EP4483453A1 - Lasersystem mit einem multipass-verstärker eingerichtet zur thermischen lasterhaltung - Google Patents

Lasersystem mit einem multipass-verstärker eingerichtet zur thermischen lasterhaltung

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EP4483453A1
EP4483453A1 EP22834924.7A EP22834924A EP4483453A1 EP 4483453 A1 EP4483453 A1 EP 4483453A1 EP 22834924 A EP22834924 A EP 22834924A EP 4483453 A1 EP4483453 A1 EP 4483453A1
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EP
European Patent Office
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laser
power
active medium
thermal load
pump
Prior art date
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Pending
Application number
EP22834924.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helge HOECK
Dominik Bauer
Michael Scharun
Benjamin Dannecker
Christian Stolzenburg
John Dominik
Simon NAGEL
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Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
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Filing date
Publication date
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    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2325—Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers

Definitions

  • the present invention relates to a laser system with a multipass amplifier for amplifying laser light, the multipass amplifier comprising a laser-active medium.
  • a laser-active medium is required to amplify the laser light that is radiated into a multipass amplifier.
  • the laser-active medium is irradiated with pump light from a pump laser with a suitable wavelength.
  • the energy stored in this way in the laser-active medium is tapped off by means of stimulated emission by irradiating laser light from a seed laser with a suitable wavelength (which differs from the wavelength of the pumped light), as a result of which the seed laser light is amplified.
  • multipass amplifiers are used, among other things.
  • pumped light is guided several times through the laser-active medium by geometrically guiding the pumped beam through the laser-active medium using suitable optics.
  • the seed beam and thus the laser beam to be amplified is also guided several times through the laser-active medium by a further suitable optical structure according to the multipass concept before the amplified laser beam is tapped for final use.
  • the seed beam in contrast to, for example, regenerative amplifiers, is guided along geometrically different paths during its passages.
  • This has the particular advantage that the coupling and decoupling within the amplifier arrangement takes place purely geometrically and, for example, no optical switch is required for active coupling or decoupling, as is the case, for example, with regenerative laser amplification systems.
  • the laser-active medium of a laser amplification system can have very different geometries and, above all, depending on its aspect ratio (i.e. the ratio between the depth or height of the medium and its lateral extent), can have various advantages and disadvantages.
  • the optical intensities within the active media play a major role, which can be very different for different aspect ratios.
  • aspect ratios of significantly less than 1 such as in fiber laser systems
  • the optical intensities reach very high values even with comparatively low power levels, which lead to non-linear behavior.
  • the power that can be achieved is significantly influenced by the geometry of the laser-active medium.
  • thermal effects in the laser-active medium which can have a negative impact on the beam quality, is independent of the geometry of the laser-active medium.
  • pump light that is not converted into the laser power of the decoupled, amplified beam primarily generates heat, ie a thermal load on the laser-active medium.
  • This thermal load is particularly relevant in the case of multipass amplifiers, since the thermal power deposited in the active medium is correspondingly high due to the multiple passage of the radiation.
  • This thermal load can be approximately quantified as the difference between the pump power and the extracted power, i.e. the laser output power of the laser amplification system.
  • the thermal load in the medium results in undesirable thermally-induced optical effects. This is due in particular to the fact that the heating by the pumping light leads to a changed lens action of the medium and thus to said undesired optical effects.
  • previous laser amplification systems are operated with a specific, fixed laser output power that is characterized by a high beam quality.
  • downstream optical elements are used to reduce or control the power instead of changing the pump power and/or seed power. This type of operation is also referred to as operating point operation. Accordingly, a laser system in the operating point mode requires additional downstream components in order to enable the desired adjustability of the laser output power. This increases the cost and complexity of the system.
  • a regenerative disk laser amplifier is known from the publication DE102019131507A1, in which the pulse energy of a seed laser can be attenuated before it is coupled into a resonator, in order not to obtain a deviation in the pulse energy of the amplified output laser pulses in the event of deviations in the amplification time and/or changes in the repetition rate.
  • the extracted laser power of the system also changes, causing the thermal load in the Active medium, here in particular a laser-active disk changes.
  • the pump power of the system can be adjusted to compensate for the thermal load change, so that unwanted thermally-induced optical effects are suppressed.
  • the thermal load maintenance according to DE102019131507A1 is designed in such a way that the thermal load is kept constant over a range of the repetition rate of the laser pulses.
  • the system described is not designed to guarantee thermal load sustaining over a range of the laser system's extracted laser output power.
  • a laser system comprising a multipass amplifier, in particular a multipass disk laser amplifier, for amplifying laser light to provide an amplified output beam and a control unit
  • the multipass amplifier comprising a laser-active medium.
  • the control unit is thereto arranged to keep the thermal load on the laser-active medium, which is determined by at least two different power sources, substantially constant over a range of the laser output power of the output beam.
  • the active medium of the multi-pass amplifier can be disk-shaped, with a disk-shaped active medium encompassing all those shapes in which the lateral dimensions are significantly larger than their thickness.
  • a disk-shaped active medium also includes one and/or more transmissive disks, which can be coated with an anti-reflective coating on one side or on both sides.
  • the active medium of the multipass amplifier does not have to have a disc shape either, but can also have other geometries.
  • the thermal load of a laser-active medium of a laser system with a multipass amplifier is primarily determined by the pump power used by the pump laser and the seed power of the seed laser, which are set up for irradiating the laser-active medium.
  • That pump radiation which is absorbed in the laser-active medium but is not extracted by the stimulated emission induced by the seed radiation in the laser-active medium is deposited dominantly as heat in the laser-active medium. If one restricts oneself to the power sources necessary for laser amplification (pump power and seed power) for an initial consideration, without excluding other power sources that lead to heat input and/or heat dissipation into/from the laser-active medium, the thermal load P th of the laser-active medium Medium can be calculated approximately as
  • P pump is the pump power of the pump laser and P ex is the extracted power of the amplified laser output beam. The latter is referred to below as the laser output power.
  • P ex K(P pump ) P seed was used.
  • the laser output power P ex is therefore directly proportional to the seed power P seed , where the proportionality factor is the gain factor, which in turn is a function of the
  • Pump power P pump is.
  • the specific functional relationship between the gain factor K and the pump power P pump essentially depends on the energy level structure of the laser-active laser medium used. In general, however, it can be stated that the amplification factor K increases with increasing pump power P pump as long as the laser-active medium is not destroyed by excessive pump power and/or its properties are changed in such a way that normal laser operation is no longer possible. From the above considerations and the equation for the thermal load, it can be seen that an increase in the pump power, depending on the (constant) seed power P seed used and the present amplification factor K, can result in either an increase or decrease in the thermal load P th .
  • the range of the laser output power preferably extends over the entire range of the achievable laser output powers of the multipass amplifier or only over part of this range.
  • the thermal load can be kept essentially constant over a predetermined range of output powers, so that downstream elements for power regulation can be dispensed with and at the same time a high beam quality can be maintained.
  • a repetition rate of laser pulses of the output beam is constant.
  • the repetition rate of the laser pulses of the output beam is preferably constant over the range of the laser output power of the output beam over which the thermal load on the laser-active medium is kept essentially constant by means of the control unit.
  • the repetition rate of the laser pulses of the output beam is not varied over the range of the laser output power of the output beam.
  • the term “maintaining essentially constant” the thermal load on the laser-active medium is understood here to mean that the thermal load has a maximum relative fluctuation of +10%, preferably +5%, particularly preferably +2%.
  • the present invention is not limited to the examples set forth above with respect to the change in thermal load due to changes in seed power and pump power. Rather, any other change in the thermal load P th that is induced by a change in the seed power P seed and/or the pump power P pump is also included. Furthermore, other power sources are also conceivable in addition to the seed power and the pump power, which result in a (positive or negative) contribution to the thermal load of the laser-active medium and can also have a direct influence on the laser output power.
  • the present invention makes use of the special relationship between thermal load P th and the seed and pump power in order to keep the thermal load essentially constant over a range of the laser output power by suitably adjusting the seed and pump power.
  • This enables a laser system with which a variable laser output power is realized with a constant thermal load at the same time.
  • the latter in particular improves the usability of the amplified output beam, since its beam quality and beam parameters can be kept almost constant over the entire range of the laser output power via thermal load maintenance.
  • a seed laser and a pump laser are preferably provided as power sources contributing to the thermal load on the laser-active medium, which are set up for irradiating the laser-active medium, with the control unit being set up to jointly control a seed power of the seed laser and a pump power of the pump laser over the area of the Adjust laser output power away such that the thermal load on the laser active medium is substantially constant.
  • the control unit is preferably set up to keep the thermal load on the laser-active medium essentially constant over the range of the laser output power by manually adjusting the power of the power sources contributing to the thermal load of the laser-active medium and/or using a mathematical model and /or be adjusted by a mapping table.
  • the control unit is preferably set up to keep the beam quality and/or at least one beam parameter of the output beam, preferably defined by the waist diameter and/or the waist position and/or the diffraction factor, substantially constant over the range of the laser output power, with preferably the Beam quality and / or the beam parameters over the range of laser output power has a maximum relative fluctuation of +10%, preferably +5%, particularly preferably +2%.
  • the beam parameters are essentially given by the waist diameter and the waist position, with the beam quality being primarily characterized by the diffraction index of the amplified output beam.
  • a monitoring device can preferably be provided for monitoring the beam quality and the beam parameters, in particular the waist diameter, the waist position and the diffraction index of the amplified output laser beam.
  • the pump laser is set up to generate an extended, unsharp pump spot on the laser-active medium. In this way, a more homogeneous behavior of the laser-active medium can be achieved, with which the beam quality can be further improved.
  • the pump laser is preferably set up to generate a pump spot on the laser-active medium, the diameter of which is a factor of 1 to 1.5 larger than the diameter of the seed beam or, if several seed beams hit the laser-active medium, the seed spot resulting from the seed beams the laser-active medium. It can thus be avoided or reduced that edge areas of the pumped volume have an influence on the beam quality, so that the beam quality can be further improved.
  • a temperature measuring unit is preferably provided, which is set up to determine the thermal load of the laser-active medium by measuring the temperature of the active medium. In this way, the constant thermal load can be monitored.
  • the temperature measurement unit can also be provided to regulate the power sources in such a way that the thermal load is kept essentially constant.
  • external power sources can also be used for thermal load maintenance of the laser-active medium of the laser amplification system.
  • these power sources have no direct influence on the laser output power of the laser system, but they do have a direct influence on the thermal load.
  • an indirect influence on the laser output power is also induced by the temperature change in the laser-active medium caused by the thermal load. However, this effect should be neglected.
  • means for cooling ie for dissipating heat from the laser-active medium
  • a cooling unit can be provided which, as a heat sink, can reduce the thermal load of the laser-active medium.
  • the corresponding cooling capacity of the cooling unit, which is dissipated from the medium can be be quantified.
  • water cooling can be used, which is in thermal contact with the laser-active medium. Any other method that provides a cooling capacity P cool for the laser-active medium is also suitable within the scope of the invention.
  • means for heating ie for introducing heat into the laser-active medium
  • a heating element can be provided which, as a heat source, can increase the thermal load of the laser-active medium.
  • the corresponding heat output of the heating element, which is introduced into the medium can be quantified as P heat .
