radiation 8 is reflected by the mirrors 2. The mirrors 2 can each have a reflectivity of more than 80%, preferably of more than 90%, preferably of more than 95%, preferably of more than 99%. For example, the mirrors 2 are highly reflective mirrors with a reflectivity of more than 99.9%.
In den in den Figuren la und lb abgebildeten Laserresonatoren 1 sind der erste Modulator 4 und der zweite Modulator 5 jeweils zwischen dem Lasermedium 3 und dem Spiegel 2-1 angeordnet, während in dem in der Figur 1c abgebilde- ten Laserresonator 1 der erste Modulator 4 zwischen dem Spiegel 2-2 und dem Lasermedium 3 und der zweite Modulator 5 zwischen dem Lasermedium 3 und dem Spiegel 2-1 angeordnet ist. Zudem sind in den in den Figuren 1a bis 1c abgebildeten Laserresonatoren 1 das Lasermedium 3 und die jeweiligen Modu- latoren 4, 5 auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet. Ferner kann in den in den Figuren 1b und 1c abgebildeten Laserresonatoren 1 die Laserstrahlung 8 eine stehende Welle zwischen den Spiegeln 2 bilden während in dem in der Figur 1a abgebildeten Laserresonator 1 die Laserstrahlung 8 in einer Umlauf- richtung 9 oder einem Umlaufsinn umlaufen kann. Die Umlaufrichtung 9 kann durch weitere, nicht abgebildete Elemente in dem Laserresonator 1 oder durch externe Injektion festgelegt werden. In the laser resonators 1 shown in FIGS. 1 a and 1 b, the first modulator 4 and the second modulator 5 are each arranged between the laser medium 3 and the mirror 2-1, while the first modulator 4 in the laser resonator 1 shown in FIG is arranged between the mirror 2-2 and the laser medium 3 and the second modulator 5 between the laser medium 3 and the mirror 2-1. In addition, in the laser resonators 1 shown in FIGS. 1 a to 1 c, the laser medium 3 and the respective modulators 4, 5 are arranged on a common straight line. Furthermore, in the laser resonators 1 shown in FIGS. 1b and 1c, the laser radiation 8 can form a standing wave between the mirrors 2, while in the laser resonator 1 shown in FIG. The direction of rotation 9 can be determined by further, not shown elements in the laser resonator 1 or by external injection.
Gemäß einer Ausführungsform können die jeweiligen Modulatoren 4, 5 akus- tooptische Modulatoren sein. Dabei bildet z.B. der durch die akustische Welle in dem jeweiligen akustooptischen Modulator gebeugte Strahl den jeweiligen ausgekoppelten Ausgangsstrahl 6, 7. Der Anteil der ausgekoppelten Leistung ρ1 für den ersten Ausgangsstrahl 6, wie einen Kanal 1, kann durch geeignete Wahl der akustischen Leistung des Modulators eingestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die jeweiligen Modulatoren 4, 5 elektrooptische Modulatoren (EOM) bestehend aus einer elektrooptischen Zelle und mindestens einem polarisierenden Strahlteiler sein. Dabei bildet die Kombination aus je einem EOM mit dem Strahlteiler jeweils eine einstellbare Auskopplung ρ1 für die diesen EOM durchschreitende Laserstrahlung 8 beim Auftreffen auf den jeweiligen Strahlteiler, beispielsweise für den ersten Aus- gangsstrahl 6. Der jeweils ausgekoppelte Anteil stellt einen der zwei Ausgangs- strahlen 6, 7 oder Ausgangskanäle dar. Dabei kann natürlich je nach Aufbau der vom Strahlteiler transmittierte oder der reflektierte Anteil der ausgekoppelte Anteil sein. According to one embodiment, the respective modulators 4, 5 can be acousto-optical modulators. In this case, for example, forming the diffracted by the acoustic wave in the respective acousto-optical modulator beam to the respective coupled-out output beam 6, 7. The proportion of the coupled power ρ 1 for the first output beam 6, as a channel 1, by suitable choice of the acoustic power of the modulator can be set. According to a further embodiment, the respective modulators 4, 5 can be electro-optical modulators (EOM) consisting of an electro-optical cell and at least one polarizing beam splitter. The combination of one EOM with the beam splitter each forms an adjustable decoupling ρ 1 for the laser radiation 8 passing through this EOM when it hits the respective beam splitter, for example for the first output beam 6. The respective decoupled portion represents one of the two output radiate 6, 7 or output channels. Of course, depending on the structure, the portion transmitted by the beam splitter or the reflected portion can be the decoupled portion.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die jeweiligen Modulatoren 4, 5 die Abstandsänderung zweier optischer Medien benutzen, um durch frustrierte Totalreflektion (Englisch: „frustrated total internal reflection, FTIR") eine Auskopplung zu erzielen. According to a further embodiment, the respective modulators 4, 5 can use the change in distance between two optical media in order to achieve a decoupling through frustrated total internal reflection (FTIR).
Nachfolgend wird beispielhaft ein Betrieb der Laservorrichtung und des Laser- resonators 1 beschrieben. Hierbei bildet der erste Ausgangsstrahl 6 einen Kanal 1 und bildet der zweite Ausgangsstrahl 7 einen Kanal 2. Zur Erzeugung von La- serpulsen durch Güteschaltung wird mindestens einer der beiden Modulatoren 4, 5 oder beide gemeinsam erst dergestalt angesteuert, dass es zu einer ausrei- chend großen Gesamtauskopplung kommt, so dass der Laserresonator 1 nicht anschwingt und während dieser Zeit durch Pumpen Inversion in dem Laserme- dium 3 aufgebaut wird. Dies kann auch durch Ansteuerung nur eines der Mo- dulatoren 4, 5 erreicht werden. Operation of the laser device and the laser resonator 1 is described below by way of example. In this case, the first output beam 6 forms a channel 1 and the second output beam 7 forms a channel 2. To generate laser pulses by Q-switching, at least one of the two modulators 4, 5 or both are first activated in such a way that there is sufficient one large overall decoupling occurs, so that the laser resonator 1 does not start to oscillate and during this time inversion is built up in the laser medium 3 by pumping. This can also be achieved by controlling only one of the modulators 4, 5.
