WO2014108143A1 - Regenerative laserverstärkeranwendungen - Google Patents

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WO2014108143A1
WO2014108143A1 PCT/EP2013/002039 EP2013002039W WO2014108143A1 WO 2014108143 A1 WO2014108143 A1 WO 2014108143A1 EP 2013002039 W EP2013002039 W EP 2013002039W WO 2014108143 A1 WO2014108143 A1 WO 2014108143A1
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resonator
radiation
polarization
pockels cell
dependent
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PCT/EP2013/002039
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Johannes Früchtenicht
Andreas Voss
Marwan Abdou Ahmed
Christian Stolzenburg
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Universität Stuttgart
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    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation

Definitions

  • the invention relates to a regenerative laser amplifier and a method for controlling a regenerative laser amplifier.
  • Regenerative laser amplifiers are used to amplify a laser pulse from a seed laser, so-called seed light with short pulse duration (typically in the fs, ps, or ns range). In this case, a provided seed pulse is amplified.
  • the amplification takes place in the interior of a resonator chamber of the regenerative laser amplifier.
  • the Seedlicht is coupled and passes as radiation the Resonatorraum and a gain medium arranged in it until the desired amplification of the radiation is reached (in this case, some ten or a few hundred cycles are common).
  • the gain medium is pumped by an external source so that it can deliver its energy to the radiation in the resonator cavity. If the radiation reaches its desired amplification, it is coupled out of the resonator chamber as an amplified laser pulse.
  • Typical laser pulse durations are e.g. in the range of a few femtoseconds to picoseconds to a few nanoseconds.
  • the decoupling takes place by means of an optical switch, usually an electro-optical modulator and a polarizer.
  • Regenerative laser amplifiers can for this purpose have a Pockels cell, which can be controlled so that located in the resonator cavity radiation can be coupled out, for example via a polarization beam splitter from the resonator.
  • the essential characteristics of the radiation pulse decoupled from the regenerative laser amplifier are its pulse duration, its pulse energy, its spectral width and its wavelength or frequency.
  • the present invention has for its object to provide an improved regenerative laser amplifier, in particular a laser amplifier with which at least one property of the laser pulse to be amplified can be adjusted.
  • the regenerative laser amplifier for amplifying maritime light has a resonator chamber and a polarization-dependent output component, by means of which radiation can be decoupled from the resonator chamber.
  • a polarization-dependent output component may, for example, be a polarization beam splitter.
  • a gain medium for amplifying radiation located in the resonator chamber is arranged in the resonator chamber.
  • the regenerative laser amplifier has at least one Pockels cell, in particular only a single Pockels cell. By controlling the at least one Pockels cell, radiation located in the resonator chamber can be polarized such that the radiation can be coupled out of the resonator chamber by the polarization-dependent output component.
  • the radiation in the resonator chamber is a light radiation which is provided by the seed light and which can be amplified by the gain medium in the resonator space.
  • a Pockels cell is an electro-optical switch that is usually based on the Pockels effect, an electro-optical effect. If an electric field is applied to such a Pockels cell, it has different refractive indices for the E-field components of the radiation flowing through it (birefringence). By controlling a Pockels cell can thus be influenced or adjusted, the polarization of the radiation flowing through them, in particular the polarization direction of linearly polarized radiation can be switched so.
  • Pockels cells regularly have a birefringent crystal.
  • a Pockels cell can be traversed by the radiation in two opposite directions. Thus, the two sides of a Pockels cell provide two page inputs.
  • a Pockels cell in the sense of the present application may be based on a linear or non-linear electro-optical effect.
  • the laser amplifier may have only a single Pockels cell performing a plurality of circuit functions of the laser amplifier.
  • the regenerative laser amplifier further has an additional polarization-dependent resonator path with at least one optical element in its resonator chamber. Depending on the polarization of the radiation located in the resonator chamber, the radiation passes through the polarization-dependent resonator path either under a first interaction with the optical element or without or under a second interaction with the optical element. Since the polarization of the radiation in the resonator chamber is controllable by the Pockels cell, it can be determined by the activation of the Pockels cell whether or not the first interaction with the optical element should occur.
  • the optical element may be configured such that the first interaction of the optical element with the radiation alters the pulse duration and / or a wavelength characteristic (eg the wavelength, temporal composition of the spectral content, etc.) of the radiation.
  • the first interaction may be due to a nonlinear effect.
