WO2007093151A1 - Laser und verfahren zur erzeugung gepulster laserstrahlung - Google Patents

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WO2007093151A1
WO2007093151A1 PCT/DE2007/000213 DE2007000213W WO2007093151A1 WO 2007093151 A1 WO2007093151 A1 WO 2007093151A1 DE 2007000213 W DE2007000213 W DE 2007000213W WO 2007093151 A1 WO2007093151 A1 WO 2007093151A1
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laser
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pulse
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Günter HOLLEMANN
Peter Heist
Adolf Giesen
Christian Stolzenburg
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Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a laser and a method for generating pulsed laser radiation of a first wavelength.
  • Q-switched lasers are often used to generate pulsed laser radiation. If a Yb-doped medium is used as the active medium in such lasers, pulsed instabilities occur in Q-switched operation at a pulse repetition rate of approximately 20 kHz. Furthermore, the pulse width becomes very large, typically carrying several hundred ns or more. This is due to the relatively long lifetime of the upper laser level (at Yb: YAG about 1 ms) and the relatively low amplification efficiency cross section of the stimulated emission.
  • a laser for generating pulsed laser radiation of a first wavelength comprising a resonator, a resonated pumped active medium which emits laser radiation having the first wavelength, a detection unit for measuring the intensity of the laser radiation in the resonator, and a control unit in which the resonator is switchable to a first state in which it is open for the laser radiation and into a second state in which it is closed for the laser radiation, and wherein the control unit to generate a pulse of laser radiation in a first step, the resonator switches from the first to the second state, so that at least one resonator mode for the laser radiation oscillates, and upon reaching a predetermined Value of a predetermined physical characteristic of the laser radiation in the resonator in a second step following the first step, the resonator switches from the second to the first state, whereby the laser radiation is coupled out of the resonator as a laser pulse, wherein the predetermined value and / or the decoupling behavior of the predetermined value and / or the decoup
  • the cavity dumping mode is carried out to the effect that as a trigger signal, a predetermined value of the characteristic of the laser radiation generated in the resonator is used.
  • a predetermined value of the characteristic of the laser radiation generated in the resonator is used.
  • the pulse width can be easily and reproducibly adjusted.
  • the pulse width can also be adjusted via the decoupling behavior of the resonator.
  • the decoupling behavior is largely determined by the Auskoppelgrad in the first state and the switching period from the second to the first state. Both the Auskoppelgrad and the switching time can be switched on or adjusted here by means of the control unit.
  • the detection unit can measure the physical characteristic of the laser radiation directly or indirectly and transmit to the control unit a corresponding signal value, which then serves to determine the present value of the parameter. This also ensures that the maximum pulse energy can be effectively limited, whereby damage to optical components can be safely prevented.
  • the control unit can repeatedly perform the first and second steps, wherein the time duration between a second step and the subsequent first step for adjusting the pulse repetition rate at the control unit is adjustable.
  • This stabilization of the pulse energy achieves pulse-to-pulse stabilities of less than 5% (minimum value to maximum value).
  • the resonator of the laser can have a decoupling module which decouples more laser radiation from the resonator in the first state than in the second state.
  • that can Decoupling module be designed so that no laser radiation is coupled out in the second state.
  • the pulse duration can be from less than 100 ns to more than 1000 ns.
  • the pulse repetition rate can be> 20 kHz.
  • a method for generating pulsed laser radiation wherein in a first step laser radiation of the first wavelength is generated in a resonator so that at least one resonator mode oscillates, wherein a predetermined physical characteristic of the laser radiation is measured and evaluated and, if the measured Characteristic reaches a predetermined value, in a second step following the first step, the laser radiation is coupled out of the resonator as a laser pulse.
  • the pulse widths can be set over a very high range. Furthermore, pulse repetition rates of greater than 20 kHz, in particular greater than 50 kHz, are possible, wherein the pulse width can be set almost independently of the pulse repetition rate.
  • the predetermined value may be adjustable. By means of this adjustability an easy choice of the desired pulse width is possible.
  • the decoupling behavior of the resonator can be adjustable.
