EP4295452A1 - Method and laser system for generating output laser pulses using an optical component with temperature-dependent power efficiency, and associated computer program product - Google Patents

Method and laser system for generating output laser pulses using an optical component with temperature-dependent power efficiency, and associated computer program product

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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
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pulse
laser pulses
optical component
input
input laser
Prior art date
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Pending
Application number
EP21844283.8A
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German (de)
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 GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP4295452A1 publication Critical patent/EP4295452A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—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
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    • 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
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—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.

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Abstract

The invention relates to a method for generating output laser pulses (3) from input laser pulses (2), each having previously known pulse energies and pulse intervals, the input laser pulses (2) successively passing through an optical component (1) with temperature-dependent power efficiency, heating the optical component (1) in the process and emerging from the optical component (1) as output laser pulses (3). According to the invention, a current temperature (T) or a current temperature difference of the optical component (1) or a temperature-dependent current parameter are calculated using all the preceding input or output laser pulses (2, 3) which have contributed to the current heating of the optical component (1), and the power of a current input laser pulse (2) is set using the calculated current temperature (T), the calculated current temperature difference or the calculated current parameter such that the associated output laser pulse (3) has a pulse energy which deviates from a predefined pulse energy by less than 5%. In a laser system (4), a control unit (7) is programmed such that the method is carried out accordingly.

Description

Verfahren und Lasersystem zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen mit einer optischen Komponente mit temperaturabhängiger Leistungseffizienz und zugehöriges Computerproqrammprodukt Method and laser system for generating output laser pulses with an optical component with temperature-dependent power efficiency and associated computer program product
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. 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. In laser systems with temperature-dependent power efficiency, e.g. laser systems with frequency conversion, thermal lenses, etc., 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.
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. In order to obtain constant efficiency during frequency conversion, 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. In addition, the pump power is adjusted to compensate for degradation in a nonlinear crystal.
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. Frequency-converted, in particular pulsed, laser radiation with arbitrary, external single-pulse triggering (so-called POD (Pulse on Demand) laser pulses) 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). On the time scales that are relevant for typical machining processes, 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.
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. In the output parameters of conversion efficiency and laser pulse energy of the optical frequencies to be generated (phase matching), laser systems with non-linear frequency conversion react sensitively, in particular to beam size and beam quality as well as to phase matching of the fundamental, input-side laser radiation. A non-instantaneous change in these parameters occurs when the laser system is brought out of thermal equilibrium (load changes), as is the case with arbitrary, external single-pulse triggering. POD laser pulses inherently require very fast, dynamic load changes that generally cannot be predicted by the laser manufacturer. If the specification of the pulse-to-pulse stability (e.g. 1-2% rms) is narrow, this can pose a problem, especially since a control is then too long for the general case. Sam is. In the case of laser systems with pulse intervals between the requested pulses in the microsecond range, these fluctuations can no longer be compensated for by temperature control, since thermal compensation can typically only be guaranteed in the millisecond/second range.
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). Known short-pulse laser systems with pulse durations in the femtosecond or picosecond range have a clock rate-dependent laser pulse energy at a constant pump power and are generally operated at a constant frequency. In POD operation, the user would like to operate the laser pulses with freely selectable triggering and constant adjustable pulse energy. Previous POD schemes focus on constant pulse energy. In the case of a non-linear system, the same non-linearities must also be ensured in order to obtain the same temporal pulse properties, such as pulse duration and pulse width. This is particularly important for subsequent frequency conversion or other non-linear processes (e.g. glass cutting).
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. With knowledge of a machining program that always remains the same (with an average power that does not vary too much), 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).
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. In contrast, 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.
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. 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. Preferably, the selected input laser pulses are amplified or frequency converted by the optical component.
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. 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.
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. According to the invention, 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet insbesondere die folgenden Vorteile: - Arbiträr dynamische Triggerprogramme können ungeachtet unterschiedlicher Arbeitspunkte mit unterschiedlich ausfallender thermischer Last angefahren werden. 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.
- Es kann auf eine Totzeit (typischerweise mehrere Sekunden) zum Einlaufen des Lasers vor Prozessbeginn verzichtet werden. - There is no need for a dead time (typically several seconds) for the laser to run in before the start of the process.
- 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. - More complex thermal behavior, e.g. with several optical components, each with temperature-dependent power efficiency, can be simulated, for example, using a model with several separate temperatures.
