EP4295452A1 - Verfahren und lasersystem zum erzeugen von ausgangslaserpulsen mit einer optischen komponente mit temperaturabhängiger leistungseffizienz und zugehöriges computerprogrammprodukt - Google Patents

Verfahren und lasersystem zum erzeugen von ausgangslaserpulsen mit einer optischen komponente mit temperaturabhängiger leistungseffizienz und zugehöriges computerprogrammprodukt

Info

Publication number
EP4295452A1
EP4295452A1 EP21844283.8A EP21844283A EP4295452A1 EP 4295452 A1 EP4295452 A1 EP 4295452A1 EP 21844283 A EP21844283 A EP 21844283A EP 4295452 A1 EP4295452 A1 EP 4295452A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pulse
laser pulses
optical component
input
input laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21844283.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jonathan BRONS
Rainer Flaig
Dirk Sutter
Ivo Zawischa
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.)
Trumpf Laser Se
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP4295452A1 publication Critical patent/EP4295452A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0092—Nonlinear frequency conversion, e.g. second harmonic generation [SHG] or sum- or difference-frequency generation outside the laser cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1301—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude in optical amplifiers
    • H01S3/1302—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude in optical amplifiers by all-optical means, e.g. gain-clamping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0085—Modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/10015—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by monitoring or controlling, e.g. attenuating, the input signal

Definitions

  • the invention relates to a method for generating output laser pulses from input laser pulses, each with previously known pulse energies and spacings, with the input laser pulses passing through an optical component with temperature-dependent power efficiency one after the other, heating the optical component and emitting them from the optical component as output laser pulses. occur, as well as a laser system suitable for carrying out this method and an associated control program product.
  • the laser pulse power can be temperature-dependent, and at very high power there can be fluctuations in the pulse peak power, pulse energy, pulse duration or pulse quality due to temperature-related properties.
  • US Pat. No. 6,697,390 B2 measures the temperature at the non-linear conversion crystal and achieves constant efficiency by heating/cooling, which keeps the conversion crystal at a constant temperature level.
  • the pump power is adjusted to compensate for degradation in a nonlinear crystal.
  • Frequency-converted, in particular pulsed, laser radiation with arbitrary, external single-pulse triggering generates a non-constant, unpredictable thermal load in the laser system that causes fluctuations in the single-pulse energy (e.g. due to phase mismatch or beam size change).
  • POD Pulse on Demand
  • these fluctuations cannot be compensated for sufficiently to achieve a pulse-to-pulse stability of typically less than 1-2% r.m.s. to reach.
  • the POD parameters can be set to a specific operating point and a minimum energy deviation can be set.
  • the automatic parameterization routines used to date to optimize the POD parameters are slow, since the parameters are determined in the established, thermal equilibrium at a fixed repetition rate (plus sacrificial laser pulses).
  • the present invention is based on the object, in the method mentioned at the outset, despite the temperature-dependent power efficiency of the optical component, output laser pulses with low jitter, namely with pulse energy deviations of less than 5%, preferably less than 2%, in particular with the same pulse energy in each case generate and also specify an associated laser system.
  • This object is achieved according to the invention with the method mentioned at the outset in that, on the basis of all previous input or output serpulse, which have contributed to the current heating of the optical component, a current temperature or a current temperature difference of the optical component or a temperature-dependent current parameter are calculated and that based on the calculated current temperature, the calculated current temperature difference or the calculated current parameter the power of a current input laser pulse is set such that the associated output laser pulse has a pulse energy that deviates by less than 5%, preferably less than 2%, from a specified pulse energy and is in particular equal to the specified pulse energy.
  • the selected input laser pulses are amplified or frequency converted by the optical component.
  • the temperature difference can refer to the "cold" state of equilibrium (thermal equilibrium) of the optical component.
  • the temperature-dependent parameter can be a temperature-dependent control parameter, for example.
  • a temperature or temperature difference of the optical component or a temperature-dependent parameter is calculated or simulated in almost real time by a computer model, from which a correction of the laser pulse energy can be derived and modulated to the current input laser pulse.
  • the calculated temperature, temperature difference and parameters are not a real temperature, temperature difference or measured variable of the optical component, but an abstract variable.
  • the computational model includes every previous laser pulse that has passed through the optical component and has contributed to the current heating of the optical component. Then the power of the current input laser pulse is adjusted in order to achieve the desired pulse energy after passing through the optical component. For example, the power of the current input laser pulse can be adjusted based on the deviation of the calculated current temperature from a specified (full load) operating temperature of the optical component.
  • the method according to the invention offers the following advantages in particular: - Arbitrary dynamic trigger programs can be approached regardless of different operating points with different thermal loads.
  • the power of the current input laser pulse is preferably set or modified before it passes through the optical component by cutting its pulse shape, in particular by cutting its amplitude and/or at least one of its two pulse flanks.
  • its power can already be set accordingly using the calculated current temperature, the calculated current temperature difference or the calculated current parameter.
  • this sacrificial laser pulse is preferably decoupled from the path of the amplified input laser pulses before the optical component .
  • a control unit eg FPGA (Field Programmable Gate Array) or microcontroller
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • microcontroller which is programmed, based on all previous input laser pulses which have contributed to the current heating of the optical component, a current temperature or a current temperature difference of the optical
  • the calculated current temperature difference or the calculated current parameter in such a way that the associated output laser pulse has a pulse energy that is less than 5% preferably by less than 2%, deviates from a specified pulse energy and in particular is equal to the specified pulse energy.
  • the optical component can be, for example, an optical amplifier for amplifying the input laser pulses or a (non-linear) conversion crystal for frequency-converting the input laser pulses.
  • the power setting device is preferably designed as an acousto-optical modulator (AOM) or electro-optical modulator (EOM) for clipping the pulse shape of the current input laser pulse.
  • AOM acousto-optical modulator
  • EOM electro-optical modulator
  • the modulator can be controlled by the control unit in terms of opening time and duration in such a way that the power of the current input laser pulse can be set as desired by cutting its pulse shape, in particular by cutting its amplitude and/or at least one of its two pulse edges.
  • the power setting device can also be formed by power regulation of the laser pulses generated by the pulse source as input laser pulses in order to set the power of the current input laser pulse as desired.
  • An optical amplifier for amplifying the input laser pulses can be arranged in front of the optical component.
  • a decoupling unit e.g. AOM or EOM
  • the control unit is advantageously arranged downstream of the amplifier for decoupling the amplified sacrificial laser pulses from the path of the amplified input laser pulses and in particular the optical component upstream.
