EP4470075A1 - Verfahren und lasersystem zum erzeugen von ultrakurzen laserpulsen mit stabilen pulsparametern - Google Patents

Verfahren und lasersystem zum erzeugen von ultrakurzen laserpulsen mit stabilen pulsparametern

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EP4470075A1
EP4470075A1 EP22822083.6A EP22822083A EP4470075A1 EP 4470075 A1 EP4470075 A1 EP 4470075A1 EP 22822083 A EP22822083 A EP 22822083A EP 4470075 A1 EP4470075 A1 EP 4470075A1
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EP
European Patent Office
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pulse
laser
component
laser pulses
output
Prior art date
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Pending
Application number
EP22822083.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Raphael SCELLE
Aleksander BUDNICKI
Florian Jansen
Markus Ginter
Jonathan BRONS
Rainer Flaig
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Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik SE
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Filing date
Publication date
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    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA

Definitions

  • the invention relates to a method for generating output laser pulses, in particular ultra-short pulses (UKP), the pulse duration of which depends on the temperature of at least one component and/or on an ambient temperature (e.g. air), with the same or almost the same target pulse duration, and also a laser system suitable for carrying out the method, in particular an ultra-short-pulse (USP) laser system.
  • UFP ultra-short pulses
  • USP ultra-short-pulse
  • a variation in the thermal load in laser systems can affect the behavior or properties of optical, mechanical or electronic components. If such behavior is observed when the laser system is switched on, it is also referred to as the thermal run-in behavior of the laser system.
  • the inventors have recognized that in ultra-short pulse (USP) laser systems, in particular the pulse phase or pulse duration and thus the pulse peak power reacts sensitively to such changes in the component properties or the component behavior. Eliminating the thermal shrinkage in optics and mechanics is only partially possible and only with great technical effort, such as temperature control of the large number of optics with appropriate control/regulation.
  • USP ultra-short pulse
  • the object of the invention is to precompensate or to compensate for the thermal run-in behavior in a method of the type mentioned at the outset, depending on the thermal load, and to specify a laser system that is suitable for carrying out the method.
  • the thermally induced pulse duration change is pre-compensated or compensated for by an actuator (e.g. adjustment of the compressor or stretcher phase) depending on the thermal load.
  • an actuator e.g. adjustment of the compressor or stretcher phase
  • the dispersion of the optical actuator to be set for the current input laser pulse is determined using the current thermal load of the at least one component and using the history of the thermal load of the at least one component.
  • the current thermal load of the at least one component can be determined using the average power of the current output laser pulses and the history of the thermal load of the at least one component can be determined using the average power of the previous output laser pulses.
  • the dispersion to be set can, for example, be determined continuously from a modeling of the pulse phase as a function of the temperature of the at least one component or in advance using a previously known sequence of output laser pulses.
  • the dispersion of the optical actuator to be set for the current input laser pulse is particularly preferred based on at least the last input pulses preceding the current input laser pulse and/or based on a target dispersion value for a steady state of the at least one component, in which the temperature of the at least one component is essentially is constant over time, determined.
  • the control signal of the actuator for a specific output laser pulse only takes into account those previous laser pulses that have contributed significantly to the current heating of the component. Alternatively, however, all preceding laser pulses can also be taken into account.
  • the dispersion of the optical actuator to be set for the current input laser pulse is preferably determined from a target value for the steady state of the at least one component and from a sum of correction values that is determined taking into account at least the last preceding input pulses.
  • the Correction values can, for example, be determined continuously from a modeling of the pulse phase as a function of the temperature of the at least one component or in advance using a previously known sequence of output laser pulses.
  • the deviation of the pulse duration of the output laser pulses from the target pulse duration is advantageously less than 10%, preferably less than 2%.
  • the invention also relates to a laser system for generating output laser pulses, in particular ultra-short output laser pulses, with the same or almost the same target pulse duration at an output, having:
  • At least one component and/or one environment e.g. air
  • one environment e.g. air
  • the optical actuator is preferably designed as a variable, in particular temperature-controlled stretcher grating (pulse stretcher) for stretching the input laser pulses, as a dispersion-modifying element (e.g. made of glass) arranged in a pulse compressor, as a liquid crystal element, or as a movable element, in particular grating or prism, of a pulse compressor educated.
  • a dispersion-modifying element e.g. made of glass
  • the invention also relates to a control program product which has code means which are adapted for carrying out all steps of the method according to the invention when the program runs on a controller of the laser system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a laser system according to the invention with a dispersion-variable stretcher and a free-beam pulse compressor
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a U KP laser system 100 for generating output laser pulses 3 at the output 150 of the laser system.
  • the laser system has an excitation laser 10, which is set up to generate input laser pulses 2, and an amplifier 80, which is set up to amplify laser light.
  • the laser system 100 also has, in the light propagation direction behind the excitation laser 10, a pulse stretcher 20 for stretching the laser pulses, an optional first preamplifier 50, an optional second preamplifier 70, and an optional pulse compressor 110, in particular a grating compressor, for compressing the laser pulses. Furthermore, the laser system 100 also has an optional pulse selection device 60 (eg an acousto-optical modulator (AOM) or electro-optical modulator (EOM)), which is arranged here between the first preamplifier 50 and the second preamplifier 70 .
  • AOM acousto-optical modulator
  • EOM electro-optical modulator
  • the laser system 100 optionally has a non-linear optical crystal 90 for frequency conversion, ie the wavelength of the laser light.
  • the laser system 100 has a controller 130 for controlling the laser system 100 .