Abhängig von der vor dem Pumpvorgang möglicherweise vorhandenen Restin- version des Lasermediums 3 steigt die effektive Inversion des Lasermediums 3 durch den Pumpvorgang zeitlich an: The effective inversion increases as a function of the residual inversion of the laser medium 3 that may exist before the pumping process of the laser medium 3 due to the pumping process:
Dabei sind σa der spektroskopische Absorptionsquerschnitt und σe der spektro- skopische Emissionsquerschnitt des Laserübergangs, Rp die Pumprate, τf die Fluoreszenzlebensdauer und (N) die mittlere Konzentration des laseraktiven Dotierstoffs in dem Lasermedium 3. Die effektive Inversion ergibt sich mathematisch durch Verschiebung der Besetzungsinversion um einen von den spektroskopischen Wirkungsquerschnitten und von der mitt- leren aktiven Konzentration abhängigen Wert: Here, σ a is the spectroscopic absorption cross-section and σ e is the spectroscopic emission cross-section of the laser transition, R p is the pumping rate, τ f is the fluorescence lifetime and (N) is the mean concentration of the laser-active dopant in the laser medium 3. The effective inversion results mathematically by shifting the population inversion around a value that depends on the spectroscopic cross sections and the mean active concentration:
Dann wird die Ansteuerung so verändert, dass ein gewünschtes Maß an Ge- samtauskopplungsgrad Toc=1-Roc erzielt wird. Somit läuft die Laservorrichtung vergleichbar zu einem normalen, gütegeschalteten Laser und erzeugt einen Puls mit der Pulsdauer The control is then changed in such a way that a desired level of overall decoupling ratio T oc = 1-R oc is achieved. The laser device thus runs in a manner comparable to a normal, Q-switched laser and generates a pulse with the pulse duration
Dabei ist τc die Photonenlebensdauer im Laserresonator, η(r) die Extraktionsef- fizienz und das Verhältnis der logarithmischen Verstärkung bei Auslösen des Pulses zur logarithmischen Verstärkung eines vergleichbaren Dauerstrichlasers an der Laserschwelle gth (Schwellverstärkung) Here, τ c is the photon lifetime in the laser resonator, η (r) the extraction efficiency and the ratio of the logarithmic gain when the pulse is triggered for logarithmic amplification of a comparable continuous wave laser at the laser threshold g th (threshold amplification)
Soll an Kanal 1, beispielsweise durch den ersten Ausgangsstrahl 6, nun eine be- stimmter Anteil γ1 der gesamten Pulsenergie emittiert werden, kann durch ge- eignete Wahl der ausgekoppelten Anteile ρ1 und ρ2 das Verhältnis der Auskopp- lung in Kanal 1 und Kanal 2, beispielsweise in den ersten Ausgangsstrahl 6 und in den zweiten Ausgangsstrahl 7, festgelegt werden und gleichzeitig sicherge- stellt werden, dass der Laser bei gleicher Gesamtauskopplung Toc=1-Roc, d.h. mit beispielsweise gleichem Is intended to channel 1, for example by the first output beam 6, now a of certain content γ 1 of the total pulse energy are emitted, may by suitable choice of the coupled components ρ 1 and ρ 2, the ratio of the Auskopp- lung in channel 1 and Channel 2, for example in the first output beam 6 and in the second output beam 7, and at the same time it is ensured that the laser with the same overall output T oc = 1-R oc , ie with, for example, the same
Roc = (1 - ρ1)(1 - ρ2 ) = konst. für einen Ringresonator, beziehungsweise R oc = (1 - ρ 1 ) (1 - ρ 2 ) = const. For a ring resonator, respectively
Roc = (1 - ρ1)2(1 - ρ2 )2 = konst. für einen Stehwellenresonator, für diesen Puls betrieben wird. Dadurch wird der Laserresonator 1 in seinem mittleren Arbeitspunkt nicht gestört. R oc = (1 - ρ 1 ) 2 (1 - ρ 2 ) 2 = const. For a standing wave resonator that is operated for this pulse. As a result, the laser resonator 1 is not disturbed in its middle operating point.
Werden die Auskoppelstellen für beide Kanäle oder Ausgangsstrahlen 6, 7, wie in der Figur la abgebildet, in Umlaufrichtung 9 der Lasermode nacheinander ohne weitere Durchquerung des Lasermediums 3 durch die umlaufende Laser- strahlung 8 beaufschlagt, beginnend mit Kanal 1 oder dem ersten Ausgangs- strahl 6, gilt für die je Kanal ausgekoppelten Leistungen If the decoupling points for both channels or output beams 6, 7, as shown in FIG 6, applies to the power decoupled per channel
P1 = ρ1Pinc,1(t) P 1 = ρ 1 P inc, 1 (t)
P2 = ρ2 (1 - ρ1)Pinc,1(t) wobei Pinc,1(t) die innerhalb des Laserresonators 1 auf den Modulator 4 für Kanal 1 fallende über den Puls zeitlich variierende Leistung ist. Somit sind die Verhältnisse unabhängig von der Pulsform Pinc,1(t) . P 2 = ρ 2 (1 - ρ 1 ) P inc, 1 (t) where P inc, 1 (t) is the power that falls over the pulse and varies over time within the laser resonator 1 on the modulator 4 for channel 1. So the circumstances are regardless of the pulse shape P inc, 1 (t).
Durch Lösen der entsprechenden Gleichungen erhält man die nötigen auszu- koppelnden Anteile je Kanal: By solving the corresponding equations, the necessary components to be decoupled for each channel are obtained:
Somit ist das entsprechende Verhältnis γ der Ausgangsleistung und Pulsenergie zwischen beiden Ausgangskanälen oder Ausgangsstrahlen 6, 7 bei konstanter Gesamt-Pulsenergie und Pulsdauervon Puls zu Puls frei einstellbar. Bei entspre- chend schneller Ansteuerung und Reaktion der Modulatoren 4, 5 wäre sogar eine Änderung der Verteilung während eines Pulses möglich. Im anderen Kanal wird dann immer der zur in Kanal 1 emittierten Leistung komplementäre Anteil emittiert. The corresponding ratio γ of the output power and pulse energy between the two output channels or output beams 6, 7 can thus be freely set with a constant total pulse energy and pulse duration from pulse to pulse. If the modulators 4, 5 were controlled and responded quickly, it would even be possible to change the distribution during a pulse. The component that is complementary to the power emitted in channel 1 is then always emitted in the other channel.
Liegen die Auskoppelstellen oder Modulatoren 4, 5 auf unterschiedlichen Sei- ten des Lasermediums 3, z.B. wird zuerst in Umlaufrichtung 9 die Auskoppel- stelle für Kanal 1 oder der erste Modulator 4, dann das Lasermedium 3 und dann die Auskoppelstelle für Kanal 2 oder der zweite Modulator 5 beaufschlagt oder wie zum Beispiel in dem in der Figur lc abgebildeten Laserresonator 1, gilt If the decoupling points or modulators 4, 5 are on different sides of the laser medium 3, for example, the decoupling point for channel 1 or the first modulator 4, then the laser medium 3 and then the decoupling point for channel 2 or the second, is first in the direction of rotation 9 Applied to modulator 5 or, for example, in the laser resonator 1 shown in FIG. 1c, applies
P1 = ρ1Pinc,1(t) P 1 = ρ 1 P inc, 1 (t)
P2 = (1 - ρ1)G(t) ρ2Pinc,1(t) P 2 = (1 - ρ 1 ) G (t) ρ 2 P inc, 1 (t)
Dabei ist zu beachten, dass nun die über einen Puls zeitabhängige Verstärkung G(t) zusätzlich den zeitlichen Verlauf der in Kanal 2 emittierten Leistung P2 mit- bestimmt. In diesem Fall wäre It should be noted that the amplification G (t), which is time-dependent over a pulse, also determines the time profile of the power P 2 emitted in channel 2. In this case it would be
Damit dieses Verhältnis von der Pulsform unabhängig einstellbar ist und wei- terhin So that this ratio can be set independently of the pulse shape and continues to do so
Roc = (1 - ρ1 ) ( 1 - ρ2 ) = konst. gilt müssen beide Auskoppelgrade nun zeitabhängig sein. Dies wäre technisch aufwändiger, kann aber prinzipiell ebenfalls im Sinne der vorliegenden Erfin- dung eingesetzt werden. R oc = (1 - ρ 1 ) (1 - ρ 2 ) = const. Both decoupling degrees must now be time-dependent. This would be technical more complex, but can in principle also be used for the purposes of the present invention.