  • the pulse source has a laser pulse generator for generating (seed) laser pulses which have known pulse energies, in particular the same pulse energies in each case, and are preferably repeated at a fixed frequency, and an off controlled by the control unit - Selection unit for selecting some of the laser pulses at previously known pulse times as input laser pulses.
  • the pulse source has a laser pulse generator controlled by the control unit for generating input laser pulses whose pulse energies and times are specified by the control unit.
  • the seed laser pulse generator can be designed as:
  • FIG. 3 schematically shows a first laser system according to the invention with the optical component shown in FIG. 1;
  • FIG. 4 shows the laser system shown in FIG. 3 with an additional optical amplifier
  • Figs. 2a, 2b show schematically the time profile of the calculated current temperature T of the optical component 1 through which the input laser pulses 2 pass with temperature-dependent power efficiency in the case of periodically repeated input laser pulses 2 with the same pulse energies (FIG. 2a) and in the case of non-periodic input laser pulses 2 repeated or only periodically repeated in sections with different pulse energies (FIG. 2b).
  • the periodically repeated input laser pulses 2 cause the optical component 1 to heat up to a substantially constant operating temperature T B , starting from an initial temperature T 0 in the cold (switched off) state.
  • non-periodically repeated input laser pulses 2 with different time intervals and/or different pulse energies lead to large temperature fluctuations between the output temperature To and the operating temperature TB and thus to considerable fluctuations in the power efficiency of the optical component 1 .
  • a power adjustment device 6 arranged between the pulse source 5 and the optical component 1, e.g. in the form of an AOM (acousto-optical modulator) or EOM (electro-optical modulator), for adjusting or reducing the respective pulse power of the input laser pulses 2, and
  • a control unit 7 which controls the pulse source 5 to provide an input laser pulse 2 and the power setting device 6 to set the respective pulse power.
  • the optical component 1 can be, for example, a non-linear conversion crystal for frequency-converting the input laser pulses 2 or an optical amplifier for amplifying the input laser pulses 2 .
  • the pulse power of the input laser pulses 2 is reduced by the power setting device 6 by the amplitude and/or one or both pulse edges of the input laser pulses 2 being cut.
  • the cut-off pulse components are directed to an absorber (not shown).
  • the control unit 7 temporally controls the power setting device 6 for a current input laser pulse 2 triggered by the control unit 7 such that after passing through the optical component 1 the associated output laser pulse 3 has a pulse energy , the deviates by less than 5%, preferably by less than 2%, from a specified pulse energy and in particular is equal to the specified pulse energy.
  • the input laser pulses 2 are - according to a user request 8 - triggered or provided by the control unit 7 in such a way that the associated output laser pulses 3 arrive at an output 9 at individually requested POD (pulse on demand) times.
  • the method described functions solely through the temporal activation of the laser source 5 and the power adjustment device 6 by the control unit 7, i.e. it is not regulated.
  • the selection unit 12 and the power adjustment device 6 can be formed as one element.
  • two or more adjacent seed laser pulses 11 can each be selected as an “input laser burst” (pulse packet), which passes through the optical component 1 and emerges from the optical component 1 as an output laser burst.
  • an optical amplifier 13 for amplifying the input laser pulses 2' is additionally arranged between the power adjustment device 6 and the optical component 1.
  • the optical amplifier 13 a gain-free minimum period of time, which is predetermined by the inversion structure required for a minimum gain in the optical amplifier 13, and a maximum period of time, which is predetermined by the inversion structure required for a maximum gain in the optical amplifier 13.
  • the minimum period of time is based on the fact that after pulse amplification, the inversion in the amplification medium of the optical amplifier 13 must first be reestablished in order to ensure pulse-to-pulse stability.
  • the maximum period of time prevents pulse pauses that are too long and thus large amplifications that lead to undesired pulse overshoots.
  • the control unit 7 in the form of an AOM or EOM, is timed by the control unit 7 in such a way that the amplified sacrificial laser pulse 14 is decoupled and applied to an absorber (not shown). is steered.
  • the two amplified input laser pulses 2 pass through the optical component 1, e.g. a conversion crystal, and arrive as output pulses 3 at the output 9 at the requested times.
  • the second laser system 4" shown in FIG. 5 differs only in that the pulse source 5 has one of the Control unit 7 controlled power control 16 for the laser pulse generator 10, so as to generate input laser pulses 2 with predetermined, possibly different pulse energies and times.
  • the pulse energy can also be set by a power setting device 6 which is arranged in the pulse generator 5 .
  • the transient behavior of the laser efficiency of the optical component 1 follows a cooling or heating process. If an effective temperature or temperature difference to the "cold" equilibrium state of the optical component 1 is known, the output power can be pre-compensated with the power setting device 6 .
  • the temperature difference can be understood as a correction variable and generally does not correspond to the actual temperature of the laser system 4, 4', 4".
  • the transfer function h of the optical component 1 should be described below by the input pulse energy E in the pulse 2 and the output pulse energy E out of the pulse 3 before and after the optical component 1, which also experiences a contribution from ⁇ T .
  • t and q(t) denote an intrinsic time constant and a variable heating term, respectively, and must be known to solve .
  • the heating term can be both negative and to contribute positively.
  • the pulse duration is always much shorter than the time constant t, a temperature change can be caused by an amount of heat without noticeable to generate discretization errors in the result. In general, it is not linearly dependent on the pulse energy propagated through the optical component 1 and is described below with the notation q ⁇ E pi ).
  • the amount of heat supplied can be expressed, for example, by a polynomial of any order n in approximately here:
  • the iterative procedure in sub-item a) is necessary if, for example, long time intervals between pulses occur and the condition is no longer complied with, which can lead to severe errors in the calculation of would.
  • a maximum discretization step is necessary such that in all m steps holds.
  • a « 1 should be chosen, 0.01 or even smaller.
  • the number of steps m is individually selected according to these criteria for each i-th pulse interval.
  • the corrections calculated in b) are implemented by the control unit 7 by activating the power setting device 6 for each pulse.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen (3) aus Eingangslaserpulsen (2) mit jeweils vorbekannten Pulsenergien und -abständen, wobei die Eingangslaserpulse (2) zeitlich nacheinander eine optische Komponente (1) mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz durchlaufen, dabei die optische Komponente (1) erwärmen und aus der optischen Komponente (1) als Ausgangslaserpulse (3) austreten, werden erfindungsgemäß anhand aller vorangegangenen Eingangs- oder Ausgangslaserpulse (2, 3), die zur aktuellen Erwärmung der optischen Komponente (1) beigetragen haben, eine aktuelle Temperatur (T) oder eine aktuelle Temperaturdifferenz der optischen Komponente (1) oder ein temperaturabhängiger aktueller Parameter berechnet und anhand der berechneten aktuellen Temperatur (T), der berechneten aktuellen Temperaturdifferenz oder des berechneten aktuellen Parameters die Leistung eines aktuellen Eingangslaserpulses (2) derart eingestellt, dass der zugehörige Ausgangslaserpuls (3) eine Pulsenergie aufweist, die um weniger als 5%von einer vorgegebenen Pulsenergie abweicht. In einem Lasersystem (4) ist eine Steuereinheit (7) so programmiert, dass das Verfahren entsprechend ausgeführt wird.