  • the controller 130 is designed in such a way that it transmits a signal to an actuator 20 in order to compensate or pre-compensate for the effect of the thermal load of the laser system 100 on the pulse duration or pulse phase.
  • the actuator 20 is designed as an element with variable dispersion and is arranged in the laser system 100 between the excitation laser 10 and the laser output 150 .
  • the actuator 20 is designed as a pulse stretcher and/or as a variable stretcher grid.
  • the controller 130 is designed in such a way that the method described below for controlling the laser system 100 can be carried out in order to keep the pulse duration essentially stable.
  • the laser system 100 can have other elements not explicitly listed here, which are familiar to a person skilled in the art in order to design an amplifier system.
  • the actuator 20 is designed as an element with variable dispersion and can be used as a variable, in particular temperature-controlled stretcher grating, as a dispersion-changing element arranged in the compressor, as described in DE 102016 110 947 A1, in particular as a glass block, as a liquid crystal element, or as a movable element of the compressor, in particular a movable grating or prism.
  • the optical components 50, 60, 70, 80, 90, 110 with thermally dependent behavior can in particular be a non-linear crystal, a grating, a mirror and/or others be temperature-sensitive components that are arranged in the laser system 100 and heat up when passing through an input laser pulse and/or by thermal waste heat or reflections from other components and thus contribute to the thermal dependence of the pulse duration.
  • Mechanical components with thermally dependent behavior can be holders for optics and base plates in particular, which heat up due to thermal waste heat or reflections from other components.
  • Electronic components with thermally dependent behavior can be, in particular, control circuit boards of the control, which heat up due to thermal waste heat or reflections from other components or their own waste heat.
  • the preamplifiers 50, 70 can have a fiber, rod, slab, disk or plate as the gain medium.
  • the amplifier can have a fiber, rod, slab, disk or plate as the amplifier medium.
  • controller 130 is designed such that a control signal is generated in order to actuate actuator 20 for a current input laser pulse 2 in such a way that associated output laser pulse 3 has a pulse duration that essentially corresponds to the specified pulse duration.
  • the control signal can consist of a target value for the steady state of the laser system 100 and a sum of correction values, which, taking into account all the input pulses 2 preceding the current input laser pulse, or taking into account only those previous last input pulses 2 that have made a significant contribution to the current heating of the component , as described below.
  • the steady state of the laser system 100 is understood to mean a state in which the temperature in the laser system 100 and/or the temperature of the components of the laser system is essentially constant over time.
  • a substantially stable pulse duration is understood to mean that the pulse duration deviation from the setpoint pulse duration is less than 10%, preferably less than 2%.
  • the correction values for the compensation are determined or calculated dynamically and result from a modeling of the pulse phase as a function of the thermal load.
  • T K and h K (t) designate an intrinsic time constant or a heating term and must be known in order to solve ⁇ T K (t).
  • the temperature of a component 50, 60, 70, 80, 90, 110 can affect its properties or its behavior. As a result, a change in temperature can in turn affect the pulse phase. For example, a change in temperature can induce a change in length by means of thermal expansion. In the case of a free-jet compressor, a change in the optical path between the compressor gratings leads to a change in the compressor dispersion and thus to a change in the pulse phase of the pulse passing through.
  • the change in the pulse phase (phase contribution) by a component 50, 60, 70, 80, 90, 110 relative to the cold state is dependent on the temperature difference from the cold state, i.e. a function of the temperature difference:
  • Equation (6) the inverse of the phase out Equation (6) is.
  • equations (1), (2) and (4) or, in the case of linear approximation (1), (3) and (5) for all relevant components, and to resolve a phase with the actuator to impress the laser pulse, the inverse of the phase out Equation (6) is.
  • the equations can be pre-solved to calculate the time history of the phase change.
  • the equations can be solved numerically, i.e. discretized.
  • the intrinsic time constants T K , the functional relationships between the heating term h K (t) and the laser power P(t) as well as the temperature difference ⁇ T K (t) and change in the pulse phase ⁇ K must be known in order to solve the equations and can be determined by measurement (e.g. when of the laser system) or calculation.
  • This function can be obtained by measuring thermal shrinkage or by minimizing thermal shrinkage. In general, it makes sense to choose a function that reflects the behavior of the differential equation (1) as well as possible.
  • a function of the form: ⁇ (t) ⁇ K ⁇ k *P 0 *(1 _ e t/ ⁇ K ) (9) is suitable for a rapid increase in laser power.
  • the laser system 100 is first off for a long time (cold state) and is then switched on.
  • the excitation laser 10 When the excitation laser 10 is switched on, it heats up and a base plate of the pulse compressor 110 becomes warm. Due to the heating of the base plate of the pulse compressor 110, the distance between the compressor grids increases due to the thermal expansion. This results in a change in the pulse phase of the pulse running through the pulse compressor 110 relative to the cold state. The change in pulse phase is compensated for by the adjustable stretcher 20.
  • Equation (2) the functional relationship of equations (2) and (4) is linearly approximated, and the parameters T K , ⁇ h and ⁇ ⁇ are determined beforehand, for example by measuring the run-in behavior.
  • ⁇ (t) ⁇ 0 * ⁇ h *P 0 * ⁇ K *(1-e t/TA ')
  • the solid line in Fig. 2c) shows a changing dispersion contribution of the pulse compressor 110 due to the thermal expansion of the base plate of the pulse compressor 110 and a change in the dispersion contribution of the dispersion-variable stretcher 20 (dash-dotted line) in order to obtain a constant pulse phase (dashed line), which leads to a constant pulse duration.
  • a correction value is calculated for the control signal for at least one temperature-sensitive component 50, 60, 70, 80, 90, 110, which contributes to the thermal dependency of the pulse duration, and offset against the desired value.