  • the decoupling degree in the second step and the switching period from the first to the second step can be switched on or off.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the laser according to the invention according to a first embodiment
  • Fig. 2 is a detailed view of the laser resonator 1 of Fig. 1;
  • Fig. 4 shows the time course of three laser pulses generated together with the trigger signal for the Pockels cell 11 of Fig. 2, and
  • FIG. 5 shows the time profile of three laser pulses generated together with the on / off state of the Pockels cell 11 of FIG. 2.
  • the laser according to the invention for generating pulsed laser radiation of a first wavelength comprises a laser resonator 1, which is formed by two resonator mirrors 2, 3 and in which a Yb: YAG medium 4 as active medium, an optical decoupling module 5 and a Auskoppelapt 6 are arranged. Furthermore, the laser 1 comprises a pump light source 7, a control unit 8 for controlling the decoupling module 5 and a photodiode 9.
  • the active medium 4 is pumped with the light of the pump light source 7 (here continuously) (arrow P1) and emits laser radiation of the first wavelength (here in the infrared range).
  • the decoupling module 5 can be switched to a first and a second state by means of the control unit 8, wherein generated laser radiation is decoupled from the resonator 1 in the first state (arrow P2). In this case, the resonator 1 is open for the laser radiation. In the second state of the decoupling module 5, no laser radiation is coupled out of the resonator 1, so that the resonator 1 is closed for the laser radiation.
  • the output mirror 6 couples out a small portion of the laser radiation (arrow P3) and directs it onto the photodiode 9, with which the intensity of the laser radiation in the resonator 1 can be measured (continuously).
  • the laser resonator 1 comprises, in addition to the resonator mirrors 2 and 3, a further mirror 10 and the active medium 4 is provided in the so-called disk laser arrangement.
  • BBO Betabarium borate crystal
  • the operation of the laser of FIGS. 1 and 2 is explained in connection with FIG. 3, in which the temporal pulse shape of the intracavity infrared ray (curve K1), the decoupled infrared ray (dashed curve K2) and the rectangular-wave trigger signal (FIG. Curve K3) are plotted for the Pockels cell 11.
  • the intensity of the decoupled infrared beam (curve K2) is normalized to one.
  • the polarizer 13 causes p-polarized radiation to be transmitted and thus decoupled, whereas s-polarized radiation is reflected. On the one hand, this leads to the fact that only for s-polarized radiation can a mode oscillate in the resonator 1.
  • the laser radiation reflected from the polarizer 13 toward the ⁇ / 4 plate 12 is s-polarized. This radiation passes through the ⁇ / 4 plate 12 and the Pockels cell 11 twice, depending on the voltage applied to the Pockels cell 11, the polarization state either remains unchanged, so that the entire radiation from the ⁇ / 4 plate 12 to the polarizer 13, remains in the resonator, this is referred to here as the closed state of the laser resonator 1.
  • the radiation coming from the ⁇ / 4 plate 12, which is incident on the polarizer 13, will be at least partially decoupled.
  • the laser resonator 1 is open to the laser radiation.
  • the laser resonator 1 When the trigger signal is switched from 0 to 1 at time t1 (FIG. 3), the laser resonator 1 is switched from its open state (first state in which the laser radiation is decoupled) into the second state, in which no laser radiation is decoupled. Since the active medium 4 is pumped continuously, at least a first resonator mode oscillates after a certain period of time, so that the intensity (curve K1) of the resonator-internal infrared signal increases. The intensity of the resonator-internal signal is measured continuously with the photodiode 9. These measured values are supplied to the control unit 8 by the photodiode 9, which monitors whether the measured intensity reaches a predetermined threshold value 11 or not.
  • the control unit 8 switches on the Pockels cell 11 by switching the trigger signal (curve K3) from 1 to 0 (time t2), so that now the generated laser radiation is (at least partially) decoupled becomes.
  • the pulse duration of the decoupled infrared beam depends on the predetermined intensity value 11.
  • the decoupling behavior of the laser resonator 1 is essentially determined by the decoupling factor of the laser resonator when the Pockels cell is switched on (in the first state).
  • the voltage may for example be selected so that, for example, 50% of the laser radiation coming from the ⁇ / 4 plate is coupled out when the Pockels cell is switched on.
  • the reflectance is preferably 100%.