Soll die Laservorrichtung bei veränderter Pumpleistung und/oder variabler Re- petitionsrate, jedoch möglichst vergleichbarer Pulsenergie oder Pulsdauer, be- trieben werden, wählt man den Gesamtauskoppelgrad Toc=1-Roc und/oder die Pumpleistung dergestalt, dass durch die sich damit verändernde Laserschwelle mit der Sättigungsintensität auf dem Pumpübergang , der Pumplicht-Ab- sorptionseffizienz ηabs, der Länge des Lasermediums L und der Schwell verstär- kung des Dauerstichlasers für den Stehwellenresonator, bzw. für den Ringresonator, wobei L für die resonatorinternen Verluste steht, in Kombination mit der sich je nach zeitlicher Pumpleistung seit dem letzten Puls ergebender Inversion sich die gewünschte Gesamt-Ausgangspulsenergie Eout durch Erzeugung einer spezifischen Inversion vor Pulsauslösung ergibt: If the laser device is to be operated with a changed pump power and / or a variable repetition rate, but with a pulse energy or pulse duration that is as comparable as possible, the total decoupling rate T oc = 1-R oc and / or the pump power is selected in such a way that the resulting change Laser threshold with the saturation intensity on the pump junction, the pump light output absorption efficiency η abs , the length of the laser medium L and the threshold amplification of the continuous laser for the standing wave resonator or for the ring resonator, where L stands for the losses inside the resonator, in combination with the inversion that has arisen since the last pulse, depending on the pumping power over time the desired total output pulse energy E out by generating a specific inversion before the pulse is triggered results in:
Darin ist hv die Photonenenergie eines Laserphotons (h: Planck' sches Wir- kungsquantum, v: Frequenz des Photons) und V das aktive Volumen des Laser- mediums. Bei r=konst. lässt sich die Ausgangs-Pulsenergie somit durch Verän- derung von Roc über die effektive Inversion des Lasermediums 3 vor dem Puls einstellen, während wegen r=konst. auch die Extraktionseffizienz konstant und somit die Pulsdauer konstant ist. Dazu ist für den Stehwellenresonator, bzw. für den Ringresonator, η st der Stokes-Wirkungsgrad und Pout die mittlere Ge- samt-Ausgangsleistung des Lasers. Here, hv is the photon energy of a laser photon (h: Planck's quantum of action, v: frequency of the photon) and V is the active volume of the laser medium. At r = const. the output pulse energy can thus be adjusted by changing R oc via the effective inversion of the laser medium 3 in front of the pulse, while because r = const. the extraction efficiency is also constant and thus the pulse duration is constant. Is to for the standing wave resonator or for the ring resonator, η st the Stokes efficiency and P out the mean total output power of the laser.
Durch z.B. Messen der Fluoreszenz des Lasermediums 3 lässt sich die aktuelle effektive Inversion des Lasermediums 3 bestimmen und bei gegebener Pump- rate der Inversionsverlauf vor dem nächsten Puls bzw. bei gegebener Zeit bis zum nächsten Puls die nötige Pumprate, d.h. die zu applizierende Pumpleis- tung, bestimmen, um die gewünschte Inversion bei Auslösen des nächsten Pul- ses zu erreichen. In Kombination mit der geeigneten Wahl der Gesamtauskopp- lung oder Roc wird dann r und somit die Pulsdauer eingestellt. By measuring the fluorescence of the laser medium 3, for example, the current effective inversion of the laser medium 3 can be determined and, with a given pumping rate, the inversion curve before the next pulse or, with a given time up to the next pulse, the necessary pumping rate, ie the pump power to be applied , in order to achieve the desired inversion when the next pulse is triggered. In combination with a suitable choice of total output or R oc , r and thus the pulse duration are then set.
Gemäß einer Ausführungsform kann mit der Laservorrichtung eine beliebig wählbare komplementäre Aufteilung der Laseremission in zwei Kanäle bei einer minimalen Anzahl an zusätzlich nötigen Komponenten bewirkt werden. Die Vorteile bestehen darin, dass die Laservorrichtung bei konstantem Arbeits- punkt betrieben werden kann und somit die Strahllage und Strahlqualität auf- grund konstanter thermischer Effekte unabhängig von der Modulation unver- ändert bleiben, und dass die Anordnung es zusätzlich erlaubt, die Laservorrich- tung ohne Einschränkung dieser Flexibilität bei unterschiedlichen Pumpleistun- gen oder Repetitionsraten zu betreiben und durch Wahl der Gesamtauskopp- lung soweit physikalisch möglich die ursprüngliche Pulsdauer bzw. Pulsenergie konstant zu halten. According to one embodiment, an arbitrarily selectable complementary division of the laser emission into two channels with a minimal number of additionally required components can be effected with the laser device. The advantages are that the laser device can be operated at a constant working point and thus the beam position and beam quality remain unchanged due to constant thermal effects regardless of the modulation Limitation of this flexibility to operate with different pump capacities or repetition rates and by choosing the total decoupling as far as physically possible the original pulse duration or pulse energy to keep constant.
Gemäß einer Ausführungsform der Laservorrichtung kann beispielsweise auch durch Bestimmen einer Strahllage oder einer Strahldivergenz des Lasers er- reicht werden, indem durch z.B. computerimplementierte Berechnungen oder über eine Hash-Tabelle oder durch Verwendung künstlicher Intelligenz die Pumpleistung oder die Auskopplung des ersten Modulators oder die Auskopp- lung des zweiten Modulators dergestalt bestimmt und gesteuert werden, dass sich die gewünschte Leistungs- oder Energieverteilung und / oder Pulsdauer in die beiden Kanäle ergibt und dabei eine vorgegebene Strahllage und/oder Strahldivergenz oder eine Toleranz einer Abweichung von einer gewünschten Strahllage und/oder Strahldivergenz möglichst erreicht wird. According to one embodiment of the laser device, for example, by determining a beam position or a beam divergence of the laser, the pump power or the decoupling of the first modulator or the decoupling Development of the second modulator can be determined and controlled in such a way that the desired power or energy distribution and / or pulse duration results in the two channels and a predetermined beam position and / or beam divergence or a tolerance of a deviation from a desired beam position and / or beam divergence as possible is achieved.