  • a laser system 100 can contain several temperature-sensitive components 50, 60, 70, 80, 90, 110, which contribute to the thermal dependence of the pulse duration. This leads to a control signal which contains a desired value and a correction value which contains a number of correction terms, in particular a correction term for each temperature-sensitive component.
  • the dispersion of the optical actuator 20 to be set for the current input laser pulse 2 can also be determined based on the current thermal load of the at least one component 50, 60, 70, 80, 90, 110 and based on the history of the thermal load of the at least one component 50, 60, 70 , 80, 90, 110 can be determined.
  • the current thermal load of the at least one component 50, 60, 70, 80, 90, 110 and the history of the thermal load of the at least one component 50, 60, 70, 80, 90, 110 are determined, for example, based on the average power of the previous ones Output laser pulses 3 determined.

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Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen (3), insbesondere von ultrakurzen Ausgangslaserpulsen, deren Pulsdauer von der Temperatur mindestens einer Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) und/oder von einer Umgebungstemperatur abhängt, mit der gleichen oder nahezu der gleichen Soll-Pulsdauer, umfasst erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte: - Erzeugen von Eingangslaserpulsen (2) mit insbesondere gleicher Pulsdauer, - Einkoppeln der Eingangslaserpulse (2) in ein optisches Stellglied (20), dessen Dispersion einstellbar ist, und - Einstellen der Dispersion des optischen Stellglieds (20) für einen aktuellen Eingangslaserpuls (2) derart, dass eine von der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) und/oder von der Umgebung (120) bewirkte Pulsdaueränderung kompensiert wird und der zugehörige Ausgangslaserpuls (3) eine der Soll-Pulsdauer entsprechende oder nahezu entsprechende Pulsdauer aufweist.

Description

Verfahren und Lasersystem zum Erzeugen von ultrakurzen Laserpulsen mit stabilen Pulsparametern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen, insbesondere von Ultra-Kurzpulsen (UKP), deren Pulsdauer von der Temperatur mindestens einer Komponente und/oder von einer Umgebungstemperatur (z.B. Luft) abhängt, mit der gleichen oder nahezu der gleichen Soll-Pulsdauer, sowie auch ein zum Durchführen des Verfahrens geeignetes Lasersystem, insbesondere Ultra-Kurzpuls(UKP)-Lasersystem.
Generell kann bei Lasersystemen sich eine Variation der thermischen Last auf das Verhalten oder die Eigenschaften von optischen, mechanischen oder elektronischen Komponenten auswirken. Wird so ein Verhalten beim Anschalten des Lasersystems beobachtet, wird es auch als thermisches Einlaufverhalten des Lasersystems bezeichnet.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei Ultra-Kurzpuls (UKP)-Lasersystemen insbesondere die Pulsphase bzw. Pulsdauer und damit die Pulsspitzenleistung sensitiv auf solche Änderungen der Komponenteneigenschaften bzw. des Komponentenverhaltens reagiert. Ein Eliminieren des thermischen Einlaufens in Optiken und Mechaniken ist nur teilweise und nur unter großem technischem Aufwand wie z.B. Temperieren der Vielzahl an Optiken mit entsprechender Steuerung/Regelung möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das thermische Einlaufverhalten je nach thermischer Belastung vorzukompensieren bzw. zu kompensieren und ein zum Durchführen des Verfahrens geeignetes Lasersystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen gelöst, insbesondere von UKP-Laserpulsen, deren Pulsdauer von der Temperatur mindestens einer Komponente und/oder von einer Umgebungstemperatur abhängt, mit der gleichen oder nahezu der gleichen Soll-Pulsdauer, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Erzeugen von Eingangslaserpulsen mit insbesondere gleicher Pulsdauer, - Einkoppeln der Eingangslaserpulse in ein optisches Stellglied, dessen Dispersion einstellbar ist, und
- Einstellen der Dispersion des optischen Stellglieds für einen aktuellen Eingangslaserpuls derart, dass eine von der mindestens einen Komponente und/oder von der Umgebung bewirkte Pulsdaueränderung kompensiert wird und der zugehörige Ausgangslaserpuls eine der Soll-Pulsdauer entsprechende oder nahezu entsprechende Pulsdauer aufweist.
Erfindungsgemäß wird die thermisch induzierte Pulsdaueränderung durch ein Stellglied (z.B. Anpassen der Kompressor- oder Streckerphase) je nach thermischer Belastung vorkompensiert bzw. kompensiert.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die für den aktuellen Eingangslaserpuls einzustellende Dispersion des optischen Stellglieds anhand der aktuellen thermischen Last der mindestens einen Komponente und anhand der Historie der thermischen Last der mindestens einen Komponente ermittelt. Beispielsweise können die aktuelle thermische Last der mindestens einen Komponente anhand der mittleren Leistung der aktuellen Ausgangslaserpulse ermittelt werden und die Historie der thermischen Last der mindestens einen Komponente anhand der mittleren Leistung der jeweils vorangegangenen Ausgangslaserpulse. Die einzustellende Dispersion kann beispielsweise fortlaufend aus einer Modellierung der Pulsphase in Abhängigkeit der Temperatur der mindestens einen Komponente oder vorab anhand einer vorbekannten Folge von Ausgangslaserpulsen ermittelt werden.