  • a radiant heater directed at the laser-active medium can be used. Any other method that provides a heating power P heat for the laser-active medium is also suitable within the scope of the invention.
  • the power sources contributing to the thermal load of the laser-active medium can preferably include the cooling power of a cooling unit set up to cool the laser-active medium and/or the heating power of a heating element set up to heat the laser-active medium, which have no direct influence on the laser output power of the output beam.
  • the control unit is preferably set up to adjust the heating power of the heating element and/or the cooling power of the cooling unit with constant seed power and changing pump power in such a way that the thermal load on the laser-active medium is essentially constant over the range of the laser output power, or that with constant pump power and changing seed power, the heating power of the heating element and/or the cooling power of the cooling unit can be adjusted in such a way that the thermal load on the laser-active medium is essentially constant over the range of the laser output power, or that with maximum pump power and changing seed power adapting the effectively radiated pump power to the laser-active medium by targeted decoupling of pump power using an auxiliary resonator and/or an absorber in such a way that the thermal load on the laser-active medium is essentially constant over the range of the laser output power.
  • a temperature measuring unit which can measure the temperature of the laser-active medium, can also be provided for quantifying the thermal load on the laser-active medium.
  • the temperature measurement unit can be an infrared thermal camera aimed at the active medium. Any other device that is suitable for measuring the temperature of the laser-active medium is also included within the scope of the invention.
  • the range of laser output power over which the thermal load on the medium is kept constant can either extend over the entire laser output power achievable for the system, or only over a part of this range. In other words, the range can be any while still maintaining beam quality.
  • the power sources contributing to the thermal load of the laser-active medium in particular the power variables P pump , P seed , cool and Pheat.
  • a control unit is provided, which adapts the power sources for thermal load maintenance according to suitable regulations.
  • control unit can be set up to adjust the seed power P seed and the pump power P cool simultaneously over a range of the laser output power of the laser system in such a way that the thermal load on the laser-active medium is constant, with the heating power of the heating element and the cooling capacity of the cooling element are zero or constant.
  • the cooling power can be constant while the heating power is zero, so that the thermal load on the laser-active medium is kept constant but as low as possible.
  • the powers P pump and P seed can be increased/decreased simultaneously so that the laser output power continuously increases/decreases while the thermal load remains constant. In this case, no additional adjustment of the heating and/or cooling capacity is necessary.
  • the laser-laser-active medium is nevertheless cooled by the cooling unit with a constant cooling capacity in order to reduce thermally-induced optical effects with a negative impact on the beam quality, or even to prevent thermally-induced destruction of the laser-active medium.
  • the thermal load can be maintained by means of the control unit even with a constant seed power. Accordingly, only the pump power can be increased/decreased to continuously increase/decrease the laser output power. The resulting change in the thermal load can be compensated for by suitably adjusting the heating capacity of the heating element and/or the cooling capacity of the cooling unit.
  • thermal load conservation can be performed using the
  • Control unit done even at constant pump power. Accordingly, only the Seed power can be increased/decreased in order to continuously increase/decrease the laser output power.
  • the resulting change in the thermal load can be compensated for by suitably adjusting the heating capacity of the heating element and/or the cooling capacity of the cooling unit.
  • the thermal load can be maintained by means of the control unit even at maximum (constant) pump power. Accordingly, only the seed power can be increased/decreased to continuously increase/decrease the laser output power. The resulting reduction/increase in the thermal load can be compensated for by suitable decoupling of the irradiated pump power using an auxiliary resonator, so that the thermal load in the laser-active medium is constant.
  • an auxiliary resonator an absorber could also be used, which can compensate for said decrease/increase in thermal load.
  • the control unit can keep the power of the power sources contributing to the thermal load of the laser-active medium constant by manual adjustment and/or by a mathematical model and/or by an allocation table.
  • control unit can be implemented by a skilled operator of the laser system. This can adjust the powers contributing to the thermal load in accordance with the aforementioned embodiments in such a way that the thermal load is constant over a range of the laser output power.
  • a controller can use a mathematical model to calculate the powers contributing to the thermal load such that the thermal load is constant over a range of laser output power.
  • the functional dependency of the thermal load P th on the power sources contributing to the thermal load must be known as precisely as possible, in particular its dependency on the seed and pump power.
  • a mathematical model of this type can be implemented, for example, via software in an electronic control unit, for example a computer, which is connected to the power sources in the laser system that contribute to the thermal load and can control them accordingly.
  • the electronic control unit can calculate the power that contributes to the thermal load according to the aforementioned embodiments, by real-time calculation and kept constant over the range of the laser output power by controlling the power sources.
  • the assignment table is characterized in that, for a given laser output power, suitable values are specified for the powers contributing to the thermal load, which lead to a thermal load maintenance over the range of the laser output power.
  • the assignment table can be pre-calculated, for example, or can be determined empirically.
  • an electronic control unit such as a computer, can be used, using the pre-established look-up table, to control the power sources in accordance with the aforementioned embodiments so as to keep the thermal load constant over the laser output power range.
  • the thermally induced optical effects discussed at the outset are kept at an almost constant level by the inventive control unit for thermal load maintenance on the laser-active medium over a range of the laser output power. Accordingly, the beam quality and the beam parameters of the amplified output beam, in particular its waist diameter, waist position and diffraction index, will remain almost constant, but at least more constant than in comparison to a laser system without thermal load maintenance.
  • the maximum relative fluctuation of said values for the beam quality or beam parameters corresponds to a maximum of +10%, preferably +5%, particularly preferably +2%.
  • the laser amplification system can comprise a monitoring device for monitoring the beam quality and the beam parameters of the amplified output laser beam.
  • the beam quality and the beam parameters can be monitored by a CCD camera, into which a part of the output beam can be coupled.
  • Alternative devices for measuring the beam quality and the beam parameters are not excluded.
  • the object described above is also achieved by a method for amplifying a seed laser beam having the features of claim 12. Accordingly, a method is proposed for amplifying a seed laser beam in a multipass amplifier having a laser active medium to provide an amplified output beam.
  • the thermal load on the laser-active medium which is determined by at least two different power sources, is kept essentially constant over a range of the laser output power, with the thermal load on the laser-active medium preferably being in a range of +10%, preferably + 5%, particularly preferably +2% is kept constant.
  • the power sources contributing to the thermal load of the laser-active medium preferably include the seed power of a seed laser and the pump power of a pump laser, which are set up for irradiating the laser-active medium, the seed power of the seed laser and the pump power of the pump laser being adjusted together over the range of the laser output power be that the thermal load on the laser-active medium is kept substantially constant.
  • the thermal load on the laser-active medium is preferably kept essentially constant by adjusting the power of the power sources contributing to the thermal load of the laser-active medium by manual adjustment and/or by a mathematical model and/or by an assignment table.
  • the beam quality and/or at least one beam parameter of the output beam is preferably kept essentially constant, with the beam quality and/or the beam parameter preferably being kept constant over the range of the laser output power has a maximum relative fluctuation of +10%, preferably +5%, particularly preferably +2%.
  • FIG. 1 Schematic representation of a laser system with a multipass amplifier (multipass disk laser amplifier) with different power sources that contribute to the thermal load of the laser-active medium.
  • a laser system 1 is shown schematically in FIG. 1, which has a multipass amplifier 2 in the form of a multipass disk laser amplifier.
  • the multipass amplifier 2 has a laser-active medium 12 and serves to amplify laser light in order to provide an amplified output beam 14 .
  • the laser system 1 has a seed laser 10 and a pump laser 20 whose associated seed laser beam 11 and pump laser beam 21 are coupled into the multipass amplifier 2 .
  • the laser-active medium 12 can be provided as a disk laser.
  • Disk lasers are solid-state lasers with a laser-active medium in the form of a disk.
  • these panes are coated on the back with a highly reflective layer and therefore serve as a mirror at the same time.
  • a laser beam hitting the pane is guided twice through the laser-active medium due to the reflection on the back.
  • the disk of a disk laser includes all those geometric shapes in which the lateral dimensions are significantly larger than their thickness.
  • this enables more efficient cooling of the laser-active medium 12, since a heat sink can be placed on the side of the reflective layer over its relatively large lateral extent.
  • the special shape of the laser-active medium 12 of a disk laser enables heat dissipation with a temperature gradient that is almost exclusively perpendicular to the lateral expansion. This leads to a reduction in the thermal effects that occur on the pane during operation, which can have a negative impact on the beam quality.
  • the local temperature change on the disk leads to a changed density of the laser-active material of the disk and thus to a change in the local refractive index of the disk material. This in turn is associated with a change in the optical properties of the pane, which results in changed beam parameters and potentially a deterioration in beam quality.
  • Another effect relates to the generation of a thermal gas lens, which is induced by the heating of the surrounding gas in front of the laser-active disk.
  • the density that changes due to the increased temperature of the gas affects the local refractive index distribution in front of the disk and the propagation of the seed beam is in turn adversely affected.
  • a laser-active medium 12 in the form of the laser-active disc is attached to the right-hand end of the multipass amplifier 2, which medium has a highly reflective layer 120 applied to the back.
  • the laser-active medium 12 is preferably in thermal contact with a cooling unit 30 on the back, so that heat induced by laser radiation can be dissipated.
  • the cooling unit 30 can be a water cooling system, for example.
  • the multipass amplifier 2 has suitable optical devices for geometrically folding the laser beams 11 and 21 .
  • the multipass amplifier 2 has pump optics 3 which, for example, include a parabolic mirror 22 and retroreflectors 23 . After the pump laser beam 21 has been coupled into the multipass amplifier 2 , the pump laser beam 21 is directed onto the parabolic mirror 22 , which in turn reflects the pump laser beam 21 back onto the laser-active medium 12 .
  • the pump laser beam 21 hitting the highly reflective layer 120 is in turn guided to the parabolic mirror 22 , whereupon the beam 21 hits a retroreflector 23 .
  • the retroreflector 23 throws the pump laser beam 21 back onto the parabolic mirror 22 so that another passage through the laser-active medium 12 takes place.
  • By a plurality of suitably arranged retroreflectors 23 so numerous passages through the laser-active medium 12 can be achieved, whereby the effectively covered path of the pump radiation 21 in the laser-active medium 12 and the associated effectively introduced absorbed pump power is increased.
  • the pump optics 3 can also have an end mirror (not shown in Figure 1), which the pump laser beam 21 impinges after the multiple pass through the laser-active medium 12 and is arranged in such a way that the pump beam goes all the way over the laser-active medium Medium 12, the parabolic mirror 22 and the retroreflectors 23 propagated back again.
  • the pump optics 3 can also provide an auxiliary resonator 24 in the beam path of the pump laser beam 21 instead of an end mirror. This can be used to decouple part of the pump power of the pump laser beam 21 and thus represents a setting option for the pump power effectively introduced into the laser-active medium 12.
  • the pump optics 3 can also provide an absorber (not shown in FIG. 1) in the beam path of the pump laser beam 21 instead of an end mirror or an auxiliary resonator 24 . This can also be used to decouple part of the pump power of the pump laser beam 21 and thus represents a further setting option for the pump power effectively introduced into the laser-active medium 12.
  • the multi-pass amplifier 2 has a mirror arrangement 13 which has a plurality of individual mirrors 130 in a special arrangement.