Description

Verfahren und Lasersystem zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen mit einer optischen Komponente mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz und zugehöriges Computerproqrammprodukt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen aus Eingangslaserpulsen mit jeweils vorbekannten Pulsenergien und -abständen, wo- bei die Eingangslaserpulse zeitlich nacheinander eine optische Komponente mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz durchlaufen, dabei die optische Kompo- nente erwärmen und aus der optischen Komponente als Ausgangslaserpulse aus- treten, sowie auch ein zum Durchführen dieses Verfahrens geeignetes Lasersys- tem und ein zugehöriges Steuerungsprogrammprodukt. In Lasersystemen mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz, z.B. Lasersyste- men mit Frequenzkonversion, thermischen Linsen etc., kann die Laserpulsleistung temperaturabhängig sein, und es kann bei sehr hohen Leistungen aufgrund von temperaturbedingten Eigenschaften zu Schwankungen in der Pulsspitzenleistung, Pulsenergie, Pulsdauer oder Pulsqualität kommen.
Um eine konstante Effizienz bei der Frequenzkonversion zu erhalten, wird in der US 6,697,390 B2 die Temperatur am nichtlinearen Konversionskristall gemessen und die konstante Effizienz über eine Heizung/Kühlung gelöst, die den Konversi- onskristall auf einem konstanten Temperaturniveau hält. Außerdem wird die Pumpleistung angepasst, um eine Degradation in einem nichtlinearen Kristall aus- zugleichen.
Frequenzkonvertierte, insbesondere gepulste Laserstrahlung mit arbiträrer, exter- ner Einzelpulstriggerung (sogenannte POD (Pulse on Demand)-Laserpulse) er- zeugt eine nicht konstante, nicht vorhersehbare, thermische Last im Lasersystem, die Schwankungen der Einzelpulsenergie (z.B. durch Phasenfehlanpassung oder Strahlgrößenänderung). Auf den Zeitskalen, die für typische Bearbeitungspro- zesse relevant sind, lassen sich diese Schwankungen nicht ausreichend wegre- geln, um eine Puls zu Puls Stabilität von typischerweise kleiner als 1-2% r.m.s. zu erreichen.
Lasersysteme mit nichtlinearer Frequenzkonversion reagieren in den Ausgangs- parametern Konversionseffizienz und Laserpulsenergie der zu erzeugenden opti- schen Frequenzen (phasematching) empfindlich insbesondere auf Strahlgröße und Strahlqualität sowie auf Phasenanpassung der fundamentalen, eingangsseiti- gen Laserstrahlung. Eine nicht instantane Änderung dieser Parameter entsteht dann, wenn das Lasersystem aus seinem thermischen Gleichgewicht gebracht wird (Lastwechsel), wie dies bei arbiträrer, externer Einzelpulstriggerung der Fall ist. POD-Laserpulse erfordern inhärent sehr schnelle, dynamische Lastwechsel, die im Allgemeinen vom Laserhersteller nicht vorhergesehen werden können. Bei enger Spezifikation der Puls zu Puls Stabilität (z.B. 1-2% r.m.s.) kann das ein Problem darstellen, zumal eine Regelung dann für den allgemeinen Fall zu lang- sam ist. Bei Lasersystemen mit Pulsabständen der angeforderten Pulse im Mikro- sekundenbereich können diese Schwankungen nicht mehr über eine Temperatur- regelung ausgeglichen werden, da thermische Kompensation typischerweise nur im Millisekunden-/Sekundenbereich gewährleistet werden kann.
Bekannte Kurzpulslasersysteme mit Pulsdauern im Femto- oder Pikosekunden- bereich haben eine taktratenabhängige Laserpulsenergie bei konstanter Pumpleis- tung und werden in der Regel mit konstanter Frequenz betrieben. Im POD-Betrieb möchte der Anwender die Laserpulse mit freiwählbarer Triggerung und konstanter einstellbarer Pulsenergie betreiben. Bisherige POD-Schemen konzentrieren sich auf konstante Pulsenergie. Bei einem nichtlinearen System muss man zusätzlich gleiche Nichtlinearitäten gewährleisten, um die gleichen zeitlichen Pulseigenschaf- ten, wie z.B. Pulsdauer und Pulsbreite, zu erhalten. Dies ist besonders wichtig bei nachfolgender Frequenzkonversion oder anderen nichtlinearen Prozessen (z.B. Glasschneiden).
Bei Kenntnis eines stets gleichbleibenden Bearbeitungsprogrammes (mit nicht zu stark variierender mittlerer Durchschnittsleistung) können die POD-Parameter auf einen bestimmten Arbeitspunkt eingestellt werden und eine minimale Energieab- weichung eingestellt werden. Bisher verwendete, automatische Parametrierungs- routinen zur Optimierung der POD-Parameter sind langsam, da die Parameter im eingelaufenen, thermischen Gleichgewicht bei fixer Wiederholrate (plus Opferla- serpulse) bestimmt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs genannten Verfahren trotz der temperaturabhängigen Leistungseffizienz der optischen Komponente Ausgangslaserpulse mit geringem Jitter, nämlich mit Pulsenergieabweichungen von weniger als 5%, bevorzugt weniger als 2%, insbe- sondere mit jeweils gleicher Pulsenergie, zu erzeugen sowie auch ein zugehöriges Lasersystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass anhand aller vorangegangenen Eingangs- oder Ausgangsla- serpulse, die zur aktuellen Erwärmung der optischen Komponente beigetragen ha- ben, eine aktuelle Temperatur oder eine aktuelle Temperaturdifferenz der opti- schen Komponente oder ein temperaturabhängiger aktueller Parameter berechnet werden und dass anhand der berechneten aktuellen Temperatur, der berechneten aktuellen Temperaturdifferenz oder des berechneten aktuellen Parameters die Leistung eines aktuellen Eingangslaserpulses derart eingestellt wird, dass der zu- gehörige Ausgangslaserpuls eine Pulsenergie aufweist, die um weniger als 5%, bevorzugt um weniger als 2%, von einer vorgegebenen Pulsenergie abweicht und insbesondere gleich der vorgegebenen Pulsenergie ist. Vorzugsweise werden die ausgewählten Eingangslaserpulse von der optischen Komponente verstärkt oder frequenzkonvertiert.
Die Temperaturdifferenz kann sich auf den „kalten“ Gleichgewichtszustand (ther- misches Gleichgewicht) der optischen Komponente beziehen. Bei dem tempera- turabhängigen Parameter kann es sich beispielsweise um einen temperaturabhän- gigen Steuerparameter handeln.
Erfindungsgemäß werden durch ein rechnerisches Modell eine Temperatur oder Temperaturdifferenz der optischen Komponente oder ein temperaturabhängiger Parameter in nahezu Echtzeit berechnet bzw. simuliert, aus der sich eine Korrek- tur der Laserpulsenergie ableiten und auf den aktuellen Eingangslaserpuls modu- lieren lässt. Bei der berechneten Temperatur, Temperaturdifferenz und Parameter handelt es sich nicht um eine reale Temperatur, Temperaturdifferenz oder Mess- größe der optischen Komponente, sondern um eine abstrakte Größe. Das rechne- rische Modell bezieht dabei jeden vorangegangenen Laserpuls, der die optische Komponente durchlaufen hat und zur aktuellen Erwärmung der optischen Kompo- nente beigetragen hat, mit ein. Dann wird die Leistung des aktuellen Eingangsla- serpulses angepasst, um nach Durchlaufen der optischen Komponente die ge- wünschte Pulsenergie zu erreichen. Beispielsweise kann anhand der Abweichung der berechneten aktuellen Temperatur von einer vorgegebenen (Volllast)Betriebs- temperatur der optischen Komponente die Leistung des aktuellen Eingangslaser- pulses eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet insbesondere die folgenden Vorteile: - Arbiträr dynamische Triggerprogramme können ungeachtet unterschiedlicher Arbeitspunkte mit unterschiedlich ausfallender thermischer Last angefahren werden.
- Es kann auf eine Totzeit (typischerweise mehrere Sekunden) zum Einlaufen des Lasers vor Prozessbeginn verzichtet werden.
- Komplexeres thermisches Verhalten, z.B. mit mehreren optischen Komponen- ten mit jeweils temperaturabhängiger Leistungseffizienz, lässt sich beispiels- weise über ein Modell mit mehreren separaten Temperaturen nachbilden.