Besonders bevorzugt wird die für den aktuellen Eingangslaserpuls einzustellende Dispersion des optischen Stellglieds anhand zumindest der letzten, dem aktuellen Eingangslaserpuls vorangegangenen Eingangspulse und/oder anhand eines Soll-Dispersionswerts für einen eingeschwungenen Zustand der mindestens einen Komponente, in welchem die Temperatur der mindestens einen Komponente im Wesentlichen zeitlich konstant ist, ermittelt. Vorteilhaft berücksichtigt das Steuersignal des Stellglieds für einen bestimmten Ausgangslaserpuls nur diejenigen vorangegangenen Laserpulse, welche zur aktuellen Erwärmung der Komponente wesentlich beigetragen haben. Alternativ können aber auch alle vorangegangenen Laserpulse berücksichtigt werden.
Vorzugsweise wird die für den aktuellen Eingangslaserpuls einzustellende Dispersion des optischen Stellglieds aus einem Sollwert für den eingeschwungenen Zustand der mindestens einen Komponente und aus einer Summe von Korrekturwerten, die unter Berücksichtigung zumindest der letzten vorangegangenen Eingangspulse ermittelt wird, ermittelt. Die Korrekturwerte können beispielsweise fortlaufend aus einer Modellierung der Pulsphase in Abhängigkeit der Temperatur der mindestens einen Komponente oder vorab anhand einer vorbekannten Folge von Ausgangslaserpulsen ermittelt werden.
Vorteilhaft beträgt die Abweichung der Pulsdauer der Ausgangslaserpulse von der Soll- Pulsdauer kleiner 10%, bevorzugt kleiner 2%.
Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem zur Erzeugung von Ausgangslaserpulsen, insbesondere von ultrakurzen Ausgangslaserpulsen, mit der gleichen oder nahezu der gleichen Soll-Pulsdauer an einem Ausgang, aufweisend:
- einen Anregungslaser zur Erzeugung von Eingangslaserpulsen mit insbesondere gleicher Pulsdauer,
- mindestens eine Komponente und/oder eine Umgebung (z.B. Luft), welche zur thermischen Abhängigkeit der Pulsdauer der Ausgangslaserpulse beiträgt,
- ein zwischen dem Anregungslaser und dem Ausgang angeordnetes, optisches Stellglied, dessen Dispersion einstellbar ist, und
- eine Steuerung, die programmiert bzw. eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Vorzugsweise ist das optische Stellglied als ein variables, insbesondere temperierbares Streckergitter (Pulsstrecker) zur Streckung der Eingangslaserpulse, als ein in einem Pulskompressor angeordnetes Dispersionsänderungselement (z.B. aus Glas), als ein Flüssigkristallelement, oder als ein bewegliches Element, insbesondere Gitter oder Prisma, eines Pulskompressors ausgebildet.
Die mindestens eine Komponente ist bevorzugt ein Verstärker zur Verstärkung der Eingangslaserpulse. Dem Verstärker kann zumindest ein Vorverstärker, bevorzugt ein erster Vorverstärker und ein zweiter Vorverstärker, vorgeordnet sein, wobei das optische Stellglied vorteilhaft zwischen dem Anregungslaser und dem Verstärker, bevorzugt zwischen dem Anregungslaser und dem ersten Vorverstärker, angeordnet ist.
Vorzugsweise ist dem Anregungslaser eine Pulsauswahleinrichtung („Pulspicker“), insbesondere ein akustooptischer Modulator (AOM) oder ein elektrooptischer Modulator (EOM), zum Durchlässen von ausgewählten der Eingangslaserpulse in Richtung zum Ausgang nachgeordnet. Die Pulsauswahleinrichtung ist dabei bevorzugt zwischen dem Anregungslaser und einem Verstärker, besonders bevorzugt zwischen einem ersten Vorverstärker und einem zweiten Vorverstärker, angeordnet. Für eine Frequenzkonversion der Eingangslaserpulse kann ein nichtlinearer optischer Kristall dem Ausgang vorgeordnet, insbesondere zwischen einem Verstärker und dem Ausgang angeordnet sein. Für eine Komprimierung der Eingangslaserpulse kann ein Pulskompressor, insbesondere Gitterkompressor, dem Ausgang vorgeordnet, insbesondere zwischen einem Verstärker und dem Ausgang angeordnet sein.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Komponente eine optische Komponente, die von den Eingangspulsen durchlaufen wird, oder eine mechanische oder elektrische Komponente, die bei der Erzeugung der Ausgangslaserpulse erwärmt wird. Die optische Komponente wird insbesondere von den diese durchlaufenden Eingangspulsen erwärmt. Die mechanische oder elektrische Komponente wird beispielsweise durch Abwärme und/oder Streulicht erwärmt.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Steuerungsprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung des erfindungsgemäßen Lasersystems abläuft.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigt:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Lasersystem mit einem dispersionsvariablen Strecker und einem Freistrahl-Pulskompressor,
Fig. 2a) eine zum Zeitpunkt t=0 erhöhte Laserleistung des erfindungsgemäßen Lasersystems,
Fig. 2b) eine allmähliche Temperaturerhöhung einer Grundplatte des Freistrahl- Pulskompressors durch die zum Zeitpunkt t=0 erhöhte Laserleistung, und
Fig. 2c) einen sich ändernden Dispersionsbeitrag des Freistrahl-Pulskompressors durch die thermische Ausdehnung der Kompressorgrundplatte sowie eine Änderung des Dispersionsbeitrags des dispersionsvariablen Streckers, um eine konstante Pulsphase, welche zu einer konstanten Pulsdauer führt, zu erhalten. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines U KP- Lasersystem 100 zur Erzeugung von Ausgangslaserpulsen 3 am Ausgang 150 des Lasersystems. Das Lasersystem weist einen Anregungslaser 10 auf, der zur Erzeugung von Eingangslaserpulsen 2 eingerichtet ist, sowie einen Verstärker 80, der zur Verstärkung von Laserlicht eingerichtet ist. Das Lasersystem 100 weist außerdem in Lichtausbreitungsrichtung hinter dem Anregungslaser 10 einen Pulsstrecker 20 zur Streckung der Laserpulse, einen optionalen ersten Vorverstärker 50, einen optionalen zweiten Vorverstärker 70, und einen optionalen Pulskompressor 110, insbesondere Gitterkompressor, zur Komprimierung der Laserpulse auf. Des Weiteren weist das Lasersystem 100 außerdem eine optionale Pulsauswahleinrichtung 60 (z.B. einen akustooptischen Modulator (AOM) oder elektrooptischen Modulator (EOM)) auf, die hier zwischen dem ersten Vorverstärker 50 und dem zweiten Vorverstärker 70 angeordnet ist. Das Lasersystem 100 weist optional einen nichtlinear optischen Kristall 90 zur Frequenzkonversion, also der Wellenlänge des Laserlichts, auf.