  • the seed laser beam 11 is directed through the mirror arrangement 13 onto the laser-active medium 12 .
  • the injected seed laser beam 11 is thrown back onto the mirror arrangement 13 by the highly reflective layer 120 on the back of the laser-active medium 12 and strikes one of the mirrors 130.
  • the mirrors 130 are designed in such a way that the seed laser beam 11 is reflected back onto the pane 12.
  • a large number of suitably designed mirrors 130 can thus be used to make numerous passes of the seed laser beam 11 through the pane 12, as a result of which the laser amplification is increased with each pass.
  • the amplified output laser beam 14 is decoupled from the mirror arrangement 13 and from the multipass amplifier 2 .
  • the multiple passages of the seed laser beam 11 and the pump laser beam 21 through the laser-active medium 12 primarily ensure the heat input into or the heat dissipation from the laser-active medium 12. Accordingly, the heat input respectively, the thermal load in the laser-active medium 12 can be influenced by adjusting the pump power of the pump laser 20 and the seed power of the seed laser 10, as discussed in the section illustrating the invention.
  • laser power sources which in addition to the seed laser 10 and the pump laser 20 bring laser power to the laser-active medium 12 and thereby introduce heat into the laser-active medium 12 and/or remove it from the laser-active medium 12, can also be used within the scope of the invention for setting the thermal load of the laser-active medium 12 are taken into account.
  • Other power sources that can lead to a change in the heat input of the laser-active medium 12 are, for example, the cooling capacity of a cooling unit 30, for example a water cooling system, and/or the heating capacity of a heating element 40, for example a radiant heater, which is directed onto the laser-active medium 12.
  • the cooling power and the heating power have no direct influence on the laser output power of the amplified output beam 14.
  • An indirect influence can arise from the thermally induced optical effects on the laser-active medium 12 or due to the change in temperature of the laser-active medium 12, which, however, have a comparatively insignificant influence on the output power.
  • Any other power sources that can lead to heat input into or heat dissipation from the pane 12 and thereby have no direct influence on the output power of the output beam 14 can be used within the scope of the invention for thermal load maintenance of the laser-active medium 12.
  • a temperature measuring unit 50 can also be provided, for example in the form of an infrared heat camera. By determining the temperature of the laser-active medium 12 via the thermal camera, conclusions can be drawn about the thermal load on the laser-active medium 12 .
  • a control unit 60 is provided, which is set up to adjust two or more of the thermal power sources just mentioned, which influence the thermal load on the laser-active medium 12, in such a way that the thermal load on the laser-active medium 12 is distributed over a range of the laser output power of the amplified output laser beam 14 is substantially constant.
  • a substantially constant thermal load of the laser-active medium 12 is understood here to mean, in particular, a thermal load which has a relative fluctuation in the values of +10%, preferably ⁇ 5%, particularly preferably +2%.
  • an essentially constant beam quality and/or at least one essentially constant beam parameter of the output laser beam 14 can be achieved over the range of the laser output powers.
  • essential parameters that represent the beam quality and the beam parameters such as the waist diameter, the waist position and the diffraction factor, can be kept essentially constant via the thermal load maintenance according to the invention over a range of the laser output power.
  • a development of the beam quality and/or a beam parameter which is essentially constant over a range of the laser output power can be quantified by a relative fluctuation of those values of +10%, preferably ⁇ 5%, particularly preferably +2%. Said values relate in particular to the waist diameter, the waist position and the diffraction index of the output beam 14.
  • the connecting lines connected to the control unit 60 which connect, among other things, the seed laser 10, the pump laser 20, the cooling unit 30, the heating element 40 and the temperature measuring unit 50 to the control unit 60, show in Figure 1 that the elements mentioned are set appropriately can. Accordingly, in the embodiment shown in FIG. 1, the power sources contributing to the thermal load of the laser-active medium 12 are adjusted manually, for example, such that the thermal load of the laser-active medium 12 is kept essentially constant for any desired laser output power of the amplified output beam 14. The maintenance of the thermal load can be checked by an operator using the temperature measuring unit 50 for each output power of the laser output beam 14 .
  • control unit 60 can be provided in the form of a computer, a computer program product or a programmable controller.
  • the thermal load can be maintained, for example, via a mathematical model implemented in the control unit 60 .
  • the latter includes all power sources contributing to the thermal load of the laser-active medium 12 and calculates the theoretically expected thermal load from the values.
  • the desired laser output power and a fixed value of the thermal load, which remains unchanged over an arbitrary range of the laser output power, serve as input parameters.
  • the other power sources are then calculated in such a way that the thermal load remains constant for any laser output power.
  • electronic control can also take place via an assignment table.
  • an empirically determined or previously calculated table is generated which, for a specified thermal load on the laser-active medium 12, provides suitable values for the power sources contributing to the thermal load of the laser-active medium 12 in order to achieve the desired thermal load value. These values are established for a range of laser power outputs of the output beam 14 so that when the desired output power is set, the electronic control unit 60 can access the values and adjust the appropriate power sources such that the thermal load is maintained over any range of the Laser output power remains constant. For example, a seed power and a pump power are specified for a desired laser output power and set accordingly for the seed laser 10 and the pump laser 20 .
  • a ready-made assignment table for thermal load maintenance can be advantageous, since in the latter case the electronic control unit 60 does not have to carry out any real-time calculations but can only access the pre-calculated values of the table.
  • advantages in terms of the speed of the appropriate adjustment of the performance parameters by the control unit 60 can result.
  • the control unit 60 can also control the pump power of the pump laser 20 and the seed power of the seed laser 10 based on the values measured by the temperature measuring unit 50 via a control, for example a PID control, to a predetermined temperature value.
  • a control for example a PID control
  • a monitoring device 70 is also provided, for example in the form of a CCD camera.
  • the monitoring device 70 is preferably configured to measure the waist diameter, the waist position and the diffraction index of the amplified output beam 14 .
  • part of the output beam 14 can be coupled out (eg via a partially transparent mirror) in order to be coupled into the monitoring device 70 and measured. Further measurements of beam parameters are not excluded.
  • a connection between the monitoring device 70 and the control unit 60 is provided, so that, for example, a skilled operator or an electronic control unit such as a computer can check the beam quality.
  • the Monitoring device 70 represent a possibility within the scope of the invention to check the constancy of the beam quality and the beam parameters over any range of the laser output power.
  • the beam quality and the beam parameters should be essentially constant due to the thermal load maintenance of the laser-active medium 12 over the entire range of the laser output power.
  • a reduction in the thermal load can be achieved by the pump laser 20 generating a blurred, extended pump spot on the laser-active medium 12, which improves the beam quality of the amplified output beam 14 by reducing unwanted thermal effects on the laser-active medium 12 learns.
  • the amplification efficiency can be increased by the diameter of the pump beam 21 on the laser-active medium 12 being at least the diameter of the seed beam 11 on the laser-active medium 12 or, if several seed beams are on the laser-active medium 12 meet, corresponds to the seed spot resulting from the seed rays.
  • the diameter of the pump beam 21 can have an extent that is a factor of 1 to 1.5 larger than the diameter of the seed beam 11 or the diameter of the seed spot.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem (1), umfassend einen Multipass-Verstärker (2), insbesondere einen Multipass-Scheibenlaserverstärker, zur Verstärkung von Laserlicht zur Bereitstellung eines verstärkten Ausgangsstrahls (14) und eine Steuerungseinheit (60), wobei der Multipass-Verstärker (2) ein laseraktives Medium (12) umfasst, wobei die Steuerungseinheit (60) dazu eingerichtet ist, die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12), welche durch mindestens zwei verschiedene Leistungsquellen bestimmt ist, über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung des Ausgangsstrahls (14) hinweg im Wesentlichen konstant zu halten.

Description

Lasersystem mit einem Multipass-Verstärker eingerichtet zur thermischen Lasterhaltung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einem Multipass-Verstärker zur Verstärkung von Laserlicht, wobei der Multipass-Verstärker ein laseraktives Medium umfasst.
Stand der Technik
Zur Verstärkung von eingestrahltem Laserlicht in einen Multipass-Verstärker wird ein laseraktives Medium benötigt. Um die zum Verstärkungsbetrieb nötige Besetzungsinversion in dem laseraktiven Medium zu erzeugen, wird das laseraktive Medium mit Pumplicht aus einem Pumplaser mit geeigneter Wellenlänge bestrahlt. Die so gespeicherte Energie im laseraktiven Medium wird durch Einstrahlung von Laserlicht eines Seedlasers mit geeigneter Wellenlänge (welche zur Pumplicht- Wellenlänge unterschiedlich ist) durch stimulierte Emission abgegriffen, wodurch das Seedlaserlicht verstärkt wird.
Um die Verstärkungseffizienz in einem Lasersystem zu erhöhen, wird typischerweise angestrebt, die zurückgelegte Weglänge der Pumpstrahlung und/oder der Seedstrahlung innerhalb des laseraktiven Mediums zu maximieren. Daher werden unter anderem so genannte Multipass- Verstärker verwendet. Hierbei wird einerseits Pumplicht mehrmals durch das laseraktive Medium geleitet, indem man den Pumpstrahl durch eine geeignete Optik geometrisch durch das laseraktive Medium leitet. Andererseits wird auch der Seedstrahl und damit der zu verstärkende Laserstrahl durch einen weiteren geeigneten optischen Aufbau gemäß dem Multipass-Konzept mehrmals durch das laseraktive Medium geleitet, bevor der verstärkte Laserstrahl zur finalen Verwendung abgegriffen wird. Hierbei ist zu beachten, dass bei einem solchen Multipass-Verstärker der Seedstrahl im Unterschied zu beispielsweise regenerativen Verstärkern bei seinen Durchgängen über geometrisch unterschiedliche Pfade geführt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Ein- und Auskopplung innerhalb der Verstärkeranordnung rein geometrisch erfolgt, und beispielsweise kein optischer Schalter zur aktiven Ein- beziehungsweise Auskopplung notwendig ist, so wie es beispielsweise bei regenerativen Laserverstärkungssystemen der Fall ist. Im Allgemeinen kann das laseraktive Medium eines Laserverstärkungssystems sehr unterschiedliche Geometrien aufweisen, und kann vor allem abhängig von dessen Aspektverhältnis (also dem Verhältnis zwischen Tiefe bzw. Höhe des Mediums und seiner lateralen Ausdehnung) verschiedene Vor- und Nachteile mit sich bringen. Dabei spielen vor allem die optischen Intensitäten innerhalb der aktiven Medien eine große Rolle, welche für verschiedene Aspektverhältnisse sehr unterschiedlich ausfallen können. Insbesondere bei Aspektverhältnissen von deutlich kleiner als 1 (wie beispielsweise bei Faserlasersystemen) erreichen die optischen Intensitäten auch bei vergleichsweise kleinen Leistungen sehr große Werte, die zu nichtlinearem Verhalten führen. Dementsprechend sind die zu erreichbaren Leistungen signifikant durch die Geometrie des laseraktiven Mediums beeinflusst.