  • the decoupling behavior is still influenced by the switching time of the Pockels cell from its off state to its on state.
  • the switching period can be changed, for example, via the steepness of the slope of the trigger pulse (curve K3). As the switching time increases, the pulse width will also increase, whereas with decreasing switching time, the pulse width will decrease.
  • the described mode of operation of the laser is based on the so-called cavity-dumping mode, in which the energy stored in the photon field in the laser resonator and coupled to generate a pulse by means of an electro-optical or acousto-optical decoupling the laser radiation.
  • the intensity of the internal laser radiation which increases during oscillation of the laser, is used as a trigger signal in order to open the laser resonator and thus to decouple the radiation as a laser pulse.
  • the laser can be operated stably even at pulse repetition rates of over 20 kHz. Pulse repetition rates of 50 to 200 kHz with a diffraction factor M 2 less than 5 (in particular with M 2 equal to 1) were possible. Conventional Yb-doped lasers typically exhibit pulse instabilities in Q-switched modes starting at 20 kHz. The pulse duration was 200-400 ns and could also be from less than 100 ns to more than 1000 ns.
  • the pulse repetition rate can be adjusted by means of the control unit 8 in that the duty cycle of the Pockels cell 11 is selected accordingly.
  • Fig. 4 and 5 are each only the decoupled laser radiation is drawn for three successive pulses, the value of the trigger signal being shown in FIG. 4 and the on / off state of the Pockels cell 11 being shown in FIG.
  • the pulse repetition rate can be determined via the switch-on time ⁇ t 2 of the Pockels cell 14 (ie the time during which the laser resonator 1 is open).
  • the duty ratio ⁇ t2 is increased, the pulse repetition rate decreases. If the duty cycle is shortened, the pulse repetition rate increases.
  • the pulse duration and the pulse repetition rate can be set almost independently.
  • the intensity of the laser radiation generated in the laser resonator 1 is measured in that a small proportion of the laser radiation is coupled out via the output mirror 6 from the laser resonator and directed to the photodiode 9.
  • the actually unwanted losses can be used to continuously measure the intensity of the laser radiation generated in the laser resonator 1.
  • the measurement of the intensity of the laser radiation produced can also be carried out by detecting the fluorescent light of the active medium 4 by means of the photodiode 9, since the fluorescent light increases with increasing inversion in the active medium 4.

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Abstract

Es wird bereitgestellt ein Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, mit einem Resonator (1), einem im Resonator (1) angeordneten gepumpten aktiven Medium (4), das Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge abgibt, einer Detektionseinheit (6, 9) zur Messung der Intensität der Laserstrahlung im Resonator (1) und einer Steuereinheit (8), der von der Detektionseinheit (6, 9) der gemessene Intensitätswert zugeführt ist, wobei die Steuereinheit (8) zur Erzeugung eines Pulses der Laserstrahlung bei Erreichen eines vorbestimmten Werts einer physikalischen Kenngröße der Laserstrahlung im Resonator (1) den Resonator (1) von einem geschlossenen in einen offenen Zustand schaltet, wodurch die Laserstrahlung aus dem Resonator (1) als Laserpuls ausgekoppelt wird, wobei der vorbestimmte Wert und/oder das Auskoppelverhalten des Resonators (1) zur Verstellung der Pulsdauer an der Steuereinheit (8) einstellbar ist/sind.

Description

Laser und Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlunq
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser und ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge.
Zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung werden häufig gütegeschaltete Laser eingesetzt. Wenn bei solchen Lasern als aktives Medium ein Yb-dotiertes Medium eingesetzt wird, treten im gütegeschalteten Betrieb ab einer Pulswiederholrate von etwa 20 kHz Pulsinstabilitäten auf. Ferner wird die Pulsbreite sehr groß, typischerweise trägt sie mehrere 100 ns oder noch mehr. Dies ist eine Folge der relativ langen Lebensdauer des oberen Laserniveaus (bei Yb:YAG ca. 1 ms) und des relativ geringen Verstärkungswirkungsquerschnitts der stimulierten Emission.