Des Weiteren weist das Lasersystem 100 eine Steuerung 130 zur Ansteuerung des Lasersystems 100 auf. Hierbei ist die Steuerung 130 derart ausgelegt, dass sie an ein Stellglied 20 ein Signal aussendet, um die Auswirkung der thermischen Last des Lasersystems 100 auf die Pulsdauer bzw. Pulsphase zu kompensieren oder vorzukompensieren. Das Stellglied 20 ist als Element mit variabler Dispersion ausgebildet und im Lasersystem 100 zwischen Anregungslaser 10 und Laserausgang 150 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist das Stellglied 20 als Pulsstrecker und/oder als variables Streckergitter ausgeführt. Die Steuerung 130 ist derart ausgebildet, dass das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Ansteuerung des Lasersystems 100 durchgeführt werden kann, um die Pulsdauer im Wesentlichen stabil zu halten. Das Lasersystem 100 kann weitere hier nicht explizit aufgeführte Elemente aufweisen, die dem Fachmann geläufig sind, um ein Verstärkersystem auszulegen.
Das Stellglied 20 ist als Element mit variabler Dispersion ausgebildet und kann als variables, insbesondere temperierbares Streckergitter, als ein im Kompressor angeordnetes Dispersionsänderungselement, wie in der DE 102016 110 947 A1 beschrieben, insbesondere als ein Glasblock, als ein Flüssigkristallelement, oder als ein bewegliches Element des Kompressors, insbesondere bewegliches Gitter oder Prisma, ausgebildet sein.
Die optischen Komponenten 50, 60, 70, 80, 90, 110 mit thermisch abhängigem Verhalten können insbesondere ein nichtlinearer Kristall, ein Gitter, ein Spiegel und oder andere temperatursensitive Komponenten sein, die im Lasersystem 100 angeordnet sind und sich beim Durchlaufen eines Eingangslaserpulses und/ oder durch thermischer Abwärme oder Reflexe von anderen Komponenten erwärmen und so zur thermischen Abhängigkeit der Pulsdauer beitragen.
Mechanische Komponenten mit thermisch abhängigem Verhalten können insbesondere Halter für Optiken und Grundplatten sein, die sich durch thermische Abwärme oder Reflexe von anderen Komponenten erwärmen.
Elektronische Komponenten mit thermisch abhängigem Verhalten können insbesondere Steuerplatinen der Ansteuerung sein, die sich durch thermische Abwärme oder Reflexe von anderen Komponenten oder eigene Abwärme erwärmen.
Die Vorverstärker 50, 70 können als Verstärkungsmedium eine Faser, einen Stab, einen Slab, eine Scheibe oder eine Platte aufweisen.
Der Verstärker kann als Verstärkermedium eine Faser, einen Stab, einen Slab, eine Scheibe oder eine Platte aufweisen.
Zur Durchführung des Verfahrens ist die Steuerung 130 derart ausgelegt, dass ein Steuerungssignal generiert wird, um für einen aktuellen Eingangslaserpuls 2 das Stellglied 20 derart anzusteuern, dass der zugehörige Ausgangslaserpuls 3 eine Pulsdauer aufweist, die im Wesentlichen der vorgegebenen Pulsdauer entspricht. Dabei kann das Steuersignal aus einem Sollwert für den eingeschwungenen Zustand des Lasersystems 100 und einer Summe an Korrekturwerten bestehen, welche unter Berücksichtigung aller dem aktuellen Eingangslaserpuls vorangegangenen Eingangspulse 2 oder unter Berücksichtigung nur derjenigen vorangegangenen letzten Eingangspulse 2, die zur aktuellen Erwärmung der Komponente wesentlich beigetragen haben, wie unten beschrieben ermittelt werden.
Unter eingeschwungenem Zustand des Lasersystems 100 wird ein Zustand verstanden, bei dem die Temperatur im Lasersystem 100 und/oder die Temperatur von den Komponenten des Lasersystems im Wesentlichen zeitlich konstant ist.
Unter im Wesentlichen stabile Pulsdauer wird im Rahmen dieser Anmeldung verstanden, dass die Pulsdauerabweichung von der Sollwertpulsdauer kleiner 10 %, bevorzugt kleiner 2% beträgt. Bei dem Verfahren zur Ansteuerung des Lasersystems 10 werden die Korrekturwerte zur Kompensation dynamisch ermittelt bzw. berechnet und ergeben sich aus einer Modellierung der Pulsphase in Abhängigkeit der thermischen Last.