Figuren 2a bis 2e zeigen Laserresonatoren 1 gemäß weiteren Ausführungsbei- spielen. Die in den Figuren 2a bis 2e gezeigten Laserresonatoren 1 können ähn- lich wie die im Zusammenhang mit den Figuren 1a bis 1c beschriebenen Laser- resonatoren ausgebildet sein. In dem in der Figur 2a gezeigten Laserresonator 1 sind zwei Pockelszellen 10 und ein Polarisator 11 angeordnet. Hierbei bilden die Pockelszelle 10-1 und der Polarisator 11 den ersten Modulator 4, welcher den ersten Ausgangsstrahl 6 auskoppelt. Ferner bilden die Pockelszelle 10-2 und der Polarisator 11 den zweiten Modulator 5, welcher den zweiten Aus- gangsstrahl 7 auskoppelt. Durch das Verwenden eines einzigen Polarisators 11 für beide Modulatoren 4, 5 kann die Anzahl der zum Herstellen des Laserre- sonators 1 benötigten Bauteile reduziert werden. Da die Pockelszellen 10 auf derselben Seite des Lasermediums 3 angeordnet sind, kann zudem der Vorteil erreicht werden, dass eine feste Beziehung der Auskopplungsgrade bewirkt werden kann. FIGS. 2a to 2e show laser resonators 1 according to further exemplary embodiments. The laser resonators 1 shown in FIGS. 2a to 2e can be designed in a manner similar to the laser resonators described in connection with FIGS. 1a to 1c. Two Pockels cells 10 and a polarizer 11 are arranged in the laser resonator 1 shown in FIG. 2a. Here, the Pockels cell 10 - 1 and the polarizer 11 form the first modulator 4, which decouples the first output beam 6. Furthermore, the Pockels cell 10 - 2 and the polarizer 11 form the second modulator 5, which decouples the second output beam 7. By using a single polarizer 11 for both modulators 4, 5, the number of components required to manufacture the laser resonator 1 can be reduced. Since the Pockels cells 10 are arranged on the same side of the laser medium 3, the advantage can also be achieved that a fixed relationship of the degrees of coupling can be brought about.
Der in Figur 2b gezeigte Laserresonator 1 weist zwei Pockelszellen 10 und zwei Polarisatoren 11 auf. Hierbei bilden die Pockelszelle 10-1 und der Polarisator 11-1 den ersten Modulator 4 währen die Pockelszelle 10-2 und der Polarisator 11-2 den zweiten Modulator 5 bilden. Die Modulatoren 4, 5 sind auf unter- schiedlichen Seiten des Lasermediums 3 angeordnet. Dabei kann zudem der Vorteil erreicht werden, dass ein fester Polarisationszustand im Lasermedium bewirkt werden kann. Der in der Figur 2c gezeigte Laserresonator 1 weist zwei Pockelszellen 10, zwei Polarisatoren 11 und eine Viertelwellen-Verzögerungsplatte 12 auf. Hierbei bil- den die Pockelszelle 10-1 und der Polarisator 11-1 den ersten Modulator 4 wäh- ren die Pockelszelle 10-2 und der Polarisator 11-2 den zweiten Modulator 5 bil- den. Zudem sind in der Figur 2c die Laufrichtungen 13 der Laserstrahlung mit unterschiedlichen Polarisationen dargestellt. Ferner ist der zweite Modulator 5 beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher der erste Modula- tor 4 und das Lasermedium 3 angeordnet sind, angeordnet. Des Weiteren er- zeugt der erste Modulator 4 bzw. der Polarisator 11-1 einen weiteren Laser- strahl 14, aus welchem der zweite Modulator 5 den zweiten Ausgangsstrahl 7 erzeugt. Durch diese Anordnung wird der Vorteil erreicht, dass das Laserme- dium 3 bei jedem Umlauf im Laserresonator 1 viermal durchlaufen wird. Hier- durch kann eine Verstärkung doppelt so hoch wie bei dem in der Fig. 2b gezeig- ten Laserresonator 1 sein. Dadurch können zudem kürzere Laserpulse erzeugt werden. The laser resonator 1 shown in FIG. 2b has two Pockels cells 10 and two polarizers 11. Here, the Pockels cell 10-1 and the polarizer 11-1 form the first modulator 4, while the Pockels cell 10-2 and the polarizer 11-2 form the second modulator 5. The modulators 4, 5 are arranged on different sides of the laser medium 3. In this case, the advantage can also be achieved that a fixed polarization state can be brought about in the laser medium. The laser resonator 1 shown in FIG. 2c has two Pockels cells 10, two polarizers 11 and a quarter-wave retardation plate 12. Here, the Pockels cell 10-1 and the polarizer 11-1 form the first modulator 4, while the Pockels cell 10-2 and the polarizer 11-2 form the second modulator 5. In addition, the running directions 13 of the laser radiation with different polarizations are shown in FIG. 2c. Furthermore, the second modulator 5 is arranged at a distance from a common straight line on which the first modulator 4 and the laser medium 3 are arranged. Furthermore, the first modulator 4 or the polarizer 11-1 generates a further laser beam 14, from which the second modulator 5 generates the second output beam 7. This arrangement has the advantage that the laser medium 3 is traversed four times with each cycle in the laser resonator 1. As a result, a gain can be twice as high as in the case of the laser resonator 1 shown in FIG. 2b. This also enables shorter laser pulses to be generated.
Der in der Figur 2d gezeigte Laserresonator 1 ist ein unidirektionaler Ringre- sonator. Die Umlaufrichtung 9 in dem Laserresonator 1 wird hierbei durch ei- nen in dem Laserresonator 1 angeordneten optischen Isolator 15 eingestellt. The laser resonator 1 shown in FIG. 2d is a unidirectional ring resonator. The direction of rotation 9 in the laser resonator 1 is set here by an optical isolator 15 arranged in the laser resonator 1.
Der in der Figur 2e gezeigte Laserresonator 1 unterscheidet sich von dem in der Figur 2d gezeigten Laserresonator 1 dadurch, dass anstelle des optischen Isola- tors 15 mindestens einer der Spiegel 16 an den Polarisatoren 11 angeordnet sind, um die Umlaufrichtung 9 oder einen unidirektionalen Umlaufsinn zu er- zwingen. The laser resonator 1 shown in FIG. 2e differs from the laser resonator 1 shown in FIG. 2d in that, instead of the optical isolator 15, at least one of the mirrors 16 is arranged on the polarizers 11 to move around the direction of rotation 9 or a unidirectional direction of rotation force.