Für die Mikrobearbeitung und Laserbeschriftung benötigt man jedoch häufig Laser mit hohen Pulswiederholraten (beispielsweise 100 kHz) und kürzeren Pulsen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, insbesondere einen Laser mit einem Yb-dotierten aktiven Medium, zur Verfügung zu stellen, bei dem hohe Pulswiederholraten möglich sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, mit einem Resonator, einem im Resonator angeordneten gepumpten aktiven Medium, das Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge abgibt, einer Detektionseinheit zur Messung der Intensität der Laserstrahlung im Resonator, und einer Steuereinheit, der von der Detektionseinheit der gemessene Intensitätswert zugeführt ist, wobei der Resonator in einen ersten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung offen ist, und in einen zweiten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung geschlossen ist, schaltbar ist, und wobei die Steuereinheit zur Erzeugung eines Pulses der Laserstrahlung in einem ersten Schritt den Resonator vom ersten in den zweiten Zustand schaltet, so daß zumindest eine Resonatormode für die Laserstrahlung anschwingt, und bei Erreichen eines vorbestimmten Wertes einer vorbestimmten physikalischen Kenngröße der Laserstrahlung im Resonator in einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt den Resonator vom zweiten in den ersten Zustand schaltet, wodurch die Laserstrahlung aus dem Resonator als Laserpuls ausgekoppelt wird, wobei der vorbestimmte Wert und/oder das Auskoppelverhalten des Resonators zur Verstellung der Pulsdauer an der Steuereinheit einstellbar ist/sind.
Mit diesem Laser wird die Cavity-Dumping-Betriebsart dahingehend durchgeführt, daß als Trigger-Signal ein vorbestimmter Wert der Kenngröße der im Resonator erzeugten Laserstrahlung genutzt wird. Durch Wahl des vorbestimmten Wertes kann die Pulsbreite leicht und reproduzierbar verstellt werden. Die Pulsbreite kann auch über das Auskoppelverhalten des Resonators verstellt werden.
Das Auskoppelverhalten wird maßgeblich durch den Auskoppelgrad im ersten Zustand und die Umschaltdauer vom zweiten in den ersten Zustand bestimmt. Sowohl der Auskoppelgrad als auch die Umschaltdauer kann hier mittels der Steuereinheit ein- bzw. verstellt werden.
Bei der vorbestimmten physikalischen Kenngröße kann es sich z.B. um die Intensität, die (momentane) Leistung oder die Energie (Integral über die Leistung von einem ersten Zeitpunkt bis zum Meßzeitpunkt) der Laserstrahlung im Resonator handeln.
Die Detektionseinheit kann die physikalische Kenngröße der Laserstrahlung direkt oder indirekt messen und an die Steuereinheit einen entsprechenden Signalwert übermitteln, der dann zur Bestimmung des vorliegenden Wertes der Kenngröße dient. Damit wird auch sichergestellt, daß die maximale Pulsenergie wirksam begrenzt werden kann, wodurch Beschädigungen von optischen Komponenten sicher verhinderbar ist.
Bei dem Laser kann die Steuereinheit den ersten und zweiten Schritt wiederholt durchführen, wobei die Zeitdauer zwischen einem zweiten Schritt und dem nachfolgenden ersten Schritt zur Verstellung der Pulswiederholrate an der Steuereinheit einstellbar ist. Damit ist es möglich, die Pulswiederholrate und die Pulsbreite unabhängig voneinander einzustellen. Insbesondere können auch Einzelpulse erzeugt werden. Mit der Steuerung der Pulsbreite über die Intensität, Leistung oder Energie der Laserstrahlung können beispielsweise im Burstmode-Betrieb (Pulszüge) überhöhte Pulsenergien des ersten Pulses vermieden werden. Durch diese Stabilisierung der Pulsenergie werden Puls-zu-Puls-Stabilitäten von kleiner als 5 % (Minimalwert zum Maximalwert) erreicht.
Der Resonator des Lasers kann ein Auskoppelmodul aufweisen, das im ersten Zustand mehr Laserstrahlung aus dem Resonator auskoppelt als im zweiten Zustand. Insbesondere kann das Auskoppelmodul so ausgebildet sein, daß im zweiten Zustand keine Laserstrahlung ausgekoppelt wird.