Bevorzugt wird die Leistung des aktuellen Eingangslaserpulses vor Durchlaufen der optischen Komponente durch Beschneiden seiner Pulsform, insbesondere durch Beschneiden seiner Amplitude und/oder mindestens einer seiner beiden Pulsflanken, eingestellt bzw. modifiziert. Alternativ oder zusätzlich kann bereits beim Erzeugen des aktuellen Eingangslaserpulses dessen Leistung anhand der berechneten aktuellen Temperatur, der berechneten aktuellen Temperaturdiffe- renz oder des berechneten aktuellen Parameters entsprechend eingestellt wer- den.
Für den Fall, dass die Eingangslaserpulse vor der optischen Komponente ver- stärkt werden und dabei mindestens ein Eingangslaserpuls als zusätzlicher Puls (sogenannter Opferlaserpuls) eingesetzt wird, wird dieser Opferlaserpuls bevor- zugt vor der optischen Komponente aus dem Pfad der verstärkten Eingangslaser- pulse wieder ausgekoppelt.
Statt eines einzelnen Eingangslaserpulses können auch mehrere benachbarte Eingangslaserpulse als ein Laserburst die optische Komponente durchlaufen und aus der optischen Komponente als ein Ausgangslaserburst austreten.
In einer Verfahrensvariante werden die Eingangslaserpulse zu derartigen Zeit- punkten bereitgestellt, dass die Ausgangslaserpulse an einem Ausgang als POD- Laserpulse zu individuell angeforderten Zeitpunkten ankommen. Falls erforderlich, wird mindestens ein Eingangslaserpuls als zusätzlicher Puls (sogenannter Opfer- laserpuls) eingesetzt, der dann aus dem Pfad der verstärkten Eingangslaserpulse wieder ausgekoppelt wird. Vorzugsweise werden aus einer Pulsfolge von (Seed)Laserpulsen, welche be- kannte Pulsenergien, insbesondere jeweils die gleichen Pulsenergien, aufweisen und bevorzugt mit einer festen Frequenz repetiert werden, einzelne Laserpulse ausgewählt und als Eingangslaserpulse mit jeweils bekannten Pulsenergien und -abständen bereitgestellt. Alternativ können Laserpulse bereits mit jeweils bekann- ten Pulsenergien und -abständen erzeugt und als Eingangslaserpulse bereitge- stellt werden.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Lasersystem zum Erzeu- gen von Ausgangslaserpulsen aus Eingangslaserpulsen mit jeweils vorbekannten Pulsenergien und -abständen, aufweisend:
- eine Pulsquelle zum Bereitstellen von Eingangslaserpulsen mit jeweils vorbe- kannten Pulsenergien und -abständen,
- eine optische Komponente mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz, die von den Eingangslaserpulsen durchlaufen und dabei erwärmt wird, wobei die Eingangslaserpulse aus der optischen Komponente als Ausgangslaserpulse austreten,
- eine Leistungseinstelleinrichtung zum Einstellen der jeweiligen Pulsleistung der Eingangslaserpulse, und
- eine Steuereinheit (z.B. FPGA(Field Programmable Gate Array) oder Mikrocon- troller), die programmiert ist, anhand aller vorangegangenen Eingangslaser- pulse, welche zur aktuellen Erwärmung der optischen Komponente beigetragen haben, eine aktuelle Temperatur oder eine aktuelle Temperaturdifferenz der op- tischen Komponente oder einen temperaturabhängigen aktuellen Parameter zu berechnen und anhand der berechneten aktuellen Temperatur, der berechneten aktuellen Temperaturdifferenz oder des berechneten aktuellen Parameters die Leistungseinstelleinrichtung für einen aktuellen Eingangslaserpuls derart anzu- steuern, dass der zugehörige Ausgangslaserpuls eine Pulsenergie aufweist, die um weniger als 5%, bevorzugt um weniger als 2%, von einer vorgegebenen Pulsenergie abweicht und insbesondere gleich der vorgegebenen Pulsenergie ist. Die optische Komponente kann beispielsweise ein optischer Verstärker zum Ver- stärken der Eingangslaserpulse oder ein (nichtlinearer) Konversionskristall zum Frequenzkonvertieren der Eingangslaserpulse sein.
Die Leistungseinstelleinrichtung ist bevorzugt als ein akustooptischer Modulator (AOM) oder elektrooptischer Modulator (EOM) zum Beschneiden der Pulsform des aktuellen Eingangslaserpulses ausgebildet. Der Modulator kann bzgl. Öffnungs- zeitpunkt und -dauer von der Steuereinheit so angesteuert werden, dass durch Beschneiden seiner Pulsform, insbesondere durch Beschneiden seiner Amplitude und/oder mindestens einer seiner beiden Pulsflanken, die Leistung des aktuellen Eingangslaserpulses wie gewünscht eingestellt werden kann. Alternativ kann die Leistungseinstelleinrichtung auch durch eine Leistungsregelung der von der Puls- quelle als Eingangslaserpulse erzeugten Laserpulse gebildet sein, um die Leis- tung des aktuellen Eingangslaserpulses wie gewünscht einzustellen.
Vor der optischen Komponente kann ein optischer Verstärker zum Verstärken der Eingangslaserpulse angeordnet sein. Für den Fall, dass in dem Verstärker auch Opferlaserpulse verstärkt werden, ist dem Verstärker vorteilhaft eine von der Steuereinheit angesteuerte Auskoppeleinheit (z.B. AOM oder EOM) zum Auskop- peln der verstärkten Opferlaserpulse aus dem Pfad der verstärkten Eingangslaser- pulse nachgeordnet und insbesondere der optischen Komponente vorgeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Pulsquelle einen Laserpulserzeu- ger zum Erzeugen von (Seed)Laserpulsen, welche bekannte Pulsenergien, insbe- sondere jeweils die gleichen Pulsenergien, aufweisen und bevorzugt mit einer fes- ten Frequenz repetiert werden, und eine von der Steuereinheit angesteuerte Aus- wahleinheit zum Auswählen einiger der Laserpulse zu jeweils vorbekannten Puls- zeitpunkten als Eingangslaserpulse auf. In einer anderen bevorzugten Ausfüh- rungsform weist die Pulsquelle einen von der Steuereinheit angesteuerten Laser- pulserzeuger zum Erzeugen von Eingangslaserpulsen auf, deren Pulsenergien und -Zeitpunkte von der Steuereinheit vorgegeben werden. Dabei kann der Seed laserpulserzeuger ausgeführt sein als:
- ein Faseroszillator und Verstärker (Faser oder anderes Medium) mit Pulsdauern im fs - ns-Bereich; - Laserdiode und Verstärker (Faser oder anderes Medium) mit Pulsdauern im ns- Bereich.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Steuerungsprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuereinheit des oben beschriebenen Lasersystems abläuft.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine von Eingangslaserpulsen durchlaufenen opti- sche Komponente mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz; Fign. 2a, 2b schematisch den zeitlichen Verlauf einer erfindungsgemäß be- rechneten Temperatur der von Eingangslaserpulsen durchlaufe- nen optischen Komponente mit temperaturabhängiger Leistungs- effizienz im Fall von periodisch repetierten Eingangslaserpulsen (Fig. 2a) mit gleichen Pulsenergien und im Fall von nicht-periodi- schen Eingangslaserpulsen mit unterschiedlichen Pulsenergien (Fig. 2b);
Fig. 3 schematisch ein erstes erfindungsgemäßes Lasersystem mit der in Fig. 1 gezeigten optischen Komponente;
Fig. 4 das in Fig. 3 gezeigte Lasersystem mit einem zusätzlichen opti- schen Verstärker; und
Fig. 5 schematisch ein zweites erfindungsgemäßes Lasersystem mit der in Fig. 1 gezeigten optischen Komponente. Die in Fig. 1 gezeigte optische Komponente 1 dient zum optischen Beeinflussen von mehreren (hier lediglich beispielhaft zwei) Eingangslaserpulsen 2, welche die optische Komponente 2 zeitlich nacheinander durchlaufen und aus der optischen Komponente 2 als Ausgangslaserpulse 3 austreten.