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. 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. As an alternative or in addition, when the current input laser pulse is generated, its power can already be set accordingly using the calculated current temperature, the calculated current temperature difference or the calculated current parameter.
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. If the input laser pulses are amplified before the optical component and at least one input laser pulse is used as an additional pulse (so-called sacrificial laser pulse), this sacrificial laser pulse is preferably decoupled from the path of the amplified input laser pulses before the optical component .
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. Instead of a single input laser pulse, several adjacent input laser pulses can also pass through the optical component as a laser burst and emerge from the optical component as an output laser burst.
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. In a variant of the method, the input laser pulses are provided at such times that the output laser pulses arrive at an output as POD laser pulses at individually requested times. If necessary, at least one input laser pulse is used as an additional pulse (so-called sacrificial laser pulse), which is then decoupled from the path of the amplified input laser pulses. Individual laser pulses are preferably selected from a pulse sequence of (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 provided as input laser pulses with known pulse energies and spacings. Alternatively, laser pulses can already be generated with known pulse energies and distances and provided as input laser pulses.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Lasersystem zum Erzeu- gen von Ausgangslaserpulsen aus Eingangslaserpulsen mit jeweils vorbekannten Pulsenergien und -abständen, aufweisend: In a further aspect, the invention also relates to a laser system for generating output laser pulses from input laser pulses, each with previously known pulse energies and spacings, having:
- eine Pulsquelle zum Bereitstellen von Eingangslaserpulsen mit jeweils vorbe- kannten Pulsenergien und -abständen, - a pulse source for providing input laser pulses, each with previously known pulse energies and spacings,
- 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, - an optical component with temperature-dependent power efficiency, which is traversed by the input laser pulses and is thereby heated, the input laser pulses emerging from the optical component as output laser pulses,
- eine Leistungseinstelleinrichtung zum Einstellen der jeweiligen Pulsleistung der Eingangslaserpulse, und - a power setting device for setting the respective pulse power of the input laser pulses, and
- 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. - A control unit (eg FPGA (Field Programmable Gate Array) or 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 To calculate a component or a temperature-dependent current parameter and to control the power adjustment device for a current input laser pulse based on the calculated current temperature, 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.
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. 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. 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. Alternatively, 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.
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. An optical amplifier for amplifying the input laser pulses can be arranged in front of the optical component. In the event that sacrificial laser pulses are also amplified in the amplifier, a decoupling unit (e.g. AOM or EOM) controlled by 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.
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: In a preferred embodiment, 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. In another preferred embodiment, 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:
- 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. - a fiber oscillator and amplifier (fiber or other medium) with pulse durations in the fs - ns range; - Laser diode and amplifier (fiber or other medium) with pulse durations in the ns range.
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. Finally, the invention also relates to a control program product which has code means which are adapted to carry out all the steps of the method described above when the program runs on a control unit of the laser system described above.
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. Further advantages and advantageous configurations of the subject matter of the invention result from the description, the claims and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those listed below can each be used individually or together in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen: Show it:
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); 1 shows a schematic of an optical component through which input laser pulses pass, with temperature-dependent power efficiency; Figs. 2a, 2b schematically show the time course of a temperature calculated according to the invention of the optical component through which input laser pulses pass with temperature-dependent power efficiency in the case of periodically repeated input laser pulses (FIG. 2a) with the same pulse energies and in the case of non-periodic input laser pulses with different pulse energies (Fig. 2b);
Fig. 3 schematisch ein erstes erfindungsgemäßes Lasersystem mit der in Fig. 1 gezeigten optischen Komponente; FIG. 3 schematically shows a first laser system according to the invention with the optical component shown in FIG. 1;
Fig. 4 das in Fig. 3 gezeigte Lasersystem mit einem zusätzlichen opti- schen Verstärker; und FIG. 4 shows the laser system shown in FIG. 3 with an additional optical amplifier; and
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. 5 schematically shows a second laser system according to the invention with the optical component shown in FIG. The optical component 1 shown in FIG. 1 is used for optically influencing a plurality of input laser pulses 2 (here only two as an example) which pass through the optical component 2 one after the other and emerge from the optical component 2 as output laser pulses 3 .