Das Auskoppelmodul kann mindestens einen akusto-optischen oder elektro-optischen Modulator enthalten.
Die Pulsdauer kann von weniger als 100 ns bis mehr als 1000 ns betragen. Die Pulswiederholrate kann >20 kHz sein.
Es wird ferner ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bereitgestellt, bei dem in einem ersten Schritt Laserstrahlung der ersten Wellenlänge in einem Resonator so erzeugt wird, daß zumindest eine Resonatormode anschwingt, wobei eine vorbestimmte physikalische Kenngröße der Laserstrahlung gemessen und ausgewertet wird und, wenn die gemessene Kenngröße einen vorbestimmten Wert erreicht, in einen auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt die Laserstrahlung aus dem Resonator als Laserpuls ausgekoppelt wird.
Mit diesem Verfahren können, insbesondere wenn beispielsweise ein Yb-dotiertes Lasermedium eingesetzt wird, die Pulsbreiten über einen sehr hohen Bereich eingestellt werden. Ferner sind Pulswiederholraten von größer als 20 kHz, insbesondere von größer als 50 kHz möglich, wobei die Pulsbreite nahezu unabhängig von der Pulswiederholrate einstellbar ist.
Bei dem Verfahren kann der vorbestimmte Wert einstellbar sein. Mittels dieser Einstellbarkeit ist eine leichte Wahl der gewünschten Pulsbreite möglich.
Die vorbestimmte physikalische Kenngröße kann insbesondere die Intensität, die momentane Leistung oder die Energie der Laserstrahlung im Resonator sein.
Ferner kann das Auskoppelverhalten des Resonators einstellbar sein. Insbesondere kann dazu der Auskoppelgrad im zweiten Schritt und die Umschaltdauer vom ersten zum zweiten Schritt ein- bzw. verstellbar sein.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Figuren noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lasers gemäß einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des Laserresonators 1 von Fig. 1 ;
Fig. 3 die Pulsform des im Resonator erzeugten sowie des ausgekoppelten Strahls;
Fig. 4 der zeitliche Verlauf von drei erzeugten Laserpulsen zusammen mit dem Trigger-Signal für die Pockelszelle 11 von Fig. 2, und
Fig. 5 der zeitliche Verlauf von drei erzeugten Laserpulsen zusammen mit dem Ein-/Aus- Zustand der Pockelszelle 11 von Fig. 2.
Der erfindungsgemäße Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge umfaßt bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsform einen Laserresonator 1 , der durch zwei Resonatorspiegel 2, 3 gebildet ist und in dem ein Yb:YAG-Medium 4 als aktives Medium, ein optische Auskoppelmodul 5 sowie ein Auskoppelspiegel 6 angeordnet sind. Ferner umfaßt der Laser 1 eine Pumplichtquelle 7, eine Steuereinheit 8 zur Steuerung des Auskoppelmoduls 5 sowie eine Photodiode 9.
Das aktive Medium 4 wird mit dem Licht der Pumplichtquelle 7 (hier kontinuierlich) gepumpt (Pfeil P1 ) und gibt Laserstrahlung der ersten Wellenlänge (hier im Infrarotbereich) ab. Das Auskoppelmodul 5 kann in einen ersten und einen zweiten Zustand mittels der Steuereinheit 8 geschaltet werden, wobei erzeugte Laserstrahlung im ersten Zustand aus dem Resonator 1 ausgekoppelt wird (Pfeil P2). In diesem Fall ist der Resonator 1 für die Laserstrahlung offen. Im zweiten Zustand des Auskoppelmoduls 5 wird keine Laserstrahlung aus dem Resonator 1 ausgekoppelt, so daß der Resonator 1 für die Laserstrahlung geschlossen ist.
Der Auskoppelspiegel 6 koppelt einen geringen Anteil der Laserstrahlung aus (Pfeil P3) und lenkt diesen auf die Photodiode 9, mit der die Intensität der Laserstrahlung im Resonator 1 (laufend) gemessen werden kann.
In Fig. 2 ist eine konkrete Ausführungsform des Laserresonators 1 dargestellt, wobei der Auskoppelspiegel 6, die Pumplichtquelle 7, die Steuereinheit 8 sowie die Photodiode 9 nicht eingezeichnet sind.