Figuren 3a bis 3f zeigen Laserresonatoren 1 gemäß weiteren Ausführungsbei- spielen. Die in den Figuren 3a bis 3f gezeigten Laserresonatoren 1 können ähn- lich wie die im Zusammenhang mit den Figuren la bis lc beschriebenen Laser- resonatoren ausgebildet sein. In den in den Figuren 3a und 3b gezeigten Laser- resonatoren 1 ist der erste Modulator 4 durch einen akustooptischen Modula- tor 17-1 und einen weiteren Spiegel 16-1 gebildet. Zudem ist der zweite Modu- lator 5 durch einen akustooptischen Modulator 17-2 und einen weiteren Spie- gel 16-2 gebildet. In dem in der Figur 3a gezeigten Laserresonator 1 sind die jeweiligen Modulatoren 4, 5 auf derselben Seite des Lasermediums 3 angeord- net während in dem in der Figur 3b gezeigten Laserresonator 1 die jeweiligen Modulatoren 4, 5 auf unterschiedlichen Seiten des Lasermediums 3 angeordnet sind. Durch weglassen der Spiegel 16-1 oder 16-2 kann eine Vorrichtung reali- siert werden, in der vier Ausgangskanäle vorliegen. Dabei sind die beiden durch den ersten Modulator erzeugten zwei Kanäle komplementär zu den durch den zweiten Modulator erzeugten zwei Kanäle. Die beiden Kanäle eines jeden Mo- dulators besitzen dabei jedoch eine unterschiedliche Leistung, je nach Auskop- pelgrad des jeweiligen Modulators. Dies kann je nach Anwendung von Vorteil sein. FIGS. 3a to 3f show laser resonators 1 according to further exemplary embodiments. The laser resonators 1 shown in FIGS. 3 a to 3 f can be designed in a manner similar to the laser resonators described in connection with FIGS. 1 a to 1 c. In the laser resonators 1 shown in FIGS. 3a and 3b, the first modulator 4 is formed by an acousto-optical modulator 17-1 and a further mirror 16-1. In addition, the second modulator 5 is formed by an acousto-optical modulator 17-2 and a further mirror 16-2. In the laser resonator 1 shown in FIG. 3a, the respective modulators 4, 5 are arranged on the same side of the laser medium 3, while in the laser resonator 1 shown in FIG Modulators 4, 5 are arranged on different sides of the laser medium 3. By omitting the mirrors 16-1 or 16-2, a device can be realized in which there are four output channels. The two channels generated by the first modulator are complementary to the two channels generated by the second modulator. The two channels of each modulator, however, have a different output, depending on the degree of decoupling of the respective modulator. Depending on the application, this can be an advantage.
Der in der Figur 3c gezeigte Laserresonator 1 weist zwei sphärische Spiegel 18 auf, welche den Laserresonator 1 räumlich begrenzen. Zudem sind in dem La- serresonator 1 zwei akustooptische Modulatoren 17 angeordnet. Der Radius des sphärischen Spiegels 18-1 entspricht dem Abstand des sphärischen Spiegels 18-1 zu dem akustooptischen Modulator 17-1 dergestalt, dass der gebeugte Strahl unabhängig vom Beugungswinkel in sich selbst zurück reflektiert wird. Ferner entspricht der Radius des sphärischen Spiegels 18-2 dem Abstand des sphärischen Spiegels 18-2 zu dem akustooptischen Modulator 17-2 dergestalt, dass der gebeugte Strahl unabhängig vom Beugungswinkel in sich selbst zurück reflektiert wird. Des Weiteren bilden der akustooptische Modulator 17-1 und der sphärische Spiegel 18-1 den ersten Modulator 4 während der akustoopti- sche Modulator 17-2 und der sphärische Spiegel 18-2 den zweiten Modulator 5 bilden. Ferner können die sphärischen Spiegel 18 hochreflektierende Spiegel, beispielsweise Spiegel mit einer Reflektivität von mehr als 99%, sein. The laser resonator 1 shown in FIG. 3c has two spherical mirrors 18 which spatially delimit the laser resonator 1. In addition, two acousto-optical modulators 17 are arranged in the laser resonator 1. The radius of the spherical mirror 18-1 corresponds to the distance between the spherical mirror 18-1 and the acousto-optical modulator 17-1 in such a way that the diffracted beam is reflected back into itself regardless of the diffraction angle. Furthermore, the radius of the spherical mirror 18-2 corresponds to the distance between the spherical mirror 18-2 and the acousto-optical modulator 17-2 in such a way that the diffracted beam is reflected back into itself regardless of the diffraction angle. Furthermore, the acousto-optical modulator 17-1 and the spherical mirror 18-1 form the first modulator 4, while the acousto-optical modulator 17-2 and the spherical mirror 18-2 form the second modulator 5. Furthermore, the spherical mirrors 18 can be highly reflective mirrors, for example mirrors with a reflectivity of more than 99%.
Der in der Figur 3d gezeigte Laserresonator 1 unterscheidet sich von dem in der Figur 3b gezeigten Laserresonator 1 dadurch, dass der akustooptische Modula- tor 17-2 beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher das Laser- medium 3 und der akustooptische Modulator 17-1 angeordnet sind, angeord- net ist. The laser resonator 1 shown in FIG. 3d differs from the laser resonator 1 shown in FIG. 3b in that the acousto-optical modulator 17-2 is spaced from a common straight line on which the laser medium 3 and the acousto-optical modulator 17-1 are arranged, is arranged.
Der in der Figur 3e gezeigte Laserresonator 1 unterscheidet sich von dem in der Figur 3a gezeigten Laserresonator 1 dadurch, dass der in der Figur 3e gezeigte Laserresonator 1 als ein unidirektionaler Ringresonator mit einem optischen Isolator 15 ausgebildet ist. The laser resonator 1 shown in FIG. 3e differs from the laser resonator 1 shown in FIG. 3a in that the laser resonator 1 shown in FIG. 3e is designed as a unidirectional ring resonator with an optical isolator 15.
Der in der Figur 3f gezeigte Laserresonator 1 unterscheidet sich von dem in der Figur 3d gezeigten Laserresonator 1 dadurch, dass der in der Figur 3f gezeigte Laserresonator 1 als ein unidirektionaler Ringresonator ausgebildet ist. Zudem sind in der Figur 3f Ordnungen 19 der gebeugten Laserstrahlen angezeigt. The laser resonator 1 shown in FIG. 3f differs from that in FIG Figure 3d laser resonator 1 shown in that the laser resonator 1 shown in Figure 3f is designed as a unidirectional ring resonator. In addition, orders 19 of the diffracted laser beams are shown in FIG. 3f.
Die in den Figuren 3d und 3f gezeigten Laserresonatoren 1 weisen den Vorteil auf, dass die von dem akustooptischen Modulator 17-1 gebeugte 1. Ordnung durch den akustooptischen Modulator 17-2 von der -1. Ordnung in die 0. Ord- nung erneut gebeugt wird. Dadurch können sich die durch die in den akustoop- tischen Modulatoren 17-1, 17-2 durchgeführte Beugung verursachten Fre- quenzverschiebungen gegenseitig aufheben. Dadurch erfährt das in dem Laser- resonator 1 umlaufende Licht keine Frequenzverschiebung. The laser resonators 1 shown in FIGS. 3d and 3f have the advantage that the 1st order diffracted by the acousto-optical modulator 17-1 is reduced by the acousto-optical modulator 17-2 from the -1. Order is bent again into the 0th order. As a result, the frequency shifts caused by the diffraction carried out in the acousto-optical modulators 17-1, 17-2 can cancel each other out. As a result, the light circulating in the laser resonator 1 does not experience any frequency shift.