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. The optical component 1 has a temperature-dependent power efficiency and is heated by the input laser pulses 2 passing through, so that the power efficiency of the optical components 1 changes over time as a function of the input laser pulses 2 passed through. The optical component 1 can be, for example, a nonlinear conversion crystal for frequency conversion of the input laser pulses 2 or an optical amplifier for amplifying the input laser pulses 2 . An (abstract) current temperature T of the optical component 1 can be calculated on the basis of all previous input laser pulses 2 that have passed through the optical component 1 and have thus contributed to the current heating of the optical component 1 .
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 . 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. In contrast, 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 .
Das in Fig. 3 gezeigte Lasersystem 4 weist folgende Komponenten auf: - eine Pulsquelle 5 zum Bereitstellen von Eingangslaserpulsen 2 mit jeweils vor- bekannten Pulsenergien, The laser system 4 shown in Fig. 3 has the following components: - a pulse source 5 for providing input laser pulses 2 each with previously known pulse energies,
- 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, - an optical component 1 with temperature-dependent power efficiency, which is traversed by the input laser pulses 2 and is thereby heated, the input laser pulses 2 emerging from the optical component 1 as output laser pulses 3,
- 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 - 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
- eine Steuereinheit 7, welche die Pulsquelle 5 zum Bereitstellen eines Eingangs- laserpulses 2 und die Leistungseinstelleinrichtung 6 zum Einstellen der jeweili- gen Pulsleistung ansteuert. - 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.
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. 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).
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. The input laser pulses 2 with known pulse energies are time-triggered by the control unit 7, ie the control unit 7 knows both the pulse energies and the times of all input laser pulses 2 triggered and have thus contributed to the current heating of the optical component 1, the (abstract) current temperature T or, as described below, an (abstract) current temperature difference DT of the optical component 1 is calculated by the control unit 7. Based on the calculated current temperature T of the optical component 1, 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.
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. 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.
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. As shown in FIG. 3, the pulse source 5 can have a laser pulse generator 10 for generating (seed) laser pulses 11 and a selection unit (pulse picker) 12 controlled by the control unit 7, for example in the form of an AOM or EOM, for selecting some the seed laser pulses 11 have as input laser pulses 2 . The laser pulse generator 10 repeats the seed laser pulses 11 with an input frequency f 0 which is fixed and is in particular in the MHz range, for example in the range between 10 MHz and 200 MHz. The selected seed laser pulses 11 are let through by the pulse picker 12 undeflected as input laser pulses 2, while the unselected seed laser pulses 11 are decoupled from the pulse picker 12 and directed to an absorber (not shown).
Anstatt wie gezeigt, kann die Auswahleinheit 12 und die Leistungseinstelleinrich- tung 6 als ein Element ausgebildet sein. Instead of being shown, the selection unit 12 and the power adjustment device 6 can be formed as one element.
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. Instead of a single seed laser pulse 11, 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.
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. In the laser system 4' of FIG. 4, 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.
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. In the event that the pulse interval between two output laser pulses 3 is greater than the maximum period of time, the control unit 7 inserts another input laser pulse between the two input laser pulses 2' as a sacrificial laser pulse 14', which is at least the minimum period of time and by at most the maximum period of time. For this purpose, the pulse source 5 is timed accordingly by the control unit 7 in order to provide a further laser pulse as a sacrificial laser pulse 14'. The two input laser pulses 2' and the sacrificial laser pulse 14' are amplified by the optical amplifier 13 to form the laser pulses 2, 14. Another decoupling unit 15 arranged between the optical amplifier 13 and the optical component 1, e.g. 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.
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. Instead of being external, as shown, the power setting device 6 can alternatively also be integrated in the pulse source 5 . Instead of in front of the optical component 1 as shown, the further decoupling unit 15 can alternatively also be arranged after the optical component 1 in order to decouple the amplified sacrificial pulse 14′.
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. From the laser system 4, 4' of Figs. 3 and 4, 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. Alternatively, the pulse energy can also be set by a power setting device 6 which is arranged in the pulse generator 5 .
Im Folgenden wird ein rechnerisches Modell zur Berechnung der abstrakten Tem- peratur T der optischen Komponente 1 beschrieben. A computational model for calculating the abstract temperature T of the optical component 1 is described below.
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“. 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".
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. 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 ΔT .
Ein Modell für h könnte zum Beispiel so aussehen: For example, a model for h might look like this:
Dabei sei die Kennlinie der optischen Komponente 1 im kalten Zustand (ΔT =The characteristic curve of the optical component 1 in the cold state (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. 0). This characteristic can be measured experimentally at low heating power (large pulse distance) and saved as a table. It is assumed that to h and their inverses h and exist in the relevant domain of values and definitions.