Der Laserresonator 1 umfaßt neben den Resonatorspiegeln 2 und 3 einen weiteren Spiegel 10 und das aktive Medium 4 ist in der sogenannten Scheibenlaser-Anordnung vorgesehen.
Das Auskoppelmodul 5 umfaßt eine BBO-Pockelszelle (BBO = Betabariumborat-Kristall) 11, ein λ/4-Plättchen 12 sowie einen Dünnfilmpolarisator 13. Der Betrieb des Lasers von Fig. 1 und 2 wird in Verbindung mit Fig. 3 erläutert, in der die zeitliche Pulsform des resonatorinternen infraroten Strahls (Kurve K1), des ausgekoppelten Infrarotstrahls (gestrichelte Kurve K2) sowie das Trigger-Signal mit rechteckförmigem Verlauf (Kurve K3) für die Pockelszelle 11 eingezeichnet sind. Die Intensität des ausgekoppelten Infrarotstrahls (Kurve K2) ist auf eins normiert.
Der Polarisator 13 bewirkt, daß p-polarisierte Strahlung transmittiert und somit ausgekoppelt wird, wohingegen s-polarisierte Strahlung reflektiert wird. Dies führt einerseits dazu, daß nur für s-polarisierte Strahlung eine Mode im Resonator 1 anschwingen kann. Andererseits ist die vom Polarisator 13 zum λ/4-Plättchen 12 hin reflektierte Laserstrahlung s-polarisiert. Diese Strahlung durchläuft das λ/4-Piättchen 12 sowie die Pockelszelle 11 zweimal, wobei in Abhängigkeit der an die Pockelszelle 11 angelegten Spannung der Polarisationszustand entweder unverändert bleibt, so daß die gesamte Strahlung, die von der λ/4-Plättchen 12 auf den Polarisator 13 trifft, im Resonator bleibt, dies wird hier als geschlossener Zustand des Laserresonators 1 bezeichnet.
Wenn der Polarisationszustand aufgrund der angelegten Spannung an der Pockelszelle geändert wird, wird die vom λ/4-Plättchen 12 kommende Strahlung, die auf den Polarisator 13 fällt, zumindest teilweise ausgekoppelt. In diesem Fall ist der Laserresonator 1 offen für die Laserstrahlung.
Wenn nun zum Zeitpunkt t1 (Fig. 3) das Trigger-Signal von 0 auf 1 geschaltet wird, wird der Laserresonator 1 von seinem offenen Zustand (erster Zustand, in dem die Laserstrahlung ausgekoppelt wird) in den zweiten Zustand geschaltet, in dem keine Laserstrahlung ausgekoppelt wird. Da das aktive Medium 4 dauernd gepumpt wird, schwingt nach einer gewissen Zeitdauer zumindest eine erste Resonatormode an, so daß die Intensität (Kurve K1) des resonatorinternen infraroten Signals ansteigt. Die Intensität des resonatorinternen Signals wird laufend mit der Photodiode 9 gemessen. Diese Meßwerte gibt die Photodiode 9 an die Steuereinheit 8, die überwacht, ob die gemessene Intensität einen vorbestimmten Schwellwert 11 erreicht oder nicht. Sobald die gemessene Intensität den vorbestimmten Schwellwert 11 erreicht, schaltet die Steuereinheit 8 die Pockelszelle 11 ein, indem sie das Trigger-Signal (Kurve K3) von 1 auf 0 umschaltet (Zeitpunkt t2), so daß nun die erzeugte Laserstrahlung (zumindest teilweise) ausgekoppelt wird. Dies führt zu dem dargestellten Laserpuls K2, der aus dem Laserresonator (Pfeil P2 in Fig. 1 und 2) ausgegeben wird.
Die Pulsdauer des ausgekoppelten infraroten Strahls (Kurve K2) hängt von dem vorbestimmten Intensitätswert 11 ab. Je höher der vorbestimmte Intensitätswert H ist, bei dessen Erreichen die Pockelszelle eingeschaltet wird (Wechsel des Trigger-Signals von 1 auf 0), um so kürzer ist die Pulsdauer des ausgekoppelten Laserpulses K2.