  • the pulse duration may be influenced, for example, by a dispersive element (as an optical element) such as a prism or grating, a resonant grating waveguide structure (for reflection or transmission) or a non-linear element. In this case, the duration of the pulse to be amplified in each cycle is below the first Interaction with the dispersive element lengthened or shortened.
  • the wavelength of the radiation pulse may be, for example, a frequency conversion medium (as an optical element) such as SHG (second harmonic generation, halving the wavelength, eg from 1030 nm to 515 nm), SFG (sum frequency generation) or THG (third harmonic generation, third of the wavelength) crystal can be influenced.
  • a frequency conversion medium is a medium that can convert the frequency and thus the wavelength of radiation to another value.
  • the Pockels cell controls whether the radiation located in the resonator chamber passes through the polarization-dependent resonator path under the first interaction or not. If the Pockels cell controls the radiation in the resonator cavity in such a way that the first interaction does not occur, there is either no interaction of the radiation with the optical element or the second interaction.
  • the second interaction of the radiation with the optical element can be designed, in particular, as an interaction of the same type which is reduced in terms of strength with respect to the first interaction.
  • the second interaction can e.g. be formed at least 50%, preferably by at least 80%, preferably by at least 95%, more preferably by at least 99% reduced compared to the first interaction.
  • the second interaction like the first interaction, is an interaction of the radiation with the optical element.
  • the second interaction is preferably completely switched off. Under certain circumstances, however, the radiation from the Pockels cell can not be controlled in such a way that the second interaction disappears completely. Therefore, the second interaction may occur as a reduced interaction.
  • the polarization-dependent resonator path is arranged on the side of the Pockels cell which faces away from an input component in the resonator cavity.
  • the input component be formed integrally with the output component.
  • the resonator cavity is spatially divided by the Pockels cell into a first and a second resonator arm.
  • the coupling in and / or out of the radiation can be controlled by the Pockels cell and in the second resonator arm by the Pockels cell the first (and possibly second) interaction with the optical element arranged in the polarization-dependent resonator path.
  • a single Pockels cell can be used to control a number of optical functions of the regenerative laser amplifier, coupling in the seed light, coupling out the amplified radiation and / or changing the pulse property.
  • the polarization-dependent resonator path comprises two spatially separated resonator path sections and a polarization beam splitter.
  • the radiation in the resonator chamber is coupled into the resonator path section with the optical element or into the resonator path section without or with another optical second element, depending on the polarization into which the radiation was switched by the Pockels cell.
  • the spatial separation of the two Resonatorwegabitese a particularly effective separation of Resonatorumrise is achieved with and without the first interaction, with intensity losses are kept small.
  • the radiation undergoes the polarization-dependent resonator path either with or without first interaction with the optical element.
  • a second (e.g., reduced) interaction with the optical element can not occur due to the spatial separation of the polarization-dependent resonator path. If the radiation is driven by the Pockels cell so that it passes through the Resonatorwegabites in which the optical element is not arranged, then a third interaction with an optical second element can take place, which is arranged in this spatially separated Resonatorwegabites.
  • the optical second element may e.g. be formed as a dispersive element, a resonant grating waveguide structure, a non-linear element or a frequency conversion medium.
  • the optical element is polarization-dependent designed such that the first interaction with the radiation located in the resonator chamber takes place in dependence on its polarization. If the radiation from the Pockels cell is assigned a polarization in which the optical element influences the radiation, its wavelength or pulse duration, for example, changes. If the Pockels cell polarizes the radiation in the resonator cavity in such a way that it passes the optical element without or under the second interaction, it is not or not otherwise, in particular reduced or attenuated, changed in the resonator circulations by the optical element.
  • a number of resonator cycles of radiation through the polarization-dependent resonator path under the first interaction with the optical element are adjustable and / or a number of resonator cycles are adjustable with or without the second interaction with the optical element.
  • the regenerative laser amplifier has a first and a second Pockels cell arranged in the resonator chamber.
  • the first Pockels cell thus serves to control the Resonatorraumausgangs.
  • the second Pockels cell of the polarization-dependent Resonatorweg is controlled.
  • one of the two Pockels cells can control the resonator input.
  • the coupling switch can also be a mechanically moved mirror or shutter, one or more acousto-optical switches or mechanically moving polarization-influencing elements (eg lambda sensors). Platelets or Faraday rotators).