Unabhängig von der Geometrie des laseraktiven Mediums ist jedoch die Existenz thermischer Effekte in dem laseraktiven Medium, welche einen negativen Einfluss auf die Strahlqualität haben können. Generell erzeugt Pumplicht, welches nicht in Laserleistung des ausgekoppelten, verstärkten Strahls gewandelt wird, überwiegend Wärme, also eine thermische Last auf dem laseraktiven Medium. Diese thermische Last ist insbesondere bei Multipassverstärkern besonders relevant, da die deponierte Wärmeleistung im aktiven Medium durch den Mehrfachdurchgang der Strahlung entsprechend hoch ist.
Näherungsweise kann diese thermische Last als Differenz zwischen Pumpleistung und der extrahierten Leistung, also der Laser-Ausgangsleistung des Laserverstärkungssystems, quantifiziert werden.
Trotz typischerweise angewandten Kühlungen der aktiven Medien in Laserverstärkungssystemen führt die thermische Last in dem Medium zu unerwünschten thermisch-induzierten optischen Effekten. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass die Aufheizung durch das Pumplicht zu einer veränderten Linsenwirkung des Mediums und dadurch zu besagten unerwünschten optischen Effekten führt.
Um dennoch konstante Strahlparameter und eine konstante Strahlqualität bei variabler Laser- Ausgangsleistung zu erreichen, werden bisherige Laserverstärkungssysteme mit einer bestimmten, festgelegten Laser-Ausgangsleistung betrieben, die durch eine hohe Strahlqualität gekennzeichnet ist. Um die Ausgangsleistung zu variieren, verwendet man nachgeschaltete optische Elemente zur Reduzierung oder Regelung der Leistung, anstatt die Pumpleistung und/oder Seedleistung zu verändern. Diese Art von Betrieb bezeichnet man auch als Arbeitspunktbetrieb. Dementsprechend erfordert ein Lasersystem im Arbeitspunktbetrieb zusätzliche nachgeschaltete Bauteile, um die erwünschte Einsteilbarkeit der Laser-Ausgangsleistung zu ermöglichen. Dadurch erhöhen sich Kosten und Komplexität des Systems.
Aus der Druckschrift DE102019131507A1 ist ein regenerativer Scheibenlaserverstärker bekannt, bei dem die Pulsenergie eines Seedlasers vor der Einkopplung in einen Resonator abgeschwächt werden kann, um bei Abweichungen in der Verstärkungszeit und/oder Veränderungen in der Repetitionsrate nicht eine Abweichung der Pulsenergie der verstärkten Ausgangslaserpulse zu erhalten.
Durch eine geeignete Abschwächung der Seedlaserpulsenergie, durch welche bei einer Veränderung der Repetitionsrate durch Veränderung der Verstärkungszeit (also der Umlaufanzahl des Laserstrahls im Resonator) die Pulsenergie konstant gehalten werden kann, ändert sich jedoch auch die extrahierte Laserleistung des Systems, wodurch sich die thermische Last im aktiven Medium, hier insbesondere eine laser-aktive Scheibe, ändert. Um der daraus resultierenden Temperaturänderung der Scheibe entgegenzuwirken, kann die Pumpleistung des Systems angepasst werden um die thermischen Laständerung zu kompensieren, sodass unerwünschte thermisch-induzierte optische Effekte unterdrückt werden.
Entsprechend ist die thermische Lasterhaltung gemäß DE102019131507A1 derart konzipiert, dass die thermische Last über einen Bereich der Repetitionsrate der Laserpulse konstant gehalten wird. Das beschriebene System ist allerdings nicht dafür ausgelegt, die thermische Lasterhaltung über einen Bereich der extrahierten Laser-Ausgangsleistung des Lasersystems zu garantieren.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Lasersystem zur Verstärkung von Laserlicht bereitzustellen, welches eine nahezu konstante Strahlqualität als auch Strahlparameter über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung sicherstellt.
Die Aufgabe wird durch ein Lasersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Figur.
Entsprechend wird ein Lasersystem, umfassend einen Multipass-Verstärker, insbesondere einen Multipass-Scheibenlaserverstärker, zur Verstärkung von Laserlicht zur Bereitstellung eines verstärkten Ausgangsstrahls und eine Steuerungseinheit vorgeschlagen, wobei der Multipass- Verstärker ein laseraktives Medium umfasst. Erfindungsgemäß ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, die thermische Last auf dem laseraktiven Medium, welche durch mindestens zwei verschiedene Leistungsquellen bestimmt ist, über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung des Ausgangsstrahls hinweg im Wesentlichen konstant zu halten.
Das aktive Medium des Multi pass- Verstärkers kann scheibenförmig ausgebildet sein, wobei ein scheibenförmiges aktives Medium all diejenigen Formen umfasst, bei welchen die lateralen Dimensionen deutlich größer sind als deren Dicke. Ein scheibenförmiges aktives Medium umfasst aber auch eine und/oder mehrere transmissive Scheiben, die auf einer Seite oder beiderseits mit einer antireflektiven Beschichtungen beschichtet sein können. Das aktive Medium des Multipass- Verstärkers muss auch keine Scheibenform aufweisen, sondern kann auch andere Geometrien aufweisen.
Die thermische Last eines laseraktiven Mediums eines Lasersystems mit einem Multipass- Verstärker ist primär durch die verwendete Pumpleistung des Pumplasers und die Seedleistung des Seedlasers bestimmt, welche zur Bestrahlung des laseraktiven Mediums eingerichtet sind.
Diejenige Pumpstrahlung, die im laseraktiven Medium absorbiert wird, allerdings nicht durch die von der Seedstrahlung induzierten stimulierten Emission im laseraktiven Medium extrahiert wird, wird dominant als Wärme im laseraktiven Medium deponiert. Beschränkt man sich für eine erste Betrachtung auf diese für die Laserverstärkung notwendigen Leistungsquellen (Pumpleistung und Seedleistung), ohne andere Leistungsquellen, die zu einem Wärmeintrag und/oder einer Wärmeabfuhr ins/vom laseraktive Medium führen, auszuschließen, kann die thermische Last Pth des laseraktiven Mediums näherungsweise berechnet werden als
^th — ^pump — ^ex — ^pump — ^(^pump) ^seed < wobei Ppump die Pumpleistung des Pumplasers und Pex die extrahierte Leistung des verstärkten Laser-Ausgangsstrahls ist. Letztere wird im Folgenden als Laser-Ausgangsleistung bezeichnet. Nach dem zweiten Gleichheitszeichen wurde Pex = K(Ppump) Pseed verwendet. Die Laser- Ausgangsleistung Pex ist also direkt proportional zur Seedleistung Pseed, wobei der Proportionalitätsfaktor der Verstärkungsfaktor ist, der wiederum eine Funktion der
Pumpleistung Ppump ist. Der konkrete funktionale Zusammenhang zwischen dem Verstärkungsfaktor K und der Pumpleistung Ppump hängt im Wesentlichen von der Energieniveaustruktur des verwendeten laseraktiven Laser-Mediums ab. Im Allgemeinen kann aber festgehalten werden, dass der Verstärkungsfaktor K mit steigender Pumpleistung Ppump steigt, solange das laseraktive Medium nicht durch eine zu hohe Pumpleistung zerstört wird und/oder seine Eigenschaften derart verändert, dass ein üblicher Laserbetrieb nicht mehr möglich ist. Aus obigen Überlegungen und der Gleichung für die thermische Last ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der Pumpleistung, je nach verwendeter (konstanter) Seedleistung Pseed und vorliegendem Verstärkungsfaktor K, entweder eine Erhöhung oder Verringerung der thermischen Last Pth zur Folge haben kann.
Für übliche Verstärkungsfaktoren K und typisch verwendeten Seedleistungen Pseed ist allerdings anzunehmen, dass eine Erhöhung der Pumpleistung Ppump auch zu einer Erhöhung der thermischen Last Pth führt.
Eine Erhöhung der Seedleistung Pseed wiederum führt bei endlicher (konstanter) Pumpleistung Ppump typischerweise zu einer Abnahme der thermischen Last Pth, solange die Verstärkung durch die Seedleistung nicht gesättigt ist.
Bevorzugt erstreckt sich der Bereich der Laser-Ausgangsleistung über den vollständigen Bereich der erreichbaren Laser-Ausgangsleistungen des Multipass-Verstärkers oder erstreckt sich nur über einen Teil dieses Bereichs. Mit anderen Worten kann über einen vorgegebenen Bereich an Ausgangsleistungen hinweg die thermische Last im Wesentlichen konstant gehalten werden, so dass auf nachgeschaltete Elemente zur Leistungsregulierung verzichtet werden kann und gleichzeitig eine hohe Strahlqualität beibehalten werden kann.
Insbesondere ist eine Repetitionsrate von Laserpulsen des Ausgangsstrahls konstant.
Vorzugsweise ist die Repetitionsrate der Laserpulse des Ausgangsstrahls über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung des Ausgangsstrahls konstant, überweichen die thermische Last auf dem Laseraktiven Medium mittels der Steuerungseinheit im Wesentlichen konstant gehalten wird. Insbesondere wird die Repetitionsrate der Laserpulse des Ausgangsstrahls über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung des Ausgangsstrahls nicht variiert.
Unter dem Begriff des „im Wesentlichen Konstanthalten“ der thermische Last auf dem laseraktiven Medium wird hierin verstanden, dass die thermische Last eine maximale relative Schwankung von von +10 %, bevorzugt +5 %, besonders bevorzugt +2 % aufweist.
Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht in den oben ausgeführten Beispielen bezüglich der Änderung der thermischen Last aufgrund von Änderungen der Seedleistung und Pumpleistung beschränkt. Vielmehr ist auch jede andere Veränderung der thermischen Last Pth, die durch eine Veränderung der Seedleistung Pseed und/oder der Pumpleistung Ppump induziert ist, mit eingeschlossen. Weiterhin sind auch weitere Leistungsquellen neben der Seedleistung und der Pumpleistung, welche einen (positiven oder negativen) Beitrag zur thermischen Last des laseraktiven Mediums zur Folge haben, als auch einen direkten Einfluss auf die Laser-Ausgangsleistung haben können, denkbar.
Die vorliegende Erfindung macht sich insbesondere den speziellen Zusammenhang zwischen thermischer Last Pth und der Seed- und Pumpleistung zunutze, um die thermische Last durch geeignete Anpassung der Seed- und Pumpleistung über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant zu halten. Dadurch wird ein Lasersystem ermöglicht, mit dem eine variable Laser-Ausgangsleistung bei zugleich konstanter thermischer Last verwirklicht ist. Letzteres verbessert insbesondere die Nutzbarkeit des verstärkten Ausgangsstrahls, da dessen Strahlqualität und Strahlparameter über den kompletten Bereich der Laser-Ausgangsleistung über die thermische Lasterhaltung nahezu konstant gehalten werden können.
Entsprechend sind bevorzugt als zur thermischen Last auf dem laseraktiven Medium beitragende Leistungsquellen ein Seedlaser und ein Pumplaser vorgesehen, welche zur Bestrahlung des laseraktiven Mediums eingerichtet sind, wobei die Steuerungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Seedleistung des Seedlasers und eine Pumpleistung des Pumplasers gemeinsam über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung hinweg derart anzupassen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium im Wesentlichen konstant ist.
Bevorzugt ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, die thermische Last auf dem laseraktiven Medium über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant zu halten, indem die Leistungen der zur thermischen Last des laseraktiven Mediums beitragenden Leistungsquellen durch manuelles Einstellen und/oder durch ein mathematisches Modell und/oder durch eine Zuordnungstabelle angepasst werden.