Figuren 4a und 4b zeigen Laserresonatoren 1 gemäß weiteren Ausführungsbei- spielen. Die in den Figuren 4a und 4b gezeigten Laserresonatoren 1 können ähnlich wie die im Zusammenhang mit den Figuren 1a bis 1c beschriebenen La- serresonatoren ausgebildet sein. In den in den Figuren 4a und 4b gezeigten La- serresonatoren 1 ist der erste Modulator 4 durch einen Frustrierte-Totalrefle- xion-Schalter 20-1 und einen weiteren Spiegel 16-1 gebildet. Zudem ist der zweite Modulator 5 durch einen Frustrierte-Totalreflexion-Schalter 20-2 und ei- nen weiteren Spiegel 16-2 gebildet. Des Weiteren ist der in der Figur 4a ge- zeigte Laserresonator 1 als ein linearer Resonator ausgebildet während der in der Figur 4b gezeigte Laserresonator 1 als ein unidirektionaler Ringresonator ausgebildet ist. Ferner ergibt sich bei dem in der Figur 4b gezeigten Laserre- sonator 1 die Umlaufrichtung 9 automatisch durch Selbstinjektion durch die weiteren Spiegel 16. FIGS. 4a and 4b show laser resonators 1 according to further exemplary embodiments. The laser resonators 1 shown in FIGS. 4a and 4b can be designed similarly to the laser resonators described in connection with FIGS. 1a to 1c. In the laser resonators 1 shown in FIGS. 4a and 4b, the first modulator 4 is formed by a frustrated total reflection switch 20-1 and a further mirror 16-1. In addition, the second modulator 5 is formed by a frustrated total reflection switch 20-2 and a further mirror 16-2. Furthermore, the laser resonator 1 shown in FIG. 4a is designed as a linear resonator, while the laser resonator 1 shown in FIG. 4b is designed as a unidirectional ring resonator. Furthermore, in the case of the laser resonator 1 shown in FIG. 4b, the direction of rotation 9 results automatically from self-injection by the further mirror 16.
Figur 5 zeigt ein Funktionsprinzip eines Frustrierte-Totalreflexion-Schalters 20. Der Frustrierte-Totalreflexion-Schalter 20 umfasst zwei Körper 21 aus einem optisch dichten Material, die in einem Abstand d voneinander angeordnet sind. Zwischen den Körpern 21 ist ein optisch dünnes Material 22 angeordnet. Ein in den Körper 21-1 einfallender Strahl 23 wird an einer Grenzfläche 24 zwischen dem Körper 21-1 und dem optisch dünnem Material 22 reflektiert. Dabei wird ein reflektierte Strahl 25 gebildet. Ist der Abstand d zwischen den Körpern 21 klein genug, beispielsweise weniger als das Doppelte der Wellenlänge des ein- fallenden Strahls 23, kann ein Anteil des einfallenden Strahls 23 in den Körper 21-2 transmittieren. Eine derartige Transmission wird auch als optischer Tun- neleffekt bezeichnet. Der in den Körper 21-2 transmittierte Anteil des einfallen- den Strahls 23 bildet einen optisch getunnelten Stahl 26. Durch Veränderung des Abstands d zwischen den Körpern 21 kann die Leistung des optisch getun- nelten Strahls 26 moduliert werden. Wie durch die gestrichelten Pfeile in der Figur 5 angedeutet, kann der optische Tunneleffekt auch in der umgekehrten Richtung erfolgen. FIG. 5 shows a functional principle of a frustrated total reflection switch 20. The frustrated total reflection switch 20 comprises two bodies 21 made of an optically dense material, which are arranged at a distance d from one another. An optically thin material 22 is arranged between the bodies 21. A beam 23 incident in the body 21 - 1 is reflected at an interface 24 between the body 21 - 1 and the optically thin material 22. A reflected beam 25 is thereby formed. If the distance d between the bodies 21 is small enough, for example less than twice the wavelength of the incident beam 23, a portion of the incident beam 23 can enter the body Transmit 21-2. Such a transmission is also referred to as an optical tunnel effect. The portion of the incident beam 23 transmitted into the body 21-2 forms an optically tunneled steel 26. By changing the distance d between the bodies 21, the power of the optically tunneled beam 26 can be modulated. As indicated by the dashed arrows in FIG. 5, the optical tunnel effect can also take place in the opposite direction.
Bezugszeichenliste 1: Laserresonator LIST OF REFERENCE NUMERALS 1: laser resonator
2: Spiegel 2: mirror
3: Lasermedium 3: laser medium
4: erster Modulator 4: first modulator
5: zweiter Modulator 5: second modulator
6: erster Ausgangsstrahl 6: first output beam
7: zweiter Ausgangsstrahl 7: second output beam
8: Laserstrahlung 8: laser radiation
9: Umlaufrichtung 9: Direction of rotation
10: Pockelszelle 10: Pockels cell
11: Polarisator 11: polarizer
12: Viertelwellen-Verzögerungsplatte 12: Quarter-wave retardation plate
13: Laufrichtungen 13: Running directions
14: weiterer Laserstrahl 14: another laser beam
15: optischer Isolator 15: optical isolator
16: weitere Spiegel 16: more mirrors
17: akustooptischer Modulator 17: acousto-optic modulator
18: sphärischer Spiegel 18: spherical mirror
19: Ordnung 19: okay
20: Frustrierte-Totalreflexion-Schalter 20: Frustrated total internal reflection switch
21: Körper 21: body
22: optisch dünnes Material 22: optically thin material
23: einfallender Strahl 23: incident ray
24: Grenzfläche 24: interface
25: reflektierter Strahl 25: reflected beam
26: optisch getunnelter Strahl d: Abstand 26: optically tunneled beam d: distance

Claims

Patentansprüche Claims
1. Laservorrichtung, mit: einem Laserresonator (1), welcher ein Lasermedium (3) aufweist; einem ersten Modulator (4), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen ersten Ausgangsstrahl (6) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln; und einem zweiten Modulator (5), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrahl (7) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln. A laser device comprising: a laser resonator (1) having a laser medium (3); a first modulator (4) which is arranged in the laser resonator (1) and which is designed to couple a first output beam (6) out of the laser resonator (1); and a second modulator (5) which is arranged in the laser resonator (1) and which is designed to couple a second output beam (7) out of the laser resonator (1).
2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Modulator (4) und der zweite Modulator (5) steuerbare Modulatoren sind, und wobei die Laservorrichtung ferner eine Steuereinrichtung umfasst, welche ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) und den zweiten Modulator (5) unabhängig voneinander zu steuern. 2. Laser device according to claim 1, wherein the first modulator (4) and the second modulator (5) are controllable modulators, and wherein the laser device further comprises a control device which is formed, the first modulator (4) and the second modulator (5 ) to be controlled independently of each other.