Die optische Komponente 1 hat eine temperaturabhängige Leistungseffizienz und wird von den durchlaufenden Eingangslaserpulsen 2 erwärmt, so dass sich die Leistungseffizienz der optische Komponenten 1 in Abhängigkeit von den durchlau- fenen Eingangslaserpulsen 2 zeitlich ändert. Die optische Komponente 1 kann bei- spielsweise ein nichtlinearer Konversionskristall zum Frequenzkonvertieren der Eingangslaserpulse 2 oder ein optischer Verstärker zum Verstärken der Eingangs- laserpulse 2 sein. Anhand aller vorangegangenen Eingangslaserpulse 2, welche die optische Komponente 1 durchlaufen haben und somit zur aktuellen Erwär- mung der optischen Komponente 1 beigetragen haben, kann eine (abstrakte) ak- tuelle Temperatur T der optischen Komponente 1 berechnet werden.
Fign. 2a, 2b zeigen schematisch den zeitlichen Verlauf der berechneten aktuellen Temperatur T der von Eingangslaserpulsen 2 durchlaufenen optischen Kompo- nente 1 mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz im Fall von periodisch repe- tierten Eingangslaserpulsen 2 mit jeweils gleichen Pulsenergien (Fig. 2a) und im Fall von nicht periodisch repetierten bzw. nur abschnittsweise periodisch repetier- ten Eingangslaserpulsen 2 mit unterschiedlichen Pulsenergien (Fig. 2b). Die perio- disch repetierten Eingangslaserpulse 2 führen dazu, dass sich die optische Kom- ponente 1 , ausgehend von einer Ausgangstemperatur T0 im kalten (ausgeschalte- ten) Zustand, auf eine im Wesentlichen konstante Betriebstemperatur TB erwärmt. Demgegenüber führen nicht periodisch repetierte Eingangslaserpulse 2 mit unter- schiedlichen zeitlichen Abständen und/oder unterschiedlichen Pulsenergien zu großen Temperaturschwankungen zwischen Ausgangstemperatur To und Be- triebstemperatur TB und damit zu erheblichen Schwankungen der Leistungseffizi- enz der optischen Komponente 1 .
Das in Fig. 3 gezeigte Lasersystem 4 weist folgende Komponenten auf: - eine Pulsquelle 5 zum Bereitstellen von Eingangslaserpulsen 2 mit jeweils vor- bekannten Pulsenergien,
- eine optische Komponente 1 mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz, die von den Eingangslaserpulsen 2 durchlaufen und dabei erwärmt wird, wobei die Eingangslaserpulse 2 aus der optischen Komponente 1 als Ausgangslaserpulse 3 austreten,
- eine zwischen der Pulsquelle 5 und der optischen Komponente 1 angeordnete Leistungseinstelleinrichtung 6, z.B. in Form eines AOM (akustooptischer Modu- lator) oder EOM (elektrooptischer Modulator), zum Einstellen bzw. Reduzieren der jeweiligen Pulsleistung der Eingangslaserpulse 2, und
- eine Steuereinheit 7, welche die Pulsquelle 5 zum Bereitstellen eines Eingangs- laserpulses 2 und die Leistungseinstelleinrichtung 6 zum Einstellen der jeweili- gen Pulsleistung ansteuert.
Die optische Komponente 1 kann beispielsweise ein nichtlinearer Konversionskris- tall zum Frequenzkonvertieren der Eingangslaserpulse 2 oder ein optischer Ver- stärker zum Verstärken der Eingangslaserpulse 2 sein. Die Pulsleistung der Ein- gangslaserpulse 2 wird von der Leistungseinstelleinrichtung 6 reduziert, indem die Amplitude und/oder eine oder beide Pulsflanken der Eingangslaserpulse 2 be- schnitten werden. Die abgeschnittenen Pulsanteile werden auf einen nicht gezeig- ten Absorber gelenkt.
Die Eingangslaserpulse 2 mit bekannten Pulsenergien werden von der Steuerein- heit 7 zeitlich ausgelöst, d.h. , die Steuereinheit 7 kennt sowohl die Pulsenergien als auch die Zeitpunkte aller ausgelösten Eingangslaserpulse 2. Anhand aller vo- rangegangenen Eingangslaserpulse 2, welche die optische Komponente 1 durch- laufen haben und somit zur aktuellen Erwärmung der optischen Komponente 1 beigetragen haben, werden von der Steuereinheit 7 die (abstrakte) aktuelle Tem- peratur T oder, wie unten beschrieben, eine (abstrakte) aktuelle Temperaturdiffe- renz DT der optischen Komponente 1 berechnet. Anhand der berechneten aktuel- len Temperatur T der optischen Komponente 1 steuert die Steuereinheit 7 die Leistungseinstelleinrichtung 6 für einen von der Steuereinheit 7 ausgelösten, aktu- ellen Eingangslaserpuls 2 zeitlich derart an, dass nach Durchlaufen der optischen Komponente 1 der zugehörige Ausgangslaserpuls 3 eine Pulsenergie aufweist, die um weniger als 5%, bevorzugt um weniger als 2%, von einer vorgegebenen Puls- energie abweicht und insbesondere gleich der vorgegebenen Pulsenergie ist. Die Eingangslaserpulse 2 werden - entsprechend einer Anwenderanforderung 8 - von der Steuereinheit 7 derart ausgelöst bzw. bereitgestellt, dass die zugehörigen Aus- gangslaserpulse 3 an einem Ausgang 9 zu individuell angeforderten POD(Pulse on Demand)-Zeitpunkten ankommen.
Das beschriebene Verfahren funktioniert allein durch die zeitliche Ansteuerung der Laserquelle 5 und der Leistungseinstelleinrichtung 6 durch die Steuereinheit 7, d.h., es wird nicht geregelt.
Wie in Fig. 3 gezeigt, kann die Pulsquelle 5 einen Laserpulserzeuger 10 zum Er- zeugen von (Seed)Laserpulsen 11 und eine von der Steuereinheit 7 angesteuerte Auswahleinheit (Pulspicker) 12, z.B. in Form eines AOM oder EOM, zum Auswah- len einiger der Seedlaserpulse 11 als Eingangslaserpulse 2 aufweisen. Der Laser- pulserzeuger 10 repetiert die Seedlaserpulse 11 mit einer Eingangsfrequenz f0, die fest eingestellt ist und insbesondere im MHz-Bereich, z.B. im Bereich zwischen 10 MHz und 200 MHz, liegt. Die ausgewählten Seedlaserpulse 11 werden vom Pulspicker 12 unabgelenkt als Eingangslaserpulse 2 durchgelassen, während die nicht ausgewählten Seedlaserpulse 11 vom Pulspicker 12 ausgekoppelt und auf einen nicht gezeigten Absorber gelenkt werden.
Anstatt wie gezeigt, kann die Auswahleinheit 12 und die Leistungseinstelleinrich- tung 6 als ein Element ausgebildet sein.
Statt eines einzelnen Seedlaserpulses 11 können auch zwei oder mehrere be- nachbarte Seedlaserpulse 11 jeweils als ein „Eingangslaserburst“ (Pulspaket) aus- gewählt werden, der die optische Komponente 1 durchläuft und aus der optischen Komponente 1 als ein Ausgangslaserburst austritt.
Im Lasersystem 4‘ der Fig. 4 ist zusätzlich zwischen der Leistungseinstelleinrich- tung 6 und der optischen Komponente 1 ein optischer Verstärker 13 zum Verstär- ken der Eingangslaserpulse 2‘ angeordnet. Dabei weist der optische Verstärker 13 eine verstärkungsfreie Mindestzeitspanne, die durch den für eine Mindestverstär- kung im optischen Verstärker 13 erforderlichen Inversionsaufbau vorgegeben ist, und eine Höchstzeitspanne, die durch den für eine Höchstverstärkung im opti- schen Verstärker 13 erforderlichen Inversionsaufbau vorgegeben ist, auf. Die Min- destzeitspanne beruht auf der Tatsache, dass nach einer Pulsverstärkung die In- version im Verstärkungsmedium des optischen Verstärkers 13 erst wiederaufge- baut werden muss, um eine Puls-zu-Puls-Stabilität zu gewährleisten. Die Höchst- zeitspanne verhindert zu lange Pulspausen und somit zu großen Verstärkungen, die zu unerwünschten Pulsüberhöhungen führen.
Für den Fall, dass der zeitliche Pulsabstand zwischen zwei Ausgangslaserpulsen 3 größer als die Höchstzeitspanne ist, wird von der Steuereinheit 7 zwischen die beiden Eingangslaserpulse 2‘ ein weiterer Eingangslaserpuls als Opferlaserpuls 14‘ eingefügt, der von dem zweiten zu verstärkenden Eingangspuls 2 um mindes- tens die Mindestzeitspanne und um höchstens die Höchstzeitspanne beabstandet ist. Dazu wird die Pulsquelle 5 von der Steuereinheit 7 entsprechend zeitlich ange- steuert, um einen weiteren Laserpuls als Opferlaserpuls 14' bereitzustellen. Die beiden Eingangslaserpulse 2' und der Opferlaserpuls 14' werden mittels des opti- schen Verstärkers 13 zu den Laserpulsen 2, 14 verstärkt. Eine zwischen dem opti- schen Verstärker 13 und der optischen Komponente 1 angeordnete, weitere Aus- koppeleinheit 15, z.B. in Form eines AOM oder EOM, wird von der Steuereinheit 7 zeitlich derart angesteuert, dass der verstärkte Opferlaserpuls 14 ausgekoppelt und auf einen nicht gezeigten Absorber gelenkt wird. Die beiden verstärkten Ein- gangslaserpulse 2 durchlaufen die optische Komponente 1 , z.B. einen Konversi- onskristall, und kommen zu den angeforderten Zeitpunkten als Ausgangspulse 3 am Ausgang 9 an.