Bevorzugt ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, die Strahlqualität und/oder mindestens einen Strahlparameter des Ausgangsstrahls, bevorzugt definiert durch den Taillendurchmesser und/oder die Taillenposition und/oder die Beugungsmaßzahl, über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant zu halten, wobei bevorzugt die Strahlqualität und/oder der Strahlparameter über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung eine maximale relative Schwankung von +10 %, bevorzugt +5 %, besonders bevorzugt +2 % aufweist.
Hierbei sind die Strahlparameter im Wesentlichen durch den Taillendurchmesser und die Taillenposition gegeben, wobei die Strahlqualität vornehmlich durch die Beugungsmaßzahl des verstärkten Ausgangsstrahls charakterisiert ist. Bevorzugt kann eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Strahlqualität und der Strahlparameter, insbesondere des Taillendurchmessers, der Taillenposition und der Beugungsmaßzahl des verstärkten Ausgangslaserstrahls vorgesehen sein.
In einerweiteren bevorzugten Ausführung ist der Pumplaser dazu eingerichtet, einen ausgedehnten, unscharfen Pumpfleck auf dem laseraktiven Medium zu erzeugen. Auf diese Weise kann ein homogeneres Verhalten des laseraktiven Mediums erreicht werden, mit dem die Strahlqualität weiter verbessert werden kann.
Bevorzugt ist der Pumplaser dazu eingerichtet, einen Pumpfleck auf dem laseraktiven Medium zu erzeugen, dessen Durchmesser einen Faktor 1 bis 1 ,5 größer als der Durchmesser des Seedstrahls oder, wenn mehrere Seedstrahlen auf das laseraktive Medium treffen, des sich aus den Seedstrahlen ergebenden Seedflecks auf dem laseraktiven Medium ist. Damit kann vermieden oder reduziert werden, dass Randbereiche des gepumpten Volumens einen Einfluss auf die Strahlqualität haben, so dass die Strahlqualität weiter verbessert werden kann.
Bevorzugt ist eine Temperaturmesseinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die thermische Last des laseraktiven Mediums durch eine Temperaturmessung des aktiven Mediums zu bestimmen. Auf diese Weise kann die Konstanthaltung der thermischen Last überwacht werden. Die Temperaturmesseinheit kann auch dazu vorgesehen werden, eine Regelung der Leistungsquellen so vorzunehmen, dass die thermische Last im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Neben der Seed- und Pumpleistung können auch externe Leistungsquellen zur thermischen Lasterhaltung des laseraktiven Mediums des Laserverstärkungssystems benutzt werden. Diese Leistungsquellen haben im Gegensatz zur Seed- und Pumpleistung keinen direkten Einfluss auf die Laser-Ausgangsleistung des Lasersystems, allerdings einen direkten Einfluss auf die thermische Last. Der Richtigkeit halber sei aber darauf hingewiesen, dass ein indirekter Einfluss auf die Laser- Ausgangsleistung auch durch die von der thermischen Last erzeugte Temperaturänderung des laseraktiven Mediums induziert wird. Dieser Effekt soll allerdings vernachlässigt werden.
Im Speziellen können Mittel zur Kühlung, also zur Wärmeabfuhr aus dem laseraktiven Medium verwendet werden. Dementsprechend kann eine Kühleinheit vorgesehen sein, welche als Wärmesenke die thermische Last des laseraktiven Mediums senken kann. Die entsprechende Kühlleistung der Kühleinheit, die aus dem Medium abgeführt wird, kann als quantifiziert werden. Beispielsweise kann eine Wasserkühlung verwendet werden, welche in thermischen Kontakt mit dem laseraktiven Medium steht. Dabei ist im Rahmen der Erfindung auch jede andere Methode, die eine Kühlleistung Pkühl für das laseraktive Medium bereitstellt, geeignet. Weiterhin können Mittel zur Heizung, also zum Wärmeeintrag in das laseraktive Medium, verwendet werden. Dementsprechend kann ein Heizelement vorgesehen sein, welches als Wärmequelle die thermische Last des laseraktiven Mediums erhöhen kann. Die entsprechende Heizleistung des Heizelements, die in das Medium eingetragen wird, kann als Pheiz quantifiziert werden.
Beispielsweise kann ein Heizstrahler verwendet werden, welcher auf das laser-aktive Mediums gerichtet ist. Dabei ist im Rahmen der Erfindung auch jede andere Methode, die eine Heizleistung Pheiz für das laseraktive Medium bereitstellt, geeignet.
Bevorzugt können entsprechend die zur thermischen Last des laseraktiven Mediums beitragenden Leistungsquellen die Kühlleistung einer zur Kühlung des laseraktiven Mediums eingerichteten Kühleinheit und/oder die Heizleistung eines zur Heizung des laseraktiven Mediums eingerichteten Heizelements umfassen, welche keinen direkten Einfluss auf die Laser-Ausgangsleistung des Ausgangsstrahls haben.
Bevorzugt ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, bei konstanter Seedleistung und sich ändernder Pumpleistung die Heizleistung des Heizelements und/oder die Kühlleistung der Kühleinheit derart anzupassen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant ist, oder dass bei konstanter Pumpleistung und sich ändernder Seedleistung die Heizleistung des Heizelements und/oder die Kühlleistung der Kühleinheit derart anzupassen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant ist, oder dass bei maximaler Pumpleistung und sich ändernder Seedleistung die effektiv eingestrahlte Pumpleistung auf das laseraktive Medium durch gezielte Auskopplung von Pumpleistung mithilfe eines Hilfsresonators und/oder eines Absorbers derart anzupassen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant ist.
Zur Quantifizierung der thermischen Last des laseraktiven Mediums kann zudem eine Temperaturmesseinheit vorgesehen sein, die die Temperatur des laseraktiven Mediums messen kann. Beispielsweise kann die Temperaturmesseinheit eine Infrarot-Thermokamera sein, die auf das aktive Medium gerichtet ist. Dabei ist im Rahmen der Erfindung auch jede andere Vorrichtung, die zur Messung der Temperatur des laseraktiven Mediums geeignet ist, eingeschlossen.
Der Bereich der Laser-Ausgangsleistung, über den die thermische Last des Mediums konstant gehalten wird, kann sich entweder über die komplette für das System erreichbare Laser- Ausgangsleistung erstrecken, oder aber nur über einen Teil dieses Bereichs. Mit anderen Worten kann der Bereich ein beliebiger sein, wobei die Strahlqualität dennoch aufrechterhalten wird. Zur Anpassung der zur thermischen Last des laseraktiven Mediums beitragenden Leistungsquellen, insbesondere der Leistungsgrößen Ppump, Pseed, kühl und Pheiz. 'st eine Steuerungseinheit vorgesehen, welche die Anpassung der Leistungsquellen zur thermischen Lasterhaltung nach geeigneter Vorschrift vornimmt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Steuerungseinheit dazu eingerichtet sein, die Seedleistung Pseed und die Pumpleistung Pkühl simultan über einen Bereich der Laser- Ausgangsleistung des Lasersystems derart anzupassen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium konstant ist, wobei die Heizleistung des Heizelements und die Kühlleistung des Kühlelements null sind oder konstant sind. Besonders bevorzugt kann die Kühlleistung konstant sein, während die Heizleistung null ist, sodass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium zwar konstant, aber möglichst gering gehalten wird.
Für den typischen Fall, in dem eine Erhöhung/Erniedrigung der Pumpleistung Ppump auch zu einer Erhöhung/ Erniedrigung der thermischen Last Pth führt, und eine Erhöhung/ Erniedrigung der Seedleistung Pseed wiederum zu einer Abnahme/einem Anstieg der thermischen Last Pth, können die Leistungen Ppump und Pseed simultan erhöht/erniedrigt werden, sodass die Laser- Ausgangsleistung kontinuierlich steigt/fällt, während die thermische Last konstant bleibt. Für diesen Fall ist keine zusätzliche Anpassung der Heiz- und/oder Kühlleistung nötig. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das laser-laseraktive Medium jedoch trotzdem durch die Kühleinheit mit einer konstanten Kühlleistung gekühlt, um thermisch induzierte optische Effekte mit negativem Einfluss auf die Strahlqualität zu reduzieren, oder gar einer thermisch induzierten Zerstörung des laseraktiven Mediums vorzubeugen.
In einer alternativen Ausführungsform kann die thermische Lasterhaltung mittels der Steuerungseinheit auch bei konstanter Seedleistung erfolgen. Dementsprechend kann lediglich die Pumpleistung erhöht/erniedrigt werden, um die Laser-Ausgangsleistung kontinuierlich zu erhöhen/erniedrigen. Die daraus resultierende Änderung der thermischen Last kann durch geeignete Anpassung der Heizleistung des Heizelements und/oder der Kühlleistung der Kühleinheit kompensiert werden.
In einem typischen beispielhaften Fall würde die Erhöhung/Erniedrigung der Pumpleistung bei konstanter Seedleistung auch zu einer Erhöhung/Erniedrigung der thermischen Last führen, die durch eine entsprechende Erhöhung/Erniedrigung der Kühlleistung der Kühleinheit und/oder durch eine Erniedrigung/Erhöhung der Heizleistung des Heizelements kompensiert werden kann.
In einerweiteren alternativen Ausführungsform kann die thermische Lasterhaltung mittels der
Steuerungseinheit auch bei konstanter Pumpleistung erfolgen. Dementsprechend kann lediglich die Seedleistung erhöht/erniedrigt werden, um die Laser-Ausgangsleistung kontinuierlich zu erhöhen/erniedrigen. Die daraus resultierende Änderung der thermischen Last kann durch geeignete Anpassung der Heizleistung des Heizelements und/oder der Kühlleistung der Kühleinheit kompensiert werden.
In einem typischen beispielhaften Fall würde die Erhöhung/Erniedrigung der Seedleistung bei konstanter Pumpleistung zu einer Erniedrigung/Erhöhung der thermischen Last führen, die durch eine entsprechende Erhöhung/Erniedrigung der Heizleistung des Heizelements und/oder durch eine Erniedrigung/Erhöhung der Kühlleistung der Kühleinheit kompensiert werden kann.
In einerweiteren Ausführungsform kann die thermische Lasterhaltung mittels der Steuerungseinheit auch bei maximaler (konstanter) Pumpleistung erfolgen. Dementsprechend kann lediglich die Seedleistung erhöht/erniedrigt werden, um die Laser-Ausgangsleistung kontinuierlich zu erhöhen/erniedrigen. Die daraus resultierende Erniedrigung/Erhöhung der thermischen Last kann durch eine geeignete Auskopplung der eingestrahlten Pumpleistung mithilfe eines Hilfsresonators kompensiert werden, sodass die thermische Last in dem laseraktiven Medium konstant ist. Anstatt eines Hilfs resonators könnte auch ein Absorber verwendet werden, welcher die besagte Erniedrigung/Erhöhung der thermischen Last kompensieren kann.
Die Steuerungseinheit kann die Leistungen der zur thermischen Last des laseraktiven Mediums beitragenden Leistungsquellen durch manuelles Einstellen und/oder durch ein mathematisches Modell und/oder durch eine Zuordnungstabelle konstant halten.