3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Modulator (1) und/oder der zweite Modulator (2) ein akustooptischer Modulator (17), ein elektrooptischer Modulator (10, 11), ein Frustrierte- Totalreflexion-Schalter (20) oder eine mechanisch bewegte Wellenplatte ist. 3. Laser device according to claim 1 or 2, wherein the first modulator (1) and / or the second modulator (2) an acousto-optical modulator (17), an electro-optical modulator (10, 11), a frustrated total reflection switch (20) or a mechanically moved wave plate.
4. Laservorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) und den zweiten Modulator (5) derart zu steuern, dass im kontinuierlichen Betrieb ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) und in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) und in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist oder dass eine Pulsdauer des ersten Ausgansstrahls (6) oder des zweiten Ausgangsstrahls (7) konstant ist, oder im kontinuierlichen Betrieb eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) oder in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) oder in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist. 4. Laser device according to claim 2 or 3, wherein the control device is formed, the first modulator (4) and the second modulator (5) to be controlled in such a way that in continuous operation a total decoupling degree of laser radiation from the laser resonator (1) into the first output beam (6) and into the second output beam (7) is constant, or in pulsed operation during the pulse generation of each individual pulse over several Pulse a total decoupling degree of laser radiation from the laser resonator (1) in the first output beam (6) and in the second output beam (7) is constant or that a pulse duration of the first output beam (6) or the second output beam (7) is constant, or in continuous operation a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator (1) into the first output beam (6) or in the second output beam (7) is constant, or in pulsed operation during the pulse generation of each individual pulse over several pulses a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator (1) in the first output beam (6) or in the two iten output beam (7) is constant.
5. Laservorrichtung nach Anspruch 4, wobei der5. Laser device according to claim 4, wherein the
Gesamtauskopplungsgrad der jeweiligen Modulatoren (4, 5) durchTotal decoupling degree of the respective modulators (4, 5)
Toc = (1 — (1 — ρ1)2 * (1 — ρ2 )2) bei Doppel-Durchgang derT oc = (1 - (1 - ρ 1 ) 2 * (1 - ρ 2 ) 2 ) with double pass of the
Laserstrahlung durch den ersten Modulator (4) und den zweiten Modulator (5) pro Umlauf, oder Laser radiation through the first modulator (4) and the second modulator (5) per revolution, or
Toc = (1 — (1 — ρ1) * (1 — ρ2 )) bei Einfach-Durchgang derT oc = (1 - (1 - ρ 1 ) * (1 - ρ 2 )) for a single pass of the
Laserstrahlung durch den ersten Modulator (1) und den zweiten Modulator (5) pro Umlauf gegeben ist, wobei ρ1 der Anteil der bei einem Modulatordurchgang in den ersten Ausgangsstrahl (6) ausgekoppelten Leistung ist, und wobei ρ2 der Anteil der bei einem Modulatordurchgang in den zweiten Ausgangsstrahl (7) ausgekoppelten Leistung ist. Laser radiation through the first modulator (1) and the second modulator (5) is given per revolution, where ρ 1 is the proportion of the power decoupled into the first output beam (6) during a modulator pass, and where ρ 2 is the proportion of the power during a modulator pass in the second output beam (7) is coupled out power.
6. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die6. Laser device according to one of claims 2 to 5, wherein the
Laservorrichtung ferner eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer effektiven Inversion des Lasermediums (3) aufweist, und wobei die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) oder den zweiten Modulator (5) auf Basis der erfassten effektiven Inversion des Lasermediums (3) zu steuern. The laser device further comprises a detection device for detecting an effective inversion of the laser medium (3), and wherein the control device is further designed to control the first modulator (4) or the second modulator (5) on the basis of the detected effective inversion of the laser medium (3) .
7. Laservorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, eine Fluoreszenz des Lasermediums (3) zu erfassen und die effektive Inversion des Lasermediums (3) auf Basis der erfassten Fluoreszenz des Lasermediums (3) zu bestimmen. 7. Laser device according to claim 6, wherein the detection device is designed to detect a fluorescence of the laser medium (3) and to determine the effective inversion of the laser medium (3) on the basis of the detected fluorescence of the laser medium (3).
8. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Laservorrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Laserleistung aufweist, und wobei die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) oder den zweiten Modulator (5) auf Basis der erfassten Laserleistung zu steuern. 8. Laser device according to one of claims 2 to 5, wherein the laser device has a detection device for detecting a laser power, and wherein the control device is further designed to control the first modulator (4) or the second modulator (5) on the basis of the detected laser power .
9. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Laservorrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Strahllage oder einer Strahldivergenz der Laserstrahlung aufweist, und wobei die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, den ersten Modulator (4) oder den zweiten Modulator (5) auf Basis der erfassten Laserleistung zu steuern. 9. Laser device according to one of claims 2 to 5, wherein the laser device has a detection device for detecting a beam position or a beam divergence of the laser radiation, and wherein the control device is further designed to base the first modulator (4) or the second modulator (5) to control the detected laser power.
10. Laservorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Laserresonator (3) einen Auskoppelspiegel aufweist, der eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweist, und wobei die Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, die durch den Auskoppelspiegel ausgekoppelte Leistung zu erfassen und somit die Laserleistung oder eine Strahllage oder eine Strahldivergenz der Laserstrahlung auf Basis der erfassten ausgekoppelten Leistung zu bestimmen. 10. Laser device according to claim 8 or 9, wherein the laser resonator (3) has a coupling-out mirror which has a reflectivity of more than 80%, preferably of more than 90%, preferably of more than 95%, preferably more than 99%, and wherein the detection device is designed to detect the power decoupled by the output mirror and thus to determine the laser power or a beam position or a beam divergence of the laser radiation on the basis of the detected output power.
11. Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Modulatoren (4, 5) derart in dem Laserresonator (3) angeordnet sind, dass die jeweiligen Modulatoren (4, 5) in dem Laserresonator (1) durch in dem Laserresonator (1) umlaufende Laserstrahlung (8) nacheinander ohne Durchquerung des Lasermediums (3) beaufschlagt werden. 11. Laser device according to one of the preceding claims, wherein the respective modulators (4, 5) are arranged in the laser resonator (3) such that the respective modulators (4, 5) in the laser resonator (1) through in the laser resonator (1) circulating laser radiation (8) are applied one after the other without crossing the laser medium (3).
12. Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laserresonator (1) einen Spiegel (2-1) aufweist, und wobei der erste Modulator (4) und der zweite Modulator (5) zwischen dem Lasermedium (3) und dem Spiegel (2-1) angeordnet sind. 12. Laser device according to one of the preceding claims, wherein the laser resonator (1) has a mirror (2-1), and wherein the first modulator (4) and the second modulator (5) between the laser medium (3) and the mirror (2 -1) are arranged.
13. Laservorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Spiegel (2-1) eine Reflektivität von mehr als 80%, vorzugsweise von mehr als 90%, vorzugsweise von mehr als 95%, vorzugsweise von mehr als 99% aufweist. 13. Laser device according to claim 12, wherein the mirror (2-1) has a reflectivity of more than 80%, preferably of more than 90%, preferably of more than 95%, preferably of more than 99%.
14. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der zweite Modulator (5) beabstandet von einer gemeinsamen Geraden, auf welcher der erste Modulator (4) und das Lasermedium (3) liegen, angeordnet ist, wobei der erste Modulator (4) ferner ausgebildet ist, einen in Richtung des zweiten Modulators (5) gerichteten Laserstrahl (14) zu erzeugen, und wobei der zweite Modulator (5) ferner ausgebildet ist, den zweiten Ausgangsstrahl (7) aus dem von dem ersten Modulator (4) erzeugten Laserstrahl (14) zu erzeugen. 14. Laser device according to one of claims 1 to 10, wherein the second modulator (5) is arranged at a distance from a common straight line on which the first modulator (4) and the laser medium (3) lie, the first modulator (4) is further designed to generate a laser beam (14) directed in the direction of the second modulator (5), and wherein the second modulator (5) further is designed to generate the second output beam (7) from the laser beam (14) generated by the first modulator (4).
15. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die jeweiligen Modulatoren (4, 5) auf unterschiedlichen Seiten des Lasermediums (3) angeordnet sind. 15. Laser device according to one of claims 1 to 10, wherein the respective modulators (4, 5) are arranged on different sides of the laser medium (3).
16. Laservorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Laserresonator (1) einen ersten Spiegel (2-2) und einen zweiten Spiegel (2-1) aufweist, wobei das Lasermedium (3) zwischen dem ersten Spiegel (2-2) und dem zweiten Spiegel (2-1) angeordnet ist, wobei der erste Modulator (4) zwischen dem Lasermedium (3) und dem ersten Spiegel (2-2) angeordnet ist, und wobei der zweite Modulator (5) zwischen dem Lasermedium (3) und dem zweiten Spiegel (2-1) angeordnet ist. 16. Laser device according to claim 15, wherein the laser resonator (1) has a first mirror (2-2) and a second mirror (2-1), wherein the laser medium (3) between the first mirror (2-2) and the second Mirror (2-1) is arranged, wherein the first modulator (4) is arranged between the laser medium (3) and the first mirror (2-2), and wherein the second modulator (5) between the laser medium (3) and the second mirror (2-1) is arranged.
17. Laservorrichtung nach Anspruch 16, wobei die jeweiligen Spiegel (2), das Lasermedium (3) und die jeweiligen Modulatoren (4, 5) auf einer gemeinsamen Geraden liegen. 17. Laser device according to claim 16, wherein the respective mirror (2), the laser medium (3) and the respective modulators (4, 5) lie on a common straight line.
18. Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laserresonator (1) ein linearer Resonator oder ein Ringresonator ist. 18. Laser device according to one of the preceding claims, wherein the laser resonator (1) is a linear resonator or a ring resonator.
19. Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der jeweiligen Modulatoren (4, 5) derart ausgebildet ist, dass die bei umgekehrtem Umlaufsinn in die dem als Auskoppelkanal definierten Ausgansstrahl entgegengesetzte Richtung ausgekoppelte Strahlung in sich zurückreflektiert wird. 19. Laser device according to one of the preceding claims, wherein at least one of the respective modulators (4, 5) is designed such that the radiation coupled out in the opposite direction of rotation in the direction opposite to the output beam defined as the coupling-out channel is reflected back into itself.
20. Laservorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Laserresonator (1) derart ausgebildet ist, dass in einem Resonatorumlauf das Lasermedium (3) viermal durchlaufen wird. 20. Laser device according to one of the preceding claims, wherein the laser resonator (1) is designed such that the laser medium (3) is traversed four times in one resonator cycle.
21. Verfahren zum Ansteuern einer Laservorrichtung, wobei die21. A method for controlling a laser device, wherein the
Laservorrichtung einen Laserresonator (1), welcher ein Lasermedium (3) aufweist, einen ersten steuerbaren Modulator (4), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen ersten Ausgangsstrahl (6) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln, und einen zweiten steuerbaren Modulator (5), welcher in dem Laserresonator (1) angeordnet ist, und welcher ausgebildet ist, einen zweiten Ausgangsstrahl (7) aus dem Laserresonator (1) auszukoppeln, umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Laser device a laser resonator (1) which has a laser medium (3), a first controllable modulator (4) which is arranged in the laser resonator (1) and which is designed to produce a first output beam (6) from the laser resonator (1) and a second controllable modulator (5) which is arranged in the laser resonator (1) and which is designed to couple a second output beam (7) from the laser resonator (1), the method comprising:
Steuern des ersten steuerbaren Modulators (4) und des zweiten steuerbaren Modulators (5) derart, Controlling the first controllable modulator (4) and the second controllable modulator (5) in such a way
• dass im kontinuierlichen Betrieb ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) und in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg ein Gesamtauskopplungsgrad von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) und in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist oder dass eine Pulsdauer des ersten Ausgansstrahls (6) oder des zweiten Ausgangsstrahls (7) konstant ist, oder • that in continuous operation a total decoupling degree of laser radiation from the laser resonator (1) in the first output beam (6) and in the second output beam (7) is constant, or in pulsed operation during the pulse generation of each individual pulse over several pulses a total decoupling degree of laser radiation from the laser resonator (1) into the first output beam (6) and into the second output beam (7) is constant or that a pulse duration of the first output beam (6) or the second output beam (7) is constant, or
• dass im kontinuierlichen Betrieb eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) oder in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist, oder im gepulsten Betrieb während der Pulserzeugung jeden Einzelpulses über mehrere Pulse hinweg eine Strahllage oder Strahldivergenz von Laserstrahlung aus dem Laserresonator (1) in den ersten Ausgansstrahl (6) oder in den zweiten Ausgangsstrahl (7) konstant ist. • that in continuous operation a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator (1) into the first output beam (6) or into the second output beam (7) is constant, or in pulsed operation During the pulse generation of each individual pulse over several pulses, a beam position or beam divergence of laser radiation from the laser resonator (1) into the first output beam (6) or into the second output beam (7) is constant.
22. Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend: 22. The method of claim 21, further comprising:
Erfassen einer effektiven Inversion des Lasermediums (3) oder einer Fluoreszenz oder einer Laserstrahlung oder einer Laserleistung oder einer Strahllage oder Strahldivergenz; und Detecting an effective inversion of the laser medium (3) or a fluorescence or a laser radiation or a laser power or a beam position or beam divergence; and
Steuern des ersten steuerbaren Modulators (4) oder des zweiten steuerbaren Modulators (5) auf Basis der erfassten effektiven Inversion des Lasermediums (3) oder der Fluoreszenz oder der Laserstrahlung oder der Laserleistung oder der Strahllage oder der Strahldivergenz. Controlling the first controllable modulator (4) or the second controllable modulator (5) on the basis of the detected effective inversion of the laser medium (3) or the fluorescence or the laser radiation or the laser power or the beam position or the beam divergence.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Verfahren mit einer Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgeführt wird. 23. The method according to claim 21 or 22, wherein the method is carried out with a laser device according to one of claims 1 to 20.
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