Anstelle, wie gezeigt, extern kann die Leistungseinstelleinrichtung 6 alternativ auch in der Pulsquelle 5 integriert sein. Statt wie gezeigt vor der optischen Kompo- nente 1 kann die weitere Auskoppeleinheit 15 alternativ auch nach der optischen Komponente 1 angeordnet sein, um den verstärkten Opferpuls 14' auszukoppeln.
Vom Lasersystem 4, 4' der Fign. 3 und 4 unterscheidet sich das in Fig. 5 gezeigte zweite Lasersystem 4“ lediglich dadurch, dass hier die Pulsquelle 5 eine von der Steuereinheit 7 angesteuerte Leistungsregelung 16 für den Laserpulserzeuger 10 aufweist, um so Eingangslaserpulse 2 mit vorgegebenen, ggf. unterschiedlichen Pulsenergien und -Zeitpunkten zu erzeugen. Alternativ kann die Pulsenergie auch durch eine Leistungseinstelleinrichtung 6, welche im Pulserzeuger 5 angeordnet ist, eingestellt werden.
Im Folgenden wird ein rechnerisches Modell zur Berechnung der abstrakten Tem- peratur T der optischen Komponente 1 beschrieben.
Das Einschwingverhalten der Lasereffizienz der optischen Komponente 1 folgt ei- nem Abkühl- oder Heizprozess. Bei Kenntnis einer effektiven Temperatur oder Temperaturdifferenz zum „kalten“ Gleichgewichtszustand der optischen Kompo- nente 1 lässt sich die Ausgangsleistung mit der Leistungseinstelleinrichtung 6 vor- kompensieren. Die Temperaturdifferenz kann dabei als Korrekturgröße verstan- den werden und entspricht allgemein nicht der wirklichen Temperatur des Laser- systems 4, 4‘, 4“.
Die Transferfunktion h der optischen Komponentel soll im Folgenden beschrie- ben sein durch die Eingangspulsenergie Ein der Pulse 2 und die Ausgangspulse- nergie Eout der Pulse 3 vor, bzw. nach der optischen Komponente 1 , die auch ei- nen Beitrag durch ΔT erfährt.
Ein Modell für h könnte zum Beispiel so aussehen:
Dabei sei die Kennlinie der optischen Komponente 1 im kalten Zustand (ΔT =
0). Diese Kennlinie kann experimentell bei geringer Heizleistung (großer Pulsab- stand) gemessen und als Tabelle gespeichert werden. Es wird vorausgesetzt, dass zu h und im relevanten Werte- und Definitionsbereich jeweils ihre Umkeh- rungen h und existieren.
Die Entwicklung der Temperaturdifferenz / Korrekturgröße DT lässt sich über die Zeit t z.B. als Differentialgleichung beschreiben und stellt ein Anfangswertprob- lem dar.
Für einen solchen Kühl- oder Heizprozess bezeichnen t und q(t) jeweils eine intrinsische Zeitkonstante bzw. einen variablen Heizterm und müssen zur Lösung von bekannt sein. Der Heizterm kann dabei sowohl negativ, als auch positiv zu beitragen.
Durch den Pulsbetrieb des Lasers ergibt sich eine natürliche, zeitliche Diskretisie- rung der Differentialgleichung zu den Zeitpunkten die sich immer auf ein dazugehöriges Zeitintervall Att zum jeweils vorhergegangenen Laserimpuls beziehen. Im Folgenden ist ΔTi gleichbedeutend mit ΔT(ti). Die Zeitintervalle Att müssen dabei nicht äquidistant sein. Eine solche zeitliche Diskretisierung ermög- licht nummerische Lösungsschemata, wie z.B. eine Beschreibung durch finite Dif- ferenzen:
Die Heizleistung wird durch diskrete Pulspakete mit Pulsenergien E erzeugt.
Da die Pulsdauer jeweils sehr viel kürzer als die Zeitkonstante t ist, kann eine Temperaturänderung jeweils durch eine Wärmemenge erfolgen, ohne merkli- che Diskretisierungsfehler im Ergebnis zu erzeugen. Dabei ist generell nicht- linear abhängig von der durch die optische Komponente 1 propagierten Pulsener- gie und wird im Folgenden mit der Notation q{Ep i ) beschrieben. Die zugeführte Wärmemenge lässt sich z.B. durch ein Polynom beliebiger Ordnung n in annä- hern:
Der Index p unterscheidet dabei, ob es sich um die Eingangs- (in) oder die Aus- gangspulsenergie {out) handelt, die maßgeblich für den Heizvorgang verantwort- lich ist. Z.B. absorbiert ein optisch nichtlinearer Kristall für Frequenzkonversion in der optischen Komponente 1 typischerweise unterschiedlich stark bei Ein- und Ausgangswellenlänge des Lichtes. Im gewählten Beispiel soll p = in eine haupt- sächliche Abhängigkeit von den Eingangspulsen andeuten. Die Ausgangspulse- nergie Eout wird hierbei über errechnet.
Die effektive Temperaturdifferenz wird zu allen Zeiten in nahezu Echtzeit mit- gerechnet. Im Kalten Zustand ist der Anfangswert Jeder angeforderte (i- te) Puls mit Pulsenergie Ep i macht einen additiven Eintrag und der Abkühlprozess passiert in den Totzeiten, während der keine Pulse durch die opti- sche Komponente 1 propagieren. Eine sequenzielle Vorschrift, um ΔTi nach dem i-ten Puls zu errechnen sieht zum Beispiel wie folgt aus: a) Abkühlen während Totzeit in m Schritten mit k = 1 ...m und Δti = b) Wähle durch 6 so, dass Eout i der angeforderten Ausgangspulsenergie entspricht. In diesem Beispiel so c) Änderung der Temperatur:
Das iterative Vorgehen in Unterpunkt a) ist dann notwendig, wenn z.B. lange zeitli- che Abstände zwischen Pulsen auftreten und die Bedingung nicht mehr eingehalten wird, was zu starken Fehlern bei der Berechnung von führen würde. Ein maximaler Diskretisierungsschritt ist notwendig, sodass in allen m Schritten gilt. Dabei soll a « 1 gewählt werden, 0,01 oder noch kleiner. Die Anzahl an Schritten m wird nach diesen Kriterien für je- den i-ten Pulsabstand individuell ausgewählt. Die in b) errechneten Korrekturen werden von der Steuereinheit 7 durch Ansteuern der Leistungseinstelleinrichtung 6 für jeden Puls umgesetzt.
Eine solche Lasersteuerung ließe sich zum Beispiel auf einem Microcontroller oder FPGA umsetzen. Bei multifaktoriellen Beiträgen zur thermischen Modifikation der Ausgangspulspa- rameter können ^ effektive Temperaturen ∆^^ mitgerechnet werden, die eine Ge- samtkorrektur ∆^^^^^^ ergeben: mit den jeweiligen ^ diskretisie rten erentagec ungen, die für jeden ^-ten La- serimpuls gelöst werden müssen, und mit jeweils einem zugehörigen Heizterm ^̇^ und Zeitkonstante ^^: Die Berechnung der einz enen, Δ ^ ^ ann jewe s nac obgem Schema a) - c) ge- schehen. Verschiedene Beiträg nnen zum Beispiel durch unterschiedliche Ab- sorption bei unterschiedlichen Wellenlängen während der Frequenzkonversion be- dingt sein oder durch Erwärmung unterschiedlicher mechanischer Komponenten. Zur Lösung von ^^^ müssen, abgesehen vom Anfangswert ^^ ^ die Abbildung ^ ^ und die Zeitkonstante ^ bestimmt werden. Die Differ entialgleichung für ^^ ^) hat im Falle eines konstanten Heiztermes ^̇^ ^ ^^^ ^ ^^^^^ mit ^ = ^^^^^ und Anfangswert ^^(^ = 0) = 0 eine einfache Lösung: ^^ Somit lassen sic ( ) p ng der Kalibrati- ^ onsfunktion ^ an die Messung d Dies ist möglich, da sowohl die Ausgangstemperatur Δ^^, als auch die während der Messung konstanten Pulsenergien ^^^ /^^^^ bekannt sind. Bei der Messung des Einlaufverhaltens wird ein Lasersystem aus dem kalten Zustand heraus mit einer konstanten Eingangspulsenergie ^^^ und konstanten Pulswiederholfrequenz ^^^^ = 1⁄ Δ^^ = ^^^^^ betrieben und die Ausgangspulsenergie oder Leistung in genü gend kleinen zeitlichen Abständen Δ^ ≪ ^ aufgenommen und gespeichert. Die Messung des Einlaufverh altens der Ausgangspulsenergiewird für mindestens ^ verschiedene Einlaufkurven bei ^ unterschiedlichen, fixen Heizleistungen, bzw. Pulsenergien ^^^ ^ mit ^ = 1,2, … , ^ wiederholt, sodass mindestens ^ Messreihen zur eindeutigen Bestimmung des Heizbeitrages und des- sen Koeffizienten existieren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen (3) aus Eingangslaser- pulsen (2) mit