Bei einer manuellen Einstellung der Leistungsquellen kann die Steuerungseinheit durch einen fachkundigen Bediener des Lasersystems verwirklicht werden. Dieser kann die zur thermischen Last beitragenden Leistungen entsprechend der zuvor genannten Ausführungsformen derart einstellen, dass die thermische Last über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung konstant ist.
Alternativ kann eine Steuerungseinheit ein mathematisches Modell verwenden, um die zur thermischen Last beitragenden Leistungen derart zu berechnen, damit die thermische Last über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung konstant ist. Hierfür muss eine möglichst genaue funktionale Abhängigkeit der thermischen Last Pth von den zur thermischen Last beitragenden Leistungsquellen bekannt sein, insbesondere dessen Abhängigkeit von Seed- und Pumpleistung. Ein so geartetes mathematisches Modell kann beispielsweise über eine Software in einer elektronischen Steuerungseinheit, beispielsweise einem Computer, verwirklicht sein, der mit den zur thermischen Last beitragenden Leistungsquellen im Lasersystem verbunden ist und diese entsprechend steuern kann. Beispielsweise kann bei einer vorgegebenen Laser-Ausgangsleistung die elektronische Steuerungseinheit die zur thermischen Last beitragenden Leistungen entsprechend der zuvor genannten Ausführungsformen durch eine Echtzeitberechnung vorgeben und durch Steuerung der Leistungsquellen über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung konstant halten.
Eine weitere Alternative zur thermischen Lasterhaltung durch eine Steuerungseinheit kann durch eine vorgefertigte Zuordnungstabelle erfolgen. Die Zuordnungstabelle ist dadurch charakterisiert, dass für eine vorgegebene Laser-Ausgangsleistung geeignete Werte für die zur thermischen Last beitragenden Leistungen vorgegeben sind, welche zu einer thermischen Lasterhaltung über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung führen. Die Zuordnungstabelle kann beispielsweise vorberechnet sein oder empirisch bestimmt werden.
Beispielsweise kann eine elektronische Steuerungseinheit benutzt werden, beispielsweise ein Computer, welcher die vorgefertigte Zuordnungstabelle heranzieht, um entsprechend der zuvor genannten Ausführungsformen eine Steuerung der Leistungsquellen vorzunehmen und so die thermische Last über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung konstant zu halten.
Durch die erfinderische Steuerungseinheit zur thermischen Lasterhaltung auf dem laseraktiven Medium über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung werden die eingangs diskutierten thermisch-induzierten optischen Effekte (insbesondere die veränderte Linsenwirkung des laseraktiven Mediums) auf einem nahezu konstanten Niveau gehalten. Dementsprechend wird auch die Strahlqualität und die Strahlparameter des verstärkten Ausgangsstrahls, insbesondere dessen Taillendurchmesser, Taillenposition und Beugungsmaßzahl nahezu konstant bleiben, mindestens jedoch konstanter als im Vergleich zu einem Lasersystem ohne thermische Lasterhaltung.
Insbesondere entspricht die maximale relative Schwankung besagter Werte für die Strahlqualität bzw. Strahlparameter maximal +10 %, bevorzugt +5 %, besonders bevorzugt +2 %.
Um die Strahlqualität und Strahlparameter quantitativ zu überprüfen, kann das Laserverstärkungssystem eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der Strahlqualität und der Strahlparameter des verstärkten Ausgangslaserstrahls umfassen. Beispielsweise kann die Überwachung der Strahlqualität und der Strahlparameter durch eine CCD Kamera erfolgen, in welche ein Teil des Ausgangsstrahls eingekoppelt werden kann. Alternative Vorrichtungen zur Messung der Strahlqualität und der Strahlparameter sind dabei nicht ausgeschlossen.
Die oben beschriebene Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Verstärken eines Seedlaserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Entsprechend wird ein Verfahren zum Verstärken eines Seedlaserstrahls in einem Multipass- Verstärker, der ein laseraktives Medium aufweist vorgeschlagen, um einen verstärkten Ausgangsstrahl bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird die thermische Last auf dem laseraktiven Medium, welche durch mindestens zwei verschiedene Leistungsquellen bestimmt ist, über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant gehalten, wobei die thermische Last auf dem laseraktiven Medium bevorzugt in einem Bereich von +10 %, bevorzugt +5 %, besonders bevorzugt +2 % konstant gehalten wird.
Bevorzugt umfassen die zur thermischen Last des laseraktiven Mediums beitragenden Leistungsquellen die Seedleistung eines Seedlasers und die Pumpleistung eines Pumplasers, welche zur Bestrahlung des laseraktiven Mediums eingerichtet sind, wobei die Seedleistung des Seedlasers und die Pumpleistung des Pumplasers gemeinsam über den Bereich der Laser- Ausgangsleistung so angepasst werden, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Bevorzugt wird die thermische Last auf dem laseraktiven Medium im Wesentlichen konstant gehalten, indem die Leistungen der zur thermischen Last des laseraktiven Mediums beitragenden Leistungsquellen durch manuelles Einstellen und/oder durch ein mathematisches Modell und/oder durch eine Zuordnungstabelle angepasst werden.
Bevorzugt wird die Strahlqualität und/oder mindestens ein Strahlparameter des Ausgangsstrahls, insbesondere definiert durch den Taillendurchmesser und/oder die Taillenposition und/oder die Beugungsmaßzahl, im Wesentlichen konstant gehalten, wobei bevorzugt die Strahlqualität und/oder der Strahlparameter über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung eine maximale relative Schwankung von +10 %, bevorzugt +5 %, besonders bevorzugt +2 % aufweist.
Kurze Beschreibung der Figur
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 Schematische Darstellung eines Lasersystems mit einem Multipass-Verstärker (Multipass Scheibenlaserverstärker) mit verschiedenen Leistungsquellen, die zur thermischen Last des laseraktiven Mediums beitragen.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figur beschrieben. In Figur 1 ist ein Lasersystem 1 schematisch dargestellt, das einen Multipass- Verstärker 2 in Form eines Multipass-Scheibenlaserverstärkers aufweist. Der Multipass-Verstärker 2 weist ein laseraktives Medium 12 auf und dient zur Verstärkung von Laserlicht, um einen verstärkten Ausgangsstrahl 14 bereitzustellen.
Das Lasersystem 1 weist einen Seedlaser 10 und einen Pumplaser 20 auf, deren zugehöriger Seedlaserstrahl 11 beziehungsweise Pumplaserstrahl 21 in den Multipass-Verstärker 2 eingekoppelt werden.
Das laseraktive Medium 12 kann als Scheibenlaser bereitgestellt sein. Scheibenlaser sind Festkörperlaser mit einem laseraktiven Medium in der Form einer Scheibe. Typischerweise sind diese Scheiben rückseitig mit einer hochreflektierenden Schicht beschichtet, und dienen daher gleichzeitig als Spiegel. Somit wird ein auf die Scheibe treffender Laserstrahl durch die rückseitige Reflexion zweifach durch das laseraktive Medium geführt.
Allgemein umfasst die Scheibe eines Scheibenlasers all diejenigen geometrischen Formen, bei welchen die lateralen Dimensionen deutlich größer sind als deren Dicke. Dies ermöglicht insbesondere eine effizientere Kühlung des laseraktiven Mediums 12, da eine Wärmesenke auf der Seite der reflektierenden Schicht über dessen verhältnismäßig große laterale Ausdehnung angebracht werden kann. Zusätzlich zu dieser effizienten Kühlung ermöglicht die spezielle Form des laseraktiven Mediums 12 eines Scheibenlasers eine Wärmeabfuhr mit einem Temperaturgradienten, der fast ausschließlich senkrecht zur lateralen Ausdehnung vorliegt. Dies führt zu einer Verringerung der im Betrieb entstehenden thermischen Effekte auf der Scheibe, welche sich negativ auf die Strahlqualität auswirken können.
Obwohl die einfache Bestrahlung einer laseraktiven Scheibe mit rückseitiger Reflexionsschicht bereits einen zweifachen Strahlungsdurchgang durch das laseraktive Medium zur Folge hat, ist die Absorption von eingestrahltem Laserlicht aufgrund der geringen Dicke der laseraktiven Scheibe typischerweise noch immer relativ gering. Um die Verstärkung zu verbessern, werden daher, wie eingangs bereits beschrieben, unter anderem so genannte Multipass-Verstärker 2 aufgebaut, welche einerseits einen Pumpstrahl und andererseits einen Seedstrahl durch geeignete optische Aufbauten mehrfach durch die Scheibe leiten. Letzeres hat jedoch auch eine stärkere thermische Belastung der Scheibe zur Folge.
Trotz einer Kühlung führt diese thermische Last auf der Scheibe zu unerwünschten thermischinduzierten optischen Effekten. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass die Aufheizung durch das Pumplicht relativ lokalisiert und inhomogen auf dem vom Pumplicht bestrahlten Bereich der Scheibe („Pumpfleck“) erfolgt. Damit verbundene lokale Änderungen und Inhomogenitäten der Temperatur führen zu einer veränderten Linsenwirkung der Scheibe und dadurch zu besagten unerwünschten optischen Effekten.
Zu diesen Effekten zählt unter anderem eine geometrische Verkrümmung der Vorderseite der Scheibe durch den Pumpfleck. Diese Verkrümmung sorgt für eine veränderte Propagation des (Seed-) Laserstrahls und damit zu veränderten Strahlparametern und möglicherweise einer Verringerung der Strahlqualität.
Weiterhin führt die lokale Temperaturänderung auf der Scheibe zu einer veränderten Dichte des laseraktiven Materials der Scheibe und damit zu einer Veränderung des lokalen Brechungsindex des Scheibenmaterials. Damit verbunden ist wiederum eine Veränderung der optischen Eigenschaften der Scheibe, woraus veränderte Strahlparameter und potentiell eine Verschlechterung der Strahlqualität folgen.
Ein weiterer Effekt betrifft die Erzeugung einer thermischen Gaslinse, die durch die Erwärmung des umgebenden Gases vor der laseraktiven Scheibe induziert wird. Die sich durch die erhöhte Temperatur des Gases ändernde Dichte beeinflusst die lokale Brechungsindexverteilung vor der Scheibe und die Propagation des Seedstrahls wird wiederum unerwünscht beeinflusst.
In der beispielhaften Anordnung der Figur 1 ist am rechtsseitigen Ende des Multipass-Verstärkers 2 ein laseraktives Medium 12 in Form der laseraktiven Scheibe angebracht, welches eine rückseitig aufgebrachte hochreflektierende Schicht 120 aufweist. Bevorzugt steht das laseraktive Medium 12 rückseitig mit einer Kühleinheit 30 in thermischem Kontakt, sodass Laserstrahlungs-induzierte Wärme abgeführt werden kann. Die Kühleinheit 30 kann beispielsweise eine Wasserkühlung sein.
Insbesondere weist der Multipass-Verstärker 2 geeignete optische Vorrichtungen zur geometrischen Faltung der Laserstrahlen 11 und 21 auf. Im dargestellten Beispiel weist der Multipass-Verstärker 2 eine Pumpoptik 3 auf, welche beispielsweise einen Parabolspiegel 22 und Retroreflektoren 23 umfasst. Nach der Einkopplung des Pumplaserstrahls 21 in den Multipass- Verstärker 2 wird der Pumplaserstrahl 21 auf den Parabolspiegel 22 geleitet, weicher den Pumplaserstrahl 21 wiederum auf das laseraktive Medium 12 zurückreflektiert.