Die Temperaturdifferenz ΔTK(t) einer Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 und/oder der Umgebung 120 eines Lasersystems relativ zum kalten Zustand lässt sich durch eine Differenzialgleichung beschreiben und stellt ein Anfangswertproblem dar: (dΔTK)/dt=-(ΔTK/τK) + hK(t) (1)
TK und hK(t) bezeichnen eine intrinsische Zeitkonstante bzw. einen Heizterm und müssen zur Lösung von ΔTK(t) bekannt sein.
Im Allgemeinen ist der Heizterm hK(t) eine Funktion f der Laserleistung P(t), die sich aus den Pulsenergien und der Repetitionsrate des Lasers ergibt: hK(t)=f(P(t)) (2)
In den meisten Fällen ist der Zusammenhang in erster Näherung linear:
(3)
Die Temperatur einer Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 kann ihre Eigenschaften bzw. ihr Verhalten beeinflussen. Dadurch kann eine Temperaturänderung wiederum die Pulsphase beeinflussen. Beispielsweise kann eine Temperaturänderung mittels thermischer Ausdehnung eine Längenänderung induzieren. Im Falle eines Freistrahl-Kompressors führt eine Änderung des optischen Weges zwischen den Kompressorgittern zu einer Änderung der Kompressordispersion und somit zu einer Änderung der Pulsphase des durchlaufenden Pulses.
Die Änderung der Pulsphase (Phasenbeitrag) durch eine Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 relativ zum kalten Zustand ist abhängig von der Temperaturdifferenz zum kalten Zustand, also eine Funktion der Temperaturdifferenz:
ΔøK(t)=g( ΔTK(t)) (4)
In erster Näherung ist der Zusammenhang wiederum linear:
ΔøK(t)=αø* ΔTK(t) (5)
Um die Pulsdauer bzw. die Pulsphase eines Ultrakurzpulslasers zu stabilisieren, muss die gesamte Phasenänderung Δø, also die Phasenbeiträge sämtlicher relevanter Komponenten, über ein Stellglied kompensiert werden:
Δø (t)=ΣKΔøK(t) (6)
Zur Kompensation ist es also nötig, dynamisch die Gleichungen (1), (2) und (4) bzw. bei linearer Näherung (1), (3) und (5) für sämtliche relevanten Komponenten zu lösen und mit dem Stellglied eine Phase auf den Laserpuls aufzuprägen, die invers zu der Phase aus Gleichung (6) ist. Wenn der künftige, zeitliche Verlauf der Laserleistung bekannt ist, können die Gleichungen alternativ vorab gelöst werden, um den zeitlichen Verlauf der Phasenänderung zu berechnen.
Die Lösung der Gleichungen kann dabei numerisch, also diskretisiert erfolgen. Die intrinsischen Zeitkonstanten TK, die funktionalen Zusammenhänge zwischen Heizterm hK(t) und Laserleistung P(t) sowie Temperaturdifferenz ΔTK(t) und Änderung der Pulsphase ΔøK müssen zur Lösung der Gleichungen bekannt sein und können per Messung (z.B. bei Abnahme des Lasersystems) oder Berechnung ermittelt werden.
Prinzipiell ist die tatsächliche Komponententemperatur nicht von Interesse, sondern nur die Auswirkung der thermischen Last (Laserleistung) auf den Phasenbeitrag der Komponente. Statt die Differentialgleich (1) zu lösen, ist es ebenso möglich, durch Kombination von Gleichung (4) und (1) eine Differentialgleich für die Phasenbeiträge aufzustellen und diese zu lösen. Dieses Vorgehen kann die Anzahl der zu bestimmenden Parameter reduzieren. Für lineare Zusammenhänge zwischen Laserleistung und Heizterm (Gleichung (3)) und einem linearen Zusammenhang zwischen Phasenbeitrag und Komponententemperatur (Gleichung (5)) ergibt sich:
(dΔøK)/dt=-(ΔøK/τK )+α *P(t) (7)
Alternativ zur kontinuierlichen Lösung der Differentialgleichung (1) für alle relevanten Komponenten und Berechnung der Phasenänderung Δø(t) (6) ist es möglich, die Phasenänderung Δø(t) durch eine parametrierbare Funktion in Abhängigkeit der Laserleistung P(t) möglichst genau zu berechnen: Δø (t)=k(P(t)) (8) und die Phasenänderung über das Stellglied entsprechend zu kompensieren.
Die Parameter dieser Funktion können durch Messung des thermischen Einlaufens oder durch Minimieren des thermischen Einlaufens ermittelt werden. Im Allgemeinen bietet es sich an, eine Funktion zu wählen, die das Verhalten der Differentialgleichung (1) möglich gut wiedergibt. Für eine schnelle Erhöhung der Laserleistung eignet sich beispielsweise eine Funktion der Form: Δø (t)=ΣKαk*P0*(1_et/τK) (9)
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen 3, insbesondere von ultrakurzen Ausgangslaserpulsen, deren Pulsdauer von der Temperatur mindestens einer Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 und/oder von einer Umgebungstemperatur abhängt, mit der gleichen oder nahezu der gleichen Soll-Pulsdauer, weist folgende Verfahrensschritte auf:
- Erzeugen von Eingangslaserpulsen 2 mit insbesondere gleicher Pulsdauer, - Einkoppeln der Eingangslaserpulse 2 in ein optisches Stellglied 20, dessen Dispersion einstellbar ist, und
- Einstellen der Dispersion des optischen Stellglieds 20 für einen aktuellen Eingangslaserpuls 2 derart, dass eine von der mindestens einen Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 und/oder von der Umgebung 120 bewirkte Pulsdaueränderung kompensiert wird und der zugehörige Ausgangslaserpuls 3 eine der Soll-Pulsdauer entsprechende oder nahezu entsprechende Pulsdauer aufweist.