Die Entwicklung der Temperaturdifferenz / Korrekturgröße DT lässt sich über die Zeit t z.B. als Differentialgleichung beschreiben und stellt ein Anfangswertprob- lem dar. The development of the temperature difference / correction variable DT over time t can be described, for example, as a differential equation and represents an initial value problem.
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. For such a cooling or heating process, 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.
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: The pulse operation of the laser results in a natural, temporal discretization of the differential equation at the points in time that always arise relate a corresponding time interval At t to the previous laser pulse. In the following, ΔT i is equivalent to ΔT(t i ). The time intervals At t do not have to be equidistant. Such a temporal discretization enables numerical solution schemes, such as a description using finite differences:
Die Heizleistung wird durch diskrete Pulspakete mit Pulsenergien E erzeugt. The heating power is generated by discrete pulse packets with pulse energies E generated.
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: Since 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:
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. The index p distinguishes whether it is the input (in) or the output pulse energy {out), which is largely responsible for the heating process. For example, an optically nonlinear crystal for frequency conversion in the optical component 1 typically absorbs to different extents on input and output output wavelength of the light. In the chosen example, p = in is intended to indicate a main dependency on the input pulses. The output pulse energy E out is calculated using .
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: The effective temperature difference is reported at all times in near real-time expected. In the cold state is the initial value Each requested (i-te) pulse with pulse energy E pi makes an additive entry and the The cooling process happens in the dead times during which no pulses propagate through the optical component 1. For example, a sequential rule to calculate ΔTi after the ith pulse looks like this: a) Cool down during dead time in m steps with k = 1 ...m and Δt i = b) Choose by 6 such that E out i equals the requested output pulse energy. In this example like this c) Change in temperature:
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. 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. Here 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.
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. Such a laser control could be implemented on a microcontroller or FPGA, for example. In the case of multifactorial contributions to the thermal modification of the output pulse parameters, ^ effective temperatures ∆^ ^ can be included in the calculation, which result in a total correction ∆^ ^^^^^ : with the respective ^ discretisie rten erentagec ments that have to be solved for every ^th laser pulse, and each with an associated heating term ^̇ ^ and time constant ^ ^ : The calculation of the single enen, Δ ^ ^ ann jewe s according to obgem scheme a) - c) done. Various post Can be caused, for example, by different absorption at different wavelengths during frequency conversion or by heating of different mechanical components. To solve ^^ ^ , apart from the initial value ^^ ^, the mapping ^ ^ and the time constant ^ must be determined. the differences ential equation for ^^ ^ ) has in the case of a constant heating term ^̇^ ^ ^^^ ^ ^^^^^ with ^ = ^^^^^ and initial value ^^(^ = 0) = 0 a simple solution: ^^ So let sic ( ) p ng the calibration ^ on function ^ to the measurement d This is possible because both the initial temperature Δ^ ^ and the pulse energies ^ ^^ /^ ^^^ , which are constant during the measurement, are known. When measuring the run-in behavior, a laser system is operated from the cold state with a constant input pulse energy ^ ^^ and constant pulse repetition frequency ^ ^^^ = 1 ⁄ Δ^ ^ = ^^^^^ and the output pulse energy or power in genü enough small time intervals Δ^ ≪ ^ recorded and stored. The measurement of the Einlaufverh Alternating the output pulse energy is repeated for at least ^ different run-in curves at ^ different, fixed heating powers or pulse energies ^ ^^ ^ with ^ = 1.2, ... , ^, so that at least ^ series of measurements for the clear determination of the heating contribution and whose coefficients exist.

Claims

Patentansprüche patent claims
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. 1. Method for generating output laser pulses (3) from input laser pulses (2) each with previously known pulse energies and spacings, the input laser pulses (2) sequentially passing through an optical component (1) with temperature-dependent power efficiency, the optical component being the same (1) heat and from the optical to adjust the respective pulse power component (1) as output laser pulses (3) emerge ten, characterized in that based on all previous input or output laser pulses (2, 3) for the current heating of the optical component (1) have contributed, a current temperature (T) or current temperature difference (DT) of the optical component (1) or a temperature-dependent current parameter are calculated and that based on the calculated current temperature (T), the calculated current temperature difference (DT) or the calculated current parameter, the power of a current input laser pulse (1) derar t is set such that the associated output laser pulse (3) has a pulse energy which 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsla- serpulse (2) von der optischen Komponente (1 ) verstärkt oder frequenzkon- vertiert werden. 2. The method as claimed in claim 1, characterized in that the input laser pulses (2) are amplified or frequency-converted by the optical component (1).