  • a Pockels cell is used because it is particularly comfortable and accurate switchable. A Pockels cell is still almost lossless and causes little unwanted effects on the laser beam.
  • a polarization-dependent input component is spatially separated from the polarization-dependent output component in the laser amplifier.
  • the Pockels cell is controllable so that seed light having a predetermined polarization is trapped in the resonator space and (e.g., amplified) radiation can be extracted by the output component.
  • seed light having a predetermined polarization is trapped in the resonator space and (e.g., amplified) radiation can be extracted by the output component.
  • the Pockels cell is designed to be controllable at switching instants, which belong to parts of Resonatorumfalln.
  • different functions can be assigned to individual parts, resonator arms or resonator path sections of the resonator chamber.
  • One aspect relates to a method for controlling a regenerative laser amplifier.
  • the method comprises the steps of: driving at least one intracavity Pockels cell to adjust the polarization of the radiation in the cavity such that the radiation performs an adjustable number of resonator passes under a first interaction with an intracavity optical element and an adjustable number of resonator cycles without or under one performs second interaction with the optical element and driving the at least one Pockels cell for coupling out amplified radiation from the resonator cavity out.
  • An adjustable number of resonator cycles under the first interaction with the optical element is used to adjust the pulse duration and / or wavelength and / or other pulse characteristics.
  • the method can be used in particular for driving the above-described regenerative laser amplifier.
  • the Pockels cell can be driven at switching times that belong to parts of Resonatorumlibraryn (in contrast to full Resonatorumêtn) of the intracavity radiation.
  • the combination of instantaneous pulse position in the resonator chamber and switching time the effect of a Pockels cell be applied to several different polarization-dependent processes. With a single Pockels cell several processes are switched. This results in a multiple use of the Pockels cell by time serial switching times.
  • the Pockels cell is used in different Resonatorumlaufabêten as differently acting resonator element.
  • the regenerative laser amplifier is driven in an alternating operation so that the Pockels cell for coupling two successive beam pulses performs two different switching operations.
  • the Pockels cell has to be switched once to "catch in”, ie to couple in the amplified radiation, thus two switching operations on the Pockels cell would be necessary to amplify each second light pulse During the second switching of the Pockels cell a subsequent Seedlichtpuls is captured, which is then amplified in the laser amplifier.Two successive Seedlichtpulse are thus at different switching operations of the Pockels cell ( eg switching on and off, from "+ ⁇ / 4-voltage" to "- ⁇ / 4-voltage” and vice versa, etc. coupled in.
  • the number of necessary switching operations of the Pockels cell of 2 switching operations (im Average) 1, 5 required switching operations.
  • Such a reduced number of switching operations increases the lifetime of the Pockels cell significantly.
  • Fig. 1 is a schematically illustrated regenerative laser amplifier with a polarization-dependent Resonatorweg
  • Fig. 2 shows a schematically illustrated regenerative laser amplifier with a spatially separated polarization-dependent Resonatorweg
  • Fig. 3 shows a schematically illustrated regenerative laser amplifier with a spatially separated input and output.
  • Fig. 1 shows a regenerative laser amplifier 10 in a schematic view.
  • the laser amplifier 10 is delimited at one end by a first reflector 11, at another end by a second reflector 12. Between the first and second reflector 11 and 12, a resonator chamber is formed.
  • the laser amplifier 10 furthermore has an amplification medium G, a Pockels cell PZ and a polarization-dependent resonator path PR-1.
  • An optical element 15 is formed as part of the polarization-dependent resonator PR-1. Additional resonator components are shown in FIG. 1 by reference numerals 101, 102 and 103.
  • a polarization beam splitter 13 as a polarization-dependent input / output component is used for coupling and decoupling radiation into and out of the resonator chamber.
  • a seed laser (not shown in FIG. 1) provides an external sea signal S '.
  • the external sea signal S ' is directed to the polarization beam splitter 13.
  • the polarization beam splitter 13 only lets radiation of a specific polarization pass, in this embodiment radiation with p polarization.
  • the polarization beam splitter 13 is angled with respect to the external sea signal S '. aligned, so that s-polarized Seedlicht is deflected laterally and does not penetrate into the Resonatorraum.
  • the external Seedlicht S ' serves as a source of intra-cavity (light) radiation S, which is amplified in the laser amplifier 10.
  • the radiation S may in particular be a light beam pulse.