Besonders bevorzugt wird die für den aktuellen Eingangslaserpuls 2 einzustellende Dispersion des optischen Stellglieds 20 anhand zumindest der letzten, dem aktuellen Eingangslaserpuls 2 vorangegangenen Eingangspulse 2 und/oder anhand eines Soll- Dispersionswerts für einen eingeschwungenen Zustand der mindestens einen Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110, in welchem die Temperatur der mindestens einen Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 im Wesentlichen zeitlich konstant ist, ermittelt. Dabei kann die für den aktuellen Eingangslaserpuls 2 einzustellende Dispersion des optischen Stellglieds 20 aus einem Sollwert für den eingeschwungenen Zustand der mindestens einen Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 und aus einer Summe von Korrekturwerten, die unter Berücksichtigung zumindest der letzten vorangegangenen Eingangspulse 2 ermittelt wird, ermittelt werden. Die Korrekturwerte können beispielsweise fortlaufend aus einer Modellierung der Pulsphase in Abhängigkeit der Temperatur der mindestens einen Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 oder vorab anhand einer vorbekannten Folge von Ausgangslaserpulsen 3 ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von ultrakurzen Ausgangslaserpulsen 3, deren Pulsdauer von der Temperatur mindestens einer Komponente abhängt, mit der gleichen oder nahezu der gleichen Soll-Pulsdauer wird im Folgenden am Beispiel eines U KP- Lasersystems 100 mit einem einstellbaren Faser-Bragg-Gitter als Strecker 20 und einem Freistrahl-Pulskompressor 110 beschrieben.
Das Lasersystem 100 ist erst für längere Zeit aus (kalter Zustand) und wird dann eingeschaltet. Durch das Einschalten des Anregungslasers 10 heizt sich dieser auf, und eine Grundplatte des Pulskompressors 110 wird warm. Durch die Erwärmung der Grundplatte des Pulskompressors 110 erhöht sich durch die thermische Ausdehnung der Abstand zwischen den Kompressorgittern. Daraus ergibt sich eine Änderung der Pulsphase des durch den Pulskompressor 110 laufenden Pulses relativ zum kalten Zustand. Die Änderung der Pulsphase wird durch den einstellbaren Strecker 20 kompensiert.
Zur Kompensation wird der funktionale Zusammenhang der Gleichungen (2) und (4) linear genähert, und die Parameter TK, αh und αø werden zuvor z.B. durch Messung des Einlaufverhaltens bestimmt. In diesem Beispiel lässt sich die zu kompensierende Phase analytisch lösen. Wenn das Lasersystem 100 für t<=0 längere Zeit aus war, d.h.
P(t)=0 für t<=0 ΔTK(t)=0 für t<=0 und zum Zeitpunkt t=0 eingeschaltet wird, d.h.
P(t)=P0 für t>0, ergibt sich für die Temperaturdifferenz der Grundplatte des Pulskompressors 110 relativ zum kalten Zustand aus Gleichung (1) und (3) ΔTK(t)=αh*P0*τK*(<'\-etlτK) und für die zu kompensierende Phase (Fig. 2c)
Δø (t) = α0* αh*P0*τK*(1-et/TA')
Fig. 2a) zeigt eine zum Zeitpunkt t=0 erhöhte Laserleistung des Lasersystems 100, die zu einer allmählichen Temperaturerhöhung der Grundplatte des Pulskompressors 110 führt (Fig. 2b)). Die durchgezogene Linie in Fig. 2c) zeigt einen sich ändernden Dispersionsbeitrag des Pulskompressors 110 durch die thermische Ausdehnung der Grundplatte des Pulskompressors 110 sowie eine Änderung des Dispersionsbeitrags des dispersionsvariablen Streckers 20 (strichpunktierte Linie), um eine konstante Pulsphase (gestrichelte Linie) zu erhalten, welche zu einer konstanten Pulsdauer führt.
Für das Steuersignal wird für mindestens eine temperatursensitive Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110, welche zur thermischen Abhängigkeit der Pulsdauer beiträgt, ein Korrekturwert berechnet und mit dem Sollwert verrechnet. In einem Lasersystem 100 können mehrere temperatursensitive Komponenten 50, 60, 70, 80, 90, 110, welche zur thermischen Abhängigkeit der Pulsdauer beitragen, vorhanden sein. Dies führt zu einem Steuersignal, welches einen Sollwert und einen Korrekturwert, der mehrere Korrekturterme, insbesondere für jede temperatursensitive Komponente einen Korrekturterm, enthält.