jeweils vorbekannten Pulsenergien und -abständen, wobei die Eingangslaserpulse (2) zeitlich nacheinander eine optische Komponente (1) mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz durchlaufen, dabei die opti- sche Komponente (1) erwärmen und aus der optischen zum Einstellen der jeweiligen Pulsleistung Komponente (1) als Ausgangslaserpulse (3) austre- ten, dadurch gekennzeichnet, dass anhand aller vorangegangenen Eingangs- oder Ausgangslaserpulse (2, 3), die zur aktuellen Erwärmung der optischen Komponente (1) beigetra- gen haben, eine aktuelle Temperatur (T) oder aktuelle Temperaturdifferenz (DT) der optischen Komponente (1) oder ein temperaturabhängiger aktuel- ler Parameter berechnet werden und dass anhand der berechneten aktuel- len Temperatur (T), der berechneten aktuellen Temperaturdifferenz (DT) oder des berechneten aktuellen Parameters die Leistung eines aktuellen Eingangslaserpulses (1 ) derart eingestellt wird, dass der zugehörige Aus- gangslaserpuls (3) eine Pulsenergie aufweist, die um weniger als 5%, be- vorzugt um weniger als 2%, von einer vorgegebenen Pulsenergie abweicht und insbesondere gleich der vorgegebenen Pulsenergie ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsla- serpulse (2) von der optischen Komponente (1 ) verstärkt oder frequenzkon- vertiert werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Leistung des aktuellen Eingangslaserpulses (2) vor Durchlaufen der optischen Komponente (1) durch Beschneiden seiner Puls- form, insbesondere durch Beschneiden seiner Amplitude und/oder mindes- tens einer seiner beiden Pulsflanken, eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass bereits beim Erzeugen des aktuellen Eingangslaserpulses (2) dessen Leistung anhand der berechneten aktuellen Temperatur (T), der berechneten aktuellen Temperaturdifferenz (DT) oder des berechneten ak- tuellen Parameters entsprechend eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Eingangslaserpulse (2) vor der optischen Komponente (1) verstärkt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Eingangslaserpuls als Opferlaserpuls (14) verstärkt und vor der optischen Komponente (1) aus dem Pfad der verstärkten Eingangslaserpulse (2) aus- gekoppelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass mehrere benachbarte Eingangslaserpulse (2) als ein Laser- burst die optische Komponente (1) durchlaufen und aus der optischen Kom- ponente (1) als ein Ausgangslaserburst austreten.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Eingangslaserpulse (2) zu derartigen Zeitpunkten bereit- gestellt werden, dass die Ausgangslaserpulse (3) an einem Ausgang (9) zu individuell angeforderten Zeitpunkten ankommen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass aus einer Pulsfolge von Laserpulsen (11) mit jeweils bekann- ten Pulsenergien einzelne Laserpulse ausgewählt und als Eingangslaser- pulse (2) mit jeweils bekannten Pulsenergien und -abständen bereitgestellt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Laserpulse mit jeweils bekannten Pulsenergien und -abständen er- zeugt und als Eingangslaserpulse (2) erzeugt werden.
11. Lasersystem (4) zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen (3) aus Ein- gangslaserpulsen (2) mit jeweils vorbekannten Pulsenergien und -abstän- den, mit einer Pulsquelle (5) zum Bereitstellen von Eingangslaserpulsen (2) mit jeweils vorbekannten Pulsenergien und -Zeitpunkten, mit einer optischen Komponente (1) mit temperaturabhängiger Leistungsef- fizienz, die von den Eingangslaserpulsen (2) durchlaufen und dabei er- wärmt wird, wobei die Eingangslaserpulse (2) aus der optischen Kompo- nente (1) als Ausgangslaserpulse (3) austreten, mit einer Leistungseinstelleinrichtung (6) zum Einstellen der jeweiligen Puls- leistung der Eingangslaserpulse (2), und mit einer Steuereinheit (7), die programmiert ist, anhand aller vorangegan- genen Eingangs- oder Ausgangslaserpulse (2, 3), welche zur aktuellen Er- wärmung der optischen Komponente (1) beigetragen haben, eine aktuelle Temperatur (T) oder eine aktuelle Temperaturdifferenz (DT) der optischen Komponente (1) oder einen temperaturabhängigen Parameter zu berech- nen und anhand der berechneten aktuellen Temperatur (T), der berechne- ten aktuellen Temperaturdifferenz (DT) oder des berechneten aktuellen Pa- rameters die Leistungseinstelleinrichtung (6) für einen aktuellen Eingangsla- serpuls (2) derart anzusteuern, dass der zugehörige Ausgangslaserpuls (3) eine Pulsenergie aufweist, die um weniger als 5%, bevorzugt um weniger als 2%, von einer vorgegebenen Pulsenergie abweicht und insbesondere gleich der vorgegebenen Pulsenergie ist.
12. Lasersystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die opti- sche Komponente (1) ein optischer Verstärker zum Verstärken der Ein- gangslaserpulse (2) oder ein Konversionskristall zum Frequenzkonvertieren der Eingangslaserpulse (2) ist.
13. Lasersystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungseinstelleinrichtung (6) als ein akustooptischer oder elektroopti- scher Modulator zum Beschneiden der Pulsform des aktuellen Eingangsla- serpulses (2) ausgebildet oder durch eine Leistungsregelung (16) der von der Pulsquelle (5) als Eingangslaserpulse (2) erzeugten Laserpulse gebildet ist.
14. Lasersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich- net, dass vor der optischen Komponente (1 ) ein optischer Verstärker (13) zum Verstärken der Eingangslaserpulse (2) angeordnet ist.
15. Lasersystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Steuereinheit (7) angesteuerte Auskoppeleinheit (15), insbesondere in Form eines akustooptischen oder elektrooptischen Modulators, zum Aus- koppeln von verstärkten Eingangslaserpulsen als Opferlaserpulse (14‘) aus dem Pfad der Eingangslaserpulse (2) dem Verstärker (13) nachgeordnet und insbesondere der optischen Komponente (1) vorgeordnet ist.
16. Lasersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeich- net, dass die Pulsquelle (5) einen Laserpulserzeuger (10) zum Erzeugen von Laserpulsen (11) mit jeweils bekannten, insbesondere gleichen Puls- energien und eine von der Steuereinheit (7) angesteuerte Auswahleinheit (12) zum Auswählen einiger der Laserpulse (11 ) zu jeweils vorbekannten Pulszeitpunkten als Eingangslaserpulse (2) aufweist.
17. Lasersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeich- net, dass die Pulsquelle (5) einen von der Steuereinheit (7) angesteuerten Laserpulserzeuger (10) aufweist, um Eingangslaserpulse (2) mit vorgege- ben Pulsenergien und -Zeitpunkten zu erzeugen.
18. Steuerungsprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durch- führen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 an- gepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuereinheit (7) eines Laser- systems (4) nach einem Ansprüche 11 bis 17 abläuft.
EP21844283.8A 2021-02-17 2021-12-21 Verfahren und lasersystem zum erzeugen von ausgangslaserpulsen mit einer optischen komponente mit temperaturabhängiger leistungseffizienz und zugehöriges computerprogrammprodukt Pending EP4295452A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021201493.3A DE102021201493A1 (de) 2021-02-17 2021-02-17 Verfahren und Lasersystem zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen mit einer optischen Komponente mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz und zugehöriges Computerprogrammprodukt
PCT/EP2021/087158 WO2022174961A1 (de) 2021-02-17 2021-12-21 Verfahren und lasersystem zum erzeugen von ausgangslaserpulsen mit einer optischen komponente mit temperaturabhängiger leistungseffizienz und zugehöriges computerprogrammprodukt