Der auf die hochreflektierende Schicht 120 treffende Pumplaserstrahl 21 wird wiederum auf den Parabolspiegel 22 geleitet, woraufhin der Strahl 21 auf einen Retroreflektor 23 trifft. Der Retroreflektor 23 wirft den Pumplaserstrahl 21 wieder zurück auf den Parabolspiegel 22, sodass ein weiterer Durchgang durch das laseraktive Medium 12 stattfindet. Durch eine Mehrzahl an geeignet angeordneten Retroreflektoren 23 können so zahlreiche Durchgänge durch das laseraktive Medium 12 erreicht werden, wodurch der effektiv zurückgelegte Weg der Pumpstrahlung 21 in dem laseraktiven Medium 12 und die damit verbundene effektiv eingebrachte absorbierte Pumpleistung erhöht wird.
In einem typischen beispielhaften Aufbau kann die Pumpoptik 3 auch einen Endspiegel aufweisen (in der Figur 1 nicht gezeigt), auf den der Pumplaserstrahl 21 nach dem Mehrfachdurchgang durch das laseraktive Medium 12 auftrifft und so angeordnet ist, dass der Pumpstrahl den gesamten Weg über das laseraktive Medium 12, den Parabolspiegel 22 und den Retroreflektoren 23 wieder zurückpropagiert.
In einerweiteren optionalen Ausführungsform kann die Pumpoptik 3 statt einem Endspiegel auch einen Hilfsresonator 24 im Strahlengang des Pumplaserstrahl 21 vorsehen. Dieser kann dazu verwendet werden, einen Teil der Pumpleistung des Pumplaserstrahls 21 auszukoppeln und stellt damit eine Einstellmöglichkeit der effektiv eingebrachten Pumpleistung in das laseraktive Medium 12 dar.
In einerweiteren optionalen Ausführungsform kann die Pumpoptik 3 statt einem Endspiegel oder einem Hilfsresonator 24 auch einen Absorber (in Figur 1 nicht gezeigt) im Strahlengang des Pumplaserstrahl 21 vorsehen. Dieser kann ebenso dazu verwendet werden, einen Teil der Pumpleistung des Pumplaserstrahls 21 auszukoppeln und stellt damit eine weitere Einstellmöglichkeit der effektiv eingebrachten Pumpleistung in das laseraktive Medium 12 dar.
Weiterhin weist in dem aufgeführten Ausführungsbeispiel der Multi pass- Verstärker 2 eine Spiegelanordnung 13 auf, welche mehrere einzelne Spiegel 130 in einer speziellen Anordnung aufweist. Nach der Einkopplung des Seedlaserstrahls 11 in den Multipass- Verstärker 2 wird der Seedlaserstrahl 11 durch die Spiegelanordnung 13 auf das laseraktive Medium 12 geleitet. Durch die hochreflektierende Schicht 120 auf der Rückseite des laseraktiven Mediums 12 wird der eingekoppelte Seedlaserstrahl 11 auf die Spiegelanordnung 13 zurückgeworfen und trifft auf einen der Spiegel 130. Die Spiegel 130 sind derart gestaltet, dass der Seedlaserstrahl 11 wieder auf die Scheibe 12 rückreflektiert wird. Durch eine Vielzahl von geeignet gestalteten Spiegeln 130 können somit zahlreiche Durchgänge des Seedlaserstrahls 11 durch die Scheibe 12 erreicht werden, wodurch mit jedem Durchgang die Laserverstärkung erhöht wird. Entsprechend wird nach dem letzten Durchgang des Seedlaserstrahls 11 durch das laseraktive Medium 12 der verstärkte Ausgangslaserstrahl 14 aus der Spiegelanordnung 13 sowie aus dem Multipass-Verstärker 2 ausgekoppelt.
Die Mehrfachdurchgänge des Seedlaserstrahls 11 und des Pumplaserstrahls 21 durch das laseraktive Medium 12 sorgen vornehmlich für den Wärmeintrag in beziehungsweise der Wärmeabfuhr aus dem laseraktiven Medium 12. Entsprechend kann der Wärmeeintrag beziehungsweise die thermische Last in dem laseraktiven Medium 12 durch Einstellung der Pumpleistung des Pumplasers 20 und der Seedleistung des Seedlasers 10, wie in dem Abschnitt zur Darstellung der Erfindung diskutiert, beeinflusst werden.
Im Prinzip können im Rahmen der Erfindung auch weitere Laserleistungsquellen, welche neben dem Seedlaser 10 und dem Pumplaser 20 Laserleistung auf das laseraktive Medium 12 bringen und dadurch Wärme in das laseraktive Medium 12 einbringen und/oder aus dem laseraktiven Medium 12 abführen, für die Einstellung der thermische Last des laseraktiven Mediums 12 berücksichtigt werden.
Weitere Leistungsquellen, die zu einer Änderung des Wärmeeintrags des laseraktiven Mediums 12 führen können, sind beispielsweise die Kühlleistung einer Kühleinheit 30, beispielsweise einer Wasserkühlung, und/oder die Heizleistung eines Heizelements 40, beispielsweise eines Heizstrahlers, welcher auf das laseraktive Medium 12 gerichtet ist.
Im Unterschied zu den Laserleistungen, also der Seedleistung und der Pumpleistung, haben die Kühlleistung und die Heizleistung keinen direkten Einfluss auf die Laser-Ausgangsleistung des verstärkten Ausgangsstrahls 14. Ein indirekter Einfluss kann sich durch die thermisch induzierten optischen Effekte auf dem laseraktiven Medium 12 bzw. durch die Temperaturänderung des laseraktiven Mediums 12 ergeben, welche jedoch einen vergleichsweise unerheblichen Einfluss auf die Ausgangsleistung aufweisen. Jegliche weiteren Leistungsquellen, die zu einem Wärmeintrag in oder einer Wärmeabfuhr aus der Scheibe 12 führen können und dabei keinen direkten Einfluss auf die Ausgangsleistung des Ausgangsstrahls 14 haben, können in Rahmen der Erfindung zur thermischen Lasterhaltung des laseraktiven Mediums 12 verwendet werden.
Zur Messung der thermischen Last des laseraktiven Mediums 12 kann weiterhin eine Temperaturmesseinheit 50 vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Infrarot-Wärmekamera. Durch die Bestimmung der Temperatur des laseraktiven Mediums 12 über die Wärmekamera können Rückschlüsse auf die thermische Last des laseraktiven Mediums 12 gezogen werden.
Eine Steuerungseinheit 60 ist vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, zwei oder mehr der eben genannten thermischen Leistungsquellen, die die thermische Last des laseraktiven Mediums 12 beeinflussen, derart zu einzustellen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium 12 über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung des verstärkten Ausgangslaserstrahls 14 hinweg im Wesentlichen konstant ist. Unter einer im Wesentlichen konstanten thermischen Last des laseraktiven Mediums 12 wird hierin insbesondere eine thermische Last verstanden, die eine relative Schwankung der Werte von +10%, bevorzugt ±5%, besonders bevorzugt +2% aufweist.
Dadurch kann eine im Wesentlichen konstante Strahlqualität und/oder mindestens ein im Wesentlichen konstanter Strahlparameter des Ausgangslaserstrahls 14 über den Bereich der Laser-Ausgangsleistungen erreicht werden. Insbesondere können wesentliche Parameter, welche die Strahlqualität und die Strahlparameter darstellen, wie beispielsweise der Taillendurchmesser, die Taillenposition sowie die Beugungsmaßzahl, über die erfindungsgemäße thermische Lasterhaltung über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Eine über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstante Entwicklung der Strahlqualität und/oder eines Strahlparameters kann durch eine relative Schwankung jener Werte von +10%, bevorzugt ±5%, besonders bevorzugt +2% quantifiziert werden. Besagte Werte beziehen sich dabei insbesondere auf den Taillendurchmesser, die Taillenposition und der Beugungsmaßzahl des Ausgangsstrahls 14.
Die mit der Steuerungseinheit 60 verbundenen Verbindungslinien, welche unter anderem den Seedlaser 10, den Pumplaser 20, die Kühleinheit 30, das Heizelement 40 sowie die Temperaturmesseinheit 50 mit der Steuerungseinheit 60 verbinden, stellen in der Figur 1 dar, dass die genannten Elemente geeignet eingestellt werden können. Entsprechend werden die zur thermischen Last des laseraktiven Mediums 12 beitragenden Leistungsquellen in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform beispielsweise manuell derart eingestellt, dass für eine beliebige Laser-Ausgangsleistung des verstärkten Ausgangsstrahls 14 die thermische Last des laseraktiven Mediums 12 im Wesentlichen konstant gehalten wird. Die Konstanthaltung der thermischen Last kann dabei durch einen Bediener mittels der Temperaturmesseinheit 50 für jede Ausgangsleistung des Laser-Ausgangsstrahls 14 überprüft werden.
Alternativ kann die Steuerungseinheit 60 in Form eines Computers, eines Computerprogrammprodukts oder einer programmierbaren Steuerung vorgesehen sein. Mittels einer solchen elektronischen Steuerung kann die thermische Lasterhaltung beispielsweise über ein in der Steuerungseinheit 60 implementiertes mathematisches Modell erfolgen. Letzteres bezieht alle zur thermischen Last des laseraktiven Mediums 12 beitragenden Leistungsquellen ein und berechnet aus den Werten die theoretisch erwartete thermische Last. Dabei dienen die gewünschte Laser-Ausgangsleistung und ein festgelegter Wert der thermischen Last, welcher über einen beliebigen Bereich der Laser-Ausgangsleistung unverändert bleibt, als Eingangsparameter. Die übrigen Leistungsquellen werden dann derart berechnet, dass die thermische Last für beliebige Laser-Ausgangsleistungen konstant bleibt.
Alternativ kann eine elektronische Steuerung auch über eine Zuordnungstabelle erfolgen. Hierzu wird eine empirisch ermittelte beziehungsweise vorher berechnete Tabelle erzeugt, welche für eine festgelegte thermische Last auf dem laseraktiven Medium 12 geeignete Werte für die zur thermischen Last des laseraktiven Mediums 12 beitragenden Leistungsquellen bereitstellt, um den gewünschten Wert der thermischen Last zu erreichen. Diese Werte werden für eine Reihe von Laser-Ausgangsleistungen des Ausgangsstrahls 14 erstellt, sodass die elektronische Steuerungseinheit 60 bei Einstellung der gewünschten Ausgangsleistung auf die Werte zugreifen kann und die entsprechenden Leistungsquellen einstellen kann, und zwar derart, dass die thermische Last über einen beliebigen Bereich der Laser-Ausgangsleistung konstant bleibt. Beispielsweise wird so für eine gewünschte Laser-Ausgangsleistung eine Seedleistung und eine Pumpleistung angegeben und für den Seedlaser 10 und den Pumplaser 20 entsprechend eingestellt.