Die für den aktuellen Eingangslaserpuls 2 einzustellende Dispersion des optischen Stellglieds 20 kann auch anhand der aktuellen thermischen Last der mindestens einen Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 und anhand der Historie der thermischen Last der mindestens einen Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 ermittelt werden. Die jeweils aktuelle thermische Last der mindestens einen Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 und die Historie der thermischen Last der mindestens einen Komponente 50, 60, 70, 80, 90, 110 werden beispielsweise anhand der mittleren Leistung der jeweils vorangegangenen Ausgangslaserpulse 3 ermittelt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Erzeugen von Ausgangslaserpulsen (3), insbesondere von ultrakurzen Ausgangslaserpulsen, deren Pulsdauer von der Temperatur mindestens einer Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) und/oder von einer Umgebungstemperatur abhängt, mit der gleichen oder nahezu der gleichen Soll- Pulsdauer, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Erzeugen von Eingangslaserpulsen (2) mit insbesondere gleicher Pulsdauer,
- Einkoppeln der Eingangslaserpulse (2) in ein optisches Stellglied (20), dessen Dispersion einstellbar ist, und
- Einstellen der Dispersion des optischen Stellglieds (20) für einen aktuellen Eingangslaserpuls (2) derart, dass eine von der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) und/oder von der Umgebung (120) bewirkte Pulsdaueränderung kompensiert wird und der zugehörige Ausgangslaserpuls (3) eine der Soll-Pulsdauer entsprechende oder nahezu entsprechende Pulsdauer aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die für den aktuellen Eingangslaserpuls (2) einzustellende Dispersion des optischen Stellglieds (20) anhand einer aktuellen thermischen Last der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) und anhand der Historie der thermischen Last der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle thermische Last der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) anhand der mittleren Leistung der aktuellen Ausgangslaserpulse (3) ermittelt wird und die Historie der thermischen Last der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) anhand der mittleren Leistung der jeweils vorangegangenen Ausgangslaserpulse (3) ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzustellende Dispersion fortlaufend aus einer Modellierung der Pulsphase in Abhängigkeit der Temperatur der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) oder vorab anhand einer vorbekannten Folge von Ausgangslaserpulsen (3) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die für den aktuellen Eingangslaserpuls (2) einzustellende Dispersion des optischen Stellglieds (20) anhand zumindest der letzten, dem aktuellen Eingangslaserpuls vorangegangenen Eingangslaserpulse, welche die mindestens eine Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) durchlaufen haben, und/oder anhand eines Soll-Dispersionswerts für einen eingeschwungenen Zustand der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110), in welchem die Temperatur der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) im Wesentlichen zeitlich konstant ist, ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die für den aktuellen Eingangslaserpuls (2) einzustellende Dispersion des optischen Stellglieds (20) aus einem Sollwert für den eingeschwungenen Zustand der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) und aus einer Summe von Korrekturwerten, die unter Berücksichtigung zumindest der letzten vorangegangenen Eingangslaserpulse ermittelt wird, ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte fortlaufend aus einer Modellierung der Pulsphase in Abhängigkeit der Temperatur der mindestens einen Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) ermittelt werden, oder die Korrekturwerte vorab anhand einer vorbekannten Folge von Ausgangslaserpulsen (3) ermittelt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der Pulsdauer der Ausgangslaserpulse (3) von der Soll- Pulsdauer kleiner 10%, bevorzugt kleiner 2%, beträgt.
9. Lasersystem (100) zur Erzeugung von Ausgangslaserpulsen (3), insbesondere von ultrakurzen Ausgangslaserpulsen, mit der gleichen oder nahezu der gleichen Soll- Pulsdauer an einem Ausgang (150), aufweisend: - einen Anregungslaser (10) zur Erzeugung von Eingangslaserpulsen (2) mit insbesondere gleicher Pulsdauer, - mindestens eine Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) und/oder eine Umgebung (120), welche zur thermischen Abhängigkeit der Pulsdauer der Ausgangslaserpulse (3) beiträgt, - ein zwischen dem Anregungslaser (10) und dem Ausgang (150) angeordnetes, optisches Stellglied (20), dessen Dispersion einstellbar ist, und - eine Steuerung (130), die programmiert ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
10. Lasersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Stellglied (20) als ein variables, insbesondere temperierbares Streckergitter (Pulsstrecker) zur Streckung der Eingangslaserpulse (2), als ein in einem Pulskompressor (110) angeordnetes Dispersionsänderungselement, als ein Flüssigkristallelement, oder als ein bewegliches Element, insbesondere Gitter oder Prisma, eines Pulskompressors (110) ausgebildet ist.
11. Lasersystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Komponente ein Verstärker (80) zur Verstärkung der Eingangslaserpulse (2) ist.
12. Lasersystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Verstärker (80) zumindest ein Vorverstärker (50, 70) vorgeordnet ist, bevorzugt ein erster Vorverstärker (50) und ein zweiter Vorverstärker (70), vorgeordnet sind.
13. Lasersystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Stellglied (20) zwischen dem Anregungslaser (10) und dem Verstärker (80) angeordnet ist, bevorzugt zwischen dem Anregungslaser (10) und dem ersten Vorverstärker (50) angeordnet ist.
14. Lasersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Anregungslaser (10) eine Pulsauswahleinrichtung (60), insbesondere AOM oder EOM, zum Durchlässen von ausgewählten der Eingangslaserpulse (2) in Richtung zum Ausgang (150) nachgeordnet ist, bevorzugt zwischen dem Anregungslaser (10) und einem Verstärker (80) angeordnet ist, besonders bevorzugt zwischen einem ersten Vorverstärker (50) und einem zweiten Vorverstärker (70) angeordnet ist.
15. Lasersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein nichtlinearer optischer Kristall (90) zur Frequenzkonversion der Eingangslaserpulse (2) dem Ausgang (150) vorgeordnet ist, insbesondere zwischen einem Verstärker (80) und dem Ausgang (150) angeordnet ist.
16. Lasersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pulskompressor (110), insbesondere Gitterkompressor, zur Komprimierung der Eingangslaserpulse (2) dem Ausgang (150) vorgeordnet ist, insbesondere zwischen einem Verstärker (80) und dem Ausgang (150) angeordnet ist.
17. Lasersystem nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Komponente (50, 60, 70, 80, 90, 110) eine optische Komponente ist, die von den Eingangspulsen (2) durchlaufen wird, oder eine mechanische oder elektrische Komponente ist, die bei der Erzeugung der Ausgangslaserpulse (3) erwärmt wird.
18. Steuerungsprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem Ansprüche 1 bis 8 angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung (130) des Lasersystems (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 17 abläuft.
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