Ein weiterer Parameter, der die Pulsbreite des ausgekoppelten Laserpulses K2 bestimmt, ist das Auskoppelverhalten des Laserresonators 1. Das Auskoppelverhalten wird im wesentlichen bestimmt durch den Auskoppelgrad des Laserresonators, wenn die Pockelszelle eingeschaltet ist (im ersten Zustand). Die Spannung kann beispielsweise so gewählt sein, daß von der vom λ/4-Plättchen kommende Laserstrahlung beispielsweise 50 % ausgekoppelt wird, wenn die Pockelszelle eingeschaltet ist. Wenn die Pockelszelle ausgeschaltet ist, ist der Reflexionsgrad bevorzugt 100 %. Durch Ändern der angelegten Spannung im eingeschalteten Zustand der Pockelszelle kann der Auskoppelgrad (hier der Reflexionsgrad am Polarisator 13) verändert werden. Wenn der Auskoppelgrad steigt (sinkender Reflexionsgrad am Polarisator 13), wird die Pulsbreite geringer. Bei sinkendem Auskoppelgrad (höherer Reflexionsgrad am Polarisator 13) wird die Pulsbreite zunehmen.
Ferner wird das Auskoppelverhalten noch durch die Umschaltdauer der Pockelszelle von ihrem Aus-Zustand in ihren Ein-Zustand beeinflußt. Die Umschaltdauer kann beispielsweise über die Flankensteilheit des Trigger-Pulses (Kurve K3) verändert werden. Mit steigender Umschaltdauer wird die Pulsbreite ebenfalls steigen, wohingegen mit sinkender Umschaltdauer die Pulsbreite abnehmen wird.
Die beschriebene Betriebsweise des Lasers basiert auf der sogenannten Cavity-Dumping- Betriebsart, bei der die Energie im Photonenfeld im Laserresonator gespeichert und zur Erzeugung eines Pulses mittels einem elektro-optischen oder akusto-optischen Auskoppelelement die Laserstrahlung ausgekoppelt wird. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird die sich beim Anschwingen des Lasers erhöhende Intensität der internen Laserstrahlung als Trigger-Signal genutzt, um den Laserresonator zu öffnen und somit die Strahlung als Laserpuls auszukoppeln.
Es hat sich gezeigt, daß der Laser selbst bei Pulswiederholraten von über 20 kHz stabil betrieben werden kann. Es waren Pulswiederholraten von 50 bis 200 kHz mit einer Beugungsmaßzahl M2 kleiner als 5 (insbesondere mit M2 gleich 1) möglich. Herkömmliche Yb- dotierte Laser weisen in gütegeschalteten Betriebweisen typischerweise ab 20 kHz Pulsinstabilitäten auf. Die Pulsdauer betrug 200 - 400 ns und konnte auch von weniger als 100 ns bis mehr als 1000 ns betragen.
Die Pulswiederholrate kann mittels der Steuereinheit 8 dadurch eingestellt werden, daß die Einschaltdauer der Pockelszelle 11 entsprechend gewählt wird. In Fig. 4 und 5 ist jeweils nur die ausgekoppelte Laserstrahlung für drei aufeinanderfolgende Pulse eingezeichnet, wobei in Fig. 4 der Wert des Trigger-Signals und in Fig. 5 der Ein- bzw. Aus-Zustand der Pockelszelle 11 dargestellt sind. Wie aus Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, kann über die Einschaltdauer Δt2 der Pockelszelle 14 (also die Zeitdauer, während der der Laserresonator 1 offen ist) die Pulswiederholrate festgelegt werden. Wenn die Einschaltdauer Δt2 erhöht wird, nimmt die Pulswiederholrate ab. Bei einer Verkürzung der Einschaltdauer, nimmt die Pulswiederholrate zu. Mit dem erfindungsgemäßen Laser kann somit nicht nur die Pulsdauer über die Steuereinheit 8 eingestellt werden, sondern auch die Pulswiederholrate kann mittels der Steuereinheit eingestellt bzw. versteilt werden, wobei die Pulsdauer und die Pulswiederholrate nahezu unabhängig voneinander einstellbar sind.