Gegenüber der zuvor beschriebenen Alternative mittels eines mathematischen Modells, kann eine vorgefertigte Zuordnungstabelle zur thermischen Lasterhaltung vorteilhaft sein, da die elektronische Steuerungseinheit 60 im letztgenannten Fall keine Echtzeitberechnung durchführen muss, sondern lediglich auf die vorberechneten Werte der Tabelle zugreifen kann. Entsprechend können Vorteile in Bezug auf die Geschwindigkeit der geeigneten Einstellung der Leistungsparameter durch die Steuerungseinheit 60 die Folge sein.
Die Steuerungseinheit 60 kann die Pumpleistung des Pumplasers 20 und die Seedleistung des Seedlasers 10 auch aufgrund der mittels der Temperaturmesseinheit 50 gemessenen Werte über eine Regelung, beispielsweise eine PID Regelung, auf einen vorgegebenen Temperaturwert regeln.
Zur Überprüfung der Strahlqualität und der Strahlparameter des Laserausgangsstrahls 14 ist weiterhin eine Überwachungseinrichtung 70 vorgesehen, beispielsweise in Form einer CCD- Kamera. Die Überwachungseinrichtung 70 ist bevorzugt dazu eingerichtet, den Taillendurchmesser, die Taillenposition und die Beugungsmaßzahl des verstärkten Ausgangsstrahls 14 zu messen. Hierfür kann beispielsweise ein Teil des Ausgangsstrahls 14 ausgekoppelt werden (z.B. über einen teildurchlässigen Spiegel), um in die Überwachungseinrichtung 70 eingekoppelt und vermessen zu werden. Weitere Messungen von Strahlparametern sind dabei nicht ausgeschlossen. Darüber hinaus ist eine Verbindung der Überwachungseinrichtung 70 mit der Steuerungseinheit 60 vorgesehen, wodurch beispielsweise ein fachkundiger Bediener oder eine elektronische Steuerungseinheit wie ein Computer die Strahlqualität überprüfen kann. Insbesondere soll die Überwachungseinrichtung 70 im Rahmen der Erfindung eine Möglichkeit darstellen, die Konstanz der Strahlqualität und der Strahlparameter über einen beliebigen Bereich der Laser- Ausgangsleistung zu überprüfen.
Besonders bevorzugt soll die Strahlqualität und die Strahlparameter durch die thermische Lasterhaltung des laseraktiven Mediums 12 über den kompletten Bereich der Laser- Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant sein.
Konkrete und beispielhafte Methoden zur thermischen Lasterhaltung über einen Bereich der Laser- Ausgangsleistung basierend auf dem in Figur 1 dargestellten Lasersystem 1 sind in dem Abschnitt zur Darstellung der Erfindung bereits ausführlich beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Lasersystems 1 gemäß Figur 1 kann eine Reduzierung der thermischen Last dadurch erreicht werden, indem der Pumplaser 20 einen unscharfen, ausgedehnten Pumpfleck auf dem laseraktiven Medium 12 erzeugt, wodurch die Strahlqualität des verstärkten Ausgangsstrahls 14 eine Verbesserung durch Reduzierung unerwünschter thermischer Effekte auf dem laseraktiven Medium 12 erfährt.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des Lasersystems 1 mit einem Multipass- Verstärker kann die Verstärkungseffizienz erhöht werden, indem der Durchmesser des Pumpstrahls 21 auf dem laseraktiven Medium 12 mindestens dem Durchmesser des Seedstrahls 11 auf dem laseraktiven Medium 12 oder, wenn mehrere Seedstrahlen auf das laseraktive Medium 12 treffen, des sich aus den Seedstrahlen ergebenden Seedflecks entspricht. Im Speziellen kann der Durchmesser des Pumpstrahls 21 eine Ausdehnung aufweisen, welche einen Faktor 1 bis 1 ,5 größer ist als der Durchmesser des Seedstrahls 11 oder der Durchmesser des Seedflecks ist.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
1 Lasersystem
2 Multipass-Verstärker (Multipass-Scheibenlaserverstärker)
3 Pumpoptik
10 Seedlaserquelle
11 Seedlaserstrahl
12 Laser-laseraktive Scheibe des Multi pass- Verstärkers
120 Hochreflektierende Schicht
13 Spiegelanordnung des Multipass- Verstärkers
130 Spiegel der Spiegelanordnung
14 Ausgangslaserstrahl
20 Pumplaser
21 Pumplaserstrahl
22 Parbolspiegel für Pumpoptik
23 Retroreflektor
24 Hilfsresonator
30 Kühleinheit
40 Heizelement
50 Temperaturmesseinheit
60 Steuerungseinheit
70 Überwachungseinrichtung für Strahlqualität

Claims

Ansprüche
1 . Lasersystem (1), umfassend einen Multipass- Verstärker (2), insbesondere einen Multipass- Scheibenlaserverstärker, zur Verstärkung von Laserlicht zur Bereitstellung eines verstärkten Ausgangsstrahls (14) und eine Steuerungseinheit (60), wobei der Multipass- Verstärker (2) ein laseraktives Medium (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (60) dazu eingerichtet ist, die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12), welche durch mindestens zwei verschiedene Leistungsquellen bestimmt ist, über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung des Ausgangsstrahls (14) hinweg im Wesentlichen konstant zu halten.
2. Lasersystem (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich der Laser- Ausgangsleistung über den vollständigen Bereich der erreichbaren Laser-Ausgangsleistungen des Multi pass- Verstärkers (2) erstreckt oder sich nur über einen Teil dieses Bereichs erstreckt und/oder die Steuerungseinheit (60) dazu eingerichtet ist, die thermische Last auf dem laseraktiven Medium in einem Bereich von +10 %, bevorzugt +5 %, besonders bevorzugt +2 % konstant zu halten.
3. Lasersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (60) dazu eingerichtet ist, die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12) über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant zu halten, indem die Leistungen der zur thermischen Last des laseraktiven Mediums (12) beitragenden Leistungsquellen durch manuelles Einstellen und/oder durch ein mathematisches Modell und/oder durch eine Zuordnungstabelle angepasst werden.
4. Lasersystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zur thermischen Last auf dem laseraktiven Medium (12) beitragende Leistungsquellen ein Seedlaser (10) und ein Pumplaser (20) vorgesehen sind, welche zur Bestrahlung des laseraktiven Mediums (12) eingerichtet sind, wobei die Steuerungseinheit (60) dazu eingerichtet ist, eine Seedleistung des Seedlasers (10) und eine Pumpleistung des Pumplasers (20) gemeinsam über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung hinweg derart anzupassen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12) im Wesentlichen konstant ist.
5. Lasersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (60) dazu eingerichtet ist, die Strahlqualität und/oder mindestens einen Strahlparameter des Ausgangsstrahls (14), bevorzugt definiert durch den Taillendurchmesser und/oder die Taillenposition und/oder die Beugungsmaßzahl, über den Bereich der Laser- Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant zu halten, wobei bevorzugt die Strahlqualität und/oder der Strahlparameter über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung eine maximale relative Schwankung von +10 %, bevorzugt +5 %, besonders bevorzugt +2 % aufweist. Lasersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinrichtung (70) zur Überwachung der Strahlqualität und der Strahlparameter, insbesondere des Taillendurchmessers, der Taillenposition und der Beugungsmaßzahl des verstärkten Ausgangslaserstrahls (14) vorgesehen ist. Lasersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder der Pumplaser (20) dazu eingerichtet ist, einen ausgedehnten, unscharfen Pumpfleck auf dem laseraktiven Medium (12) zu erzeugen. Lasersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder der Pumplaser (20) dazu eingerichtet ist, einen Pumpfleck auf dem laseraktiven Medium (12) zu erzeugen, dessen Durchmesser einen Faktor 1 bis 1 ,5 größer als der Durchmesser des Seedstrahls (1 1) oder, wenn mehrere Seedstrahlen (11) auf das laseraktive Medium (12) treffen, des sich aus den Seedstrahlen (11) ergebenden Seedflecks auf dem laseraktiven Medium (12) ist. Lasersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturmesseinheit (50) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die thermische Last des laseraktiven Mediums (12) durch eine Temperaturmessung des laseraktiven Mediums (12) zu bestimmen. Lasersystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur thermischen Last des laseraktiven Mediums (12) beitragenden Leistungsquellen die Kühlleistung einer zur Kühlung des laseraktiven Mediums eingerichteten Kühleinheit (30) und/oder die Heizleistung eines zur Heizung des laseraktiven Mediums (12) eingerichteten Heizelements (40) umfassen, welche keinen direkten Einfluss auf die Laser-Ausgangsleistung des Ausgangsstrahls (14) haben. Lasersystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (60) dazu eingerichtet ist, bei konstanter Seedleistung und sich ändernder Pumpleistung die Heizleistung des Heizelements (40) und/oder die Kühlleistung der Kühleinheit (30) derart anzupassen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12) über den Bereich der Laser- Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant ist, oder bei konstanter Pumpleistung und sich ändernder Seedleistung die Heizleistung des Heizelements (40) und/oder die Kühlleistung der Kühleinheit (30) derart anzupassen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12) über den Bereich der Laser- Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant ist, oder bei maximaler Pumpleistung und sich ändernder Seedleistung die effektiv eingestrahlte Pumpleistung auf das laseraktive Medium (12) durch gezielte Auskopplung von Pumpleistung mithilfe eines Hilfsresonators (24) und/oder eines Absorbers derart anzupassen, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12) über den Bereich der Laser- Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant ist. Verfahren zum Verstärken eines Seedlaserstrahls in einem Multipass-Verstärker (2), der ein laseraktives Medium (12) aufweist, um einen verstärkten Ausgangsstrahl (14) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12), welche durch mindestens zwei verschiedene Leistungsquellen bestimmt ist, über einen Bereich der Laser-Ausgangsleistung im Wesentlichen konstant gehalten wird, wobei die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12) bevorzugt in einem Bereich von +10 %, bevorzugt +5 %, besonders bevorzugt +2 % konstant gehalten wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zur thermischen Last des laseraktiven Mediums (12) beitragenden Leistungsquellen die Seedleistung eines Seedlasers (10) und die Pumpleistung eines Pumplasers (20) umfassen, welche zur Bestrahlung des laseraktiven Mediums (12) eingerichtet sind, wobei die Seedleistung des Seedlasers (10) und die Pumpleistung des Pumplasers (20) gemeinsam über den Bereich der Laser- Ausgangsleistung so angepasst werden, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12) im Wesentlichen konstant gehalten wird. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Last auf dem laseraktiven Medium (12) im Wesentlichen konstant gehalten wird, indem die Leistungen der zur thermischen Last des laseraktiven Mediums (12) beitragenden Leistungsquellen durch manuelles Einstellen und/oder durch ein mathematisches Modell und/oder durch eine Zuordnungstabelle angepasst werden. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlqualität und/oder mindestens ein Strahlparameter des Ausgangsstrahls (14), insbesondere definiert durch den Taillendurchmesser und/oder die Taillenposition und/oder die Beugungsmaßzahl, im Wesentlichen konstant gehalten werden, wobei bevorzugt die Strahlqualität und/oder der Strahlparameter über den Bereich der Laser-Ausgangsleistung eine maximale relative Schwankung von +10 %, bevorzugt +5 %, besonders bevorzugt +2 % aufweist.
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