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4295452A1 true EP4295452A1 (de) 2023-12-27

Family

ID=79686815

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21844283.8A Pending EP4295452A1 (de) 2021-02-17 2021-12-21 Verfahren und lasersystem zum erzeugen von ausgangslaserpulsen mit einer optischen komponente mit temperaturabhängiger leistungseffizienz und zugehöriges computerprogrammprodukt

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11942752B2 (de)
EP (1) EP4295452A1 (de)
KR (1) KR20230136656A (de)
CN (1) CN116998069A (de)
DE (1) DE102021201493A1 (de)
WO (1) WO2022174961A1 (de)

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6697390B2 (en) 2002-02-01 2004-02-24 Spectra Physics Lasers, Inc. Extended lifetime harmonic generator
US7242700B2 (en) 2004-10-05 2007-07-10 Coherent, Inc. Stabilized frequency-converted laser system
US7916764B2 (en) 2006-10-25 2011-03-29 Coherent, Inc. Output power control for harmonic-generating laser
US7826502B2 (en) 2006-12-14 2010-11-02 Jds Uniphase Corporation Circuit and method for lessening noise in a laser system having a frequency converting element
US8160113B2 (en) 2009-07-21 2012-04-17 Mobius Photonics, Inc. Tailored pulse burst
US8717670B2 (en) 2011-06-17 2014-05-06 Coherent, Inc. Fiber-MOPA apparatus for delivering pulses on demand
US8879589B2 (en) 2012-03-20 2014-11-04 Jds Uniphase Corporation Stabilizing beam pointing of a frequency-converted laser system
DE102014017568B4 (de) * 2014-11-30 2016-12-29 Edgewave Gmbh Master-Oszillator-Leistungsverstärker
JP2016181184A (ja) * 2015-03-24 2016-10-13 ソニー株式会社 制御装置、光学装置、制御方法及びプログラム
DE102016124087B3 (de) * 2016-12-12 2017-09-28 Active Fiber Systems Gmbh Erzeugung von Laserpulsen in einem Burstbetrieb
DE102017210272B3 (de) * 2017-06-20 2018-11-08 Trumpf Laser Gmbh Verfahren und Lasersystem zum Erzeugen verstärkter Pulse on Demand-Ausgangslaserpulse
DE102018200811B4 (de) * 2018-01-18 2020-02-20 Trumpf Laser Gmbh Verfahren und Lasersystem zum Erzeugen verstärkter Pulse on Demand-Ausgangslaserpulse
DE102020206636B3 (de) 2020-05-27 2021-07-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Laseranordnung und Verfahren zum Steuern einer Laseranordnung

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230136656A (ko) 2023-09-26
US11942752B2 (en) 2024-03-26
WO2022174961A1 (de) 2022-08-25
CN116998069A (zh) 2023-11-03
DE102021201493A1 (de) 2022-08-18
US20230387640A1 (en) 2023-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60015631T2 (de) Besonders stabiler Excimer- oder molekularer Fluor-Laser
DE69836861T2 (de) Pulslaser mit pulsenergieregulation
DE102006023601B4 (de) Lasersystem
EP2537216B1 (de) Laserverstärkungssystem und -verfahren zur erzeugung von abrufbaren laserpulsen
DE3750013T2 (de) Laserstrahlabtastverfahren und -vorrichtung.
DE69833083T2 (de) Regelung eines Diodenlaserleistungskompensators
EP2621031A2 (de) Optikanordnung und Verfahren zum Erzeugen von Lichtpulsen veränderbarer Verzögerung
WO2018234162A1 (de) Verfahren und lasersystem zum erzeugen verstärkter pulse-on-demand-ausgangslaserpulse
DE102012101144B4 (de) Hochleistungs-Lasereinrichtung mit exakt korrigierbarer Laserstärke
DE102014017931B3 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung
EP3741013A1 (de) Verfahren und lasersystem zum erzeugen verstärkter pulse on demand-ausgangslaserpulse
WO2019002378A1 (de) Dynamisches seeden von laserverstärkersystemen
DE102016122047B3 (de) Erzeugung von Ausgangslaserimpulsen mit einer abstimmbaren Zentralwellenlänge
EP3064992A1 (de) Optisches system und verfahren
DE102006060368B3 (de) Verfahren und Anordnung zur Stabilisierung der mittleren abgegebenen Strahlungsleistung einer gepulst betriebenen Strahlungsquelle
WO2022174961A1 (de) Verfahren und lasersystem zum erzeugen von ausgangslaserpulsen mit einer optischen komponente mit temperaturabhängiger leistungseffizienz und zugehöriges computerprogrammprodukt
WO2011128087A2 (de) Lasersystem mit nichtlinearer kompression
DE102010048294B4 (de) Laseranordnung mit einer Phasenfrontregelung
DE102015002559A1 (de) Stabilisieren optischer Frequenzkämme
EP4292175A1 (de) System zur detektion von pulsdauerschwankungen von laserpulsen und verfahren zur erzeugung von laserpulsen
EP1775806B1 (de) Verfahren zur Erzeugung zeitlich rechteckiger Ultrakurzpulse
DE102016107501B3 (de) Wellenlängenmessvorrichtung und Verfahren zur Messung der Wellenlänge
WO2014086834A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur synthese von elektromagnetischer strahlung
DE102019129337B4 (de) Laservorrichtung zur Erzeugung eines optischen Frequenzkamms
DE102007032253B4 (de) Verfahren zur Variation der Lichtleistung eines mittels einer nichtlinear optischen Anordnung gewonnenen, Frequenz-konvertierten Laserstrahls

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230810

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: TRUMPF LASER SE