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. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the power of the current input laser pulse (2) before passing through the optical component (1) by cutting its pulse shape, in particular by cutting its amplitude and/or at least one of its two pulse flanks.
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. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that already when generating the current input laser pulse (2) its power based on the calculated current temperature (T), the calculated current temperature difference (DT) or the calculated current parameter accordingly is set.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Eingangslaserpulse (2) vor der optischen Komponente (1) verstärkt werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the input laser pulses (2) are amplified before the optical component (1).
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. 6. The method as claimed in claim 5, characterized in that at least one input laser pulse is amplified as a sacrificial laser pulse (14) and is coupled out of the path of the amplified input laser pulses (2) in front of the optical component (1).
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. 7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that several adjacent input laser pulses (2) pass through the optical component (1) as a laser burst and emerge from the optical component (1) as an output laser burst.
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. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the input laser pulses (2) are provided at such times that the output laser pulses (3) arrive at an output (9) at individually requested times.
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. 9. The method as claimed in one of the preceding claims, characterized in that individual laser pulses are selected from a pulse sequence of laser pulses (11) each with known pulse energies and provided as input laser pulses (2) each with known pulse energies and spacings.
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. 10. The method as claimed in one of claims 1 to 8, characterized in that laser pulses are generated with respectively known pulse energies and spacings and are generated as input laser pulses (2).
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. 11. Laser system (4) for generating output laser pulses (3) from input laser pulses (2) each with known pulse energies and intervals, with a pulse source (5) for providing input laser pulses (2) with known pulse energies and times , with an optical component (1) with temperature-dependent power efficiency, which is traversed by the input laser pulses (2) and thereby heated, the input laser pulses (2) emerging from the optical component (1) as output laser pulses (3). , with a power setting device (6) for setting the respective pulse power of the input laser pulses (2), and with a control unit (7) which is programmed, based on all previous input or output laser pulses (2, 3), which at the current have contributed to the heating of the optical component (1), a current temperature (T) or a current temperature difference (DT) of the optical component (1) or a temperature-dependent param eter and based on the calculated current temperature (T), the calculated current temperature difference (DT) or the calculated current parameter to control the power adjustment device (6) for a current input laser pulse (2) such that the associated output laser pulse (3) has a pulse energy which deviates from a specified pulse energy by less than 5%, preferably by less than 2%, and in particular is equal to the specified pulse energy.
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. 12. Laser system according to claim 11, characterized in that the optical component (1) is an optical amplifier for amplifying the input laser pulses (2) or a conversion crystal for frequency converting the input laser pulses (2).
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. 13. Laser system according to claim 11 or 12, characterized in that the power setting device (6) is designed as an acousto-optical or electro-optical modulator for cutting the pulse shape of the current input laser pulse (2) or by a power control (16) of the pulse source (5) is formed as input laser pulses (2) generated laser pulses.
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. 14. Laser system according to one of claims 11 to 13, marked thereby, that an optical amplifier (13) for amplifying the input laser pulses (2) is arranged in front of the optical component (1).
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. 15. The laser system as claimed in claim 14, characterized in that a decoupling unit (15) controlled by the control unit (7), in particular in the form of an acousto-optical or electro-optical modulator, for decoupling amplified input laser pulses as sacrificial laser pulses (14') from the path of the Input laser pulses (2) the amplifier (13) downstream and in particular the optical component (1) is arranged upstream.
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. 16. Laser system according to one of Claims 11 to 15, characterized in that the pulse source (5) has a laser pulse generator (10) for generating laser pulses (11) each with known, in particular identical, pulse energies and one controlled by the control unit (7 ) controlled selection unit (12) for selecting some of the laser pulses (11) at previously known pulse times as input laser pulses (2).
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. 17. Laser system according to one of claims 11 to 15, characterized in that the pulse source (5) has a laser pulse generator (10) controlled by the control unit (7) in order to generate input laser pulses (2) with specified pulse energies and times generate.
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. 18. Control program product having code means adapted to carry out all the steps of the method according to any one of claims 1 to 10, when the program runs on a control unit (7) of a laser system (4) according to any one of claims 11 to 17 expires.
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