Bei der bisher beschriebenen Ausführungsform wird die Intensität der im Laserresonator 1 erzeugten Laserstrahlung dadurch gemessen, daß ein kleiner Anteil der Laserstrahlung über den Auskoppelspiegel 6 aus dem Laserresonator ausgekoppelt und auf die Photodiode 9 gelenkt wird. Es ist jedoch auch möglich, den Auskoppelspiegel 6 wegzulassen und über einen der Endspiegel 2, 3 einen kleinen Anteil der erzeugten Laserstrahlung auszukoppeln. Insbesondere können dazu die eigentlich unerwünschten Verluste (Auskopplung über die Endspiegel 2 und 3) genutzt werden, um laufend die Intensität der im Laserresonator 1 erzeugten Laserstrahlung zu messen.
Die Messung der Intensität der erzeugten Laserstrahlung kann auch dadurch durchgeführt werden, daß das Fluoreszenzlicht des aktiven Mediums 4 mittels der Photodiode 9 detektiert wird, da das Fluoreszenzlicht mit steigender Inversion im aktiven Medium 4 zunimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, mit einem Resonator (1 ), einem im Resonator (1) angeordneten gepumpten aktiven Medium (4), das Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge abgibt, einer Detektionseinheit (6, 9) zur Messung der Intensität der Laserstrahlung im Resonator (1 ) und einer Steuereinheit (8), der von der Detektionseinheit (6, 9) der gemessene Intensitätswert zugeführt ist, wobei der Resonator (1) in einen ersten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung offen ist, und in einen zweiten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung geschlossen ist, schaltbar ist, und wobei die Steuereinheit (8) zur Erzeugung eines Pulses der Laserstrahlung in einem ersten Schritt den Resonator (1) vom ersten in den zweiten Zustand schaltet, so daß zumindest eine Resonatormode für die Laserstrahlung anschwingt, und bei Erreichen eines vorbestimmten Werts einer physikalischen Kenngröße der
Laserstrahlung im Resonator (1) in einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt den
Resonator (1 ) vom zweiten in den ersten Zustand schaltet, wodurch die Laserstrahlung aus dem Resonator (1 ) als Laserpuls ausgekoppelt wird, wobei der vorbestimmte Wert und/oder das Auskoppelverhalten des Resonators (1) zur
Verstellung der Pulsdauer an der Steuereinheit (8) einstellbar ist/sind.
2. Laser nach Anspruch 1 , bei dem das aktive Medium ein Yb-dotiertes Medium ist.
3. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zur Einstellung des Auskoppelverhaltens der Auskoppelgrad im ersten Zustand einstellbar ist.
4. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem zur Einstellung des Auskoppelverhaltens die Umschaltdauer vom zweiten in den ersten Zustand einstellbar ist.
U23/me 110103A
5. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (8) den ersten und den zweiten Schritt wiederholt durchführt, wobei die Zeitdauer (Δt2) zwischen einem zweiten Schritt und dem nachfolgenden ersten Schritt zur Verstellung der Pulswiederholrate an der Steuereinheit (8) einstellbar ist.
6. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Resonator (1 ) ein Auskoppelmodul (5) aufweist, das im ersten Zustand mehr Laserstrahlung aus dem Resonator ausgekoppelt als im zweiten Zustand.
7. Laser nach Anspruch, bei dem das Auskoppelmodul (5) einen akusto-optischen oder elektro-optischen Modulator (11) enthält.
8. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (8) den ersten und zweiten Schritt wiederholt so durchführt, daß die Pulsdauer 200 bis 400 ns und/oder die
Pulswiederholrate >20 kHz ist/sind.
9. Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, bei dem in einem ersten Schritt Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge in einem Resonator so erzeugt wird, daß zumindest eine Resonatormode anschwingt, wobei eine physikalische
Kenngröße der Laserstrahlung gemessen und ausgewertet wird, und wenn die gemessene
Kenngröße einen vorbestimmten Wert erreicht, in einem auf den ersten Schritt folgenden zweiten Schritt die Laserstrahlung aus dem
Resonator als Laserpuls ausgekoppelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der vorbestimmte Wert einstellbar ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Auskoppelverhalten des Resonators einstellbar ist.
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