  • the external Seedlicht S 'with p-polarization through the polarization beam splitter 3 enter the resonator, the Pockels cell PZ through, reflected on the second reflector 12, again through the Pockels cell PZ and the resonator chamber of the laser amplifier 10 again leave through the polarization beam splitter 13.
  • the external secondary light S "with p polarization will enter the resonator through the polarization beam splitter 13 and undergo a polarization change from p to s polarization as it passes through the Pockels cell PZ Radiation S incident from the left onto the Pockels cell PZ With p-polarization is s-polarized to the right of the Pockels cell PZ, from the right Pockels cell PZ passing radiation S with s-polarization is p-polarized again to the left of the Pockels cell PZ.So the radiation S is not coupled into the resonator when the Pockels cell PZ permanently on or off and is not switched.
  • the Pockels cell PZ turned on and off so that the radiation S on its way from the polarization beam splitter 13 to the second reflector 12 and reflected from there back to the polarization beam splitter 13 passes through the Pockels cell PZ only once, while the Pockels cell PZ is turned on, receives the resonatorinterne Radiation S to the left of the Pockels cell PZ a different polarization than in the coupling through the polarization beam splitter.
  • the Pockels cell is switched off, while the radiation S is the Pockels cell PZ on its way from the beam splitter 13 to the second reflector 12 for the first time passes through, and the Pockels cell PZ is then turned on when the intracranial radiation S is located to the right of the Pockels cell PZ, so before the radiation S passes through the Pockels cell PZ for the second time.
  • the Pockels cell PZ is thus switched once while the radiation S is located to the right of the Pockels cell PZ. This gives the radiation S to the left of the Pockels cell PZ s-polarization and it does not pass the polarization beam splitter 13, but is reflected by him at an angle in the direction of the first reflector 11. The radiation is thus coupled into the resonator.
  • the polarization beam splitter 13 is formed in this embodiment transparent to p-polarized radiation and highly reflective for s-polarized radiation.
  • the intra-S-polarized intracavity radiation S moves between the first reflector 11 and the second reflector 12 arranged gain medium G, which amplifies the resonator S internal radiation.
  • the gain medium G is externally pumped so that it can deliver energy to the amplifying medium G flowing through the radiation.
  • the gain medium G can also be arranged at any other position in the resonator chamber.
  • the polarization state of the radiation S on the right of the Pockels cell PZ can be selected as p-polarized or s-polarized or be controlled. If the Pockels cell is not switched now while the radiation S is to the right of the Pockels cell PZ, the radiation S left of the Pockels cell remains polarized irrespective of the circuit state of the Pockels cell PZ and the radiation S thus remains coupled into the resonator.
  • saturation is reached.
  • the saturation of the intracavity radiation S is dependent inter alia on the pump power, the transmission and reflection properties of the various resonator components and the wavelength used.
  • the Pockels cell PZ does not have to be switched over. If the Pockels cell PZ is then switched so that the amplified radiation S passes through the Pockels cell PZ on its way from the beam splitter 13 to the second reflector 12 and reflected from there on its way back to the beam splitter 13 once in the switched-on state and once in the off state the amplified radiation S to the left of the Pockels cell PZ p polarization.
  • the resonator-internal amplified radiation S is no longer reflected by the polarization beam splitter 13, but decoupled from the regenerative laser amplifier 10 through the polarization beam splitter 13 as a high-intensity laser pulse.
  • the Pockels cell PZ is thus switched over to couple in the radiation S after the radiation S has passed through the Pockels cell a first time and is located to the right of the Pockels cell PZ.
  • the Pockels cell PZ is switched over again after the radiation S has carried out one or more entire Resonatorumcreate and is again right of the Pockels cell PZ.
  • the first interaction with the optical element 15 can be switched on or off or switched to the second interaction ,
  • the switching behavior of the Pockels cell PZ can be reversed or changed by one or more ⁇ / 2 platelets.
  • the right resonator arm of the regenerative laser amplifier 10 has the polarization-dependent resonator path PR-1, in this Resonatorweg PR-1, the optical element 15 is arranged. This polarization-dependent resonator path is shown only schematically in FIG. Exemplary embodiments of a polarization-dependent resonator path will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.
  • regenerative laser amplifiers for example, an approximately 10 6- fold laser pulse gain can be achieved.
  • the amplified laser pulse leaves the resonator on the coupling path.
  • an external Faraday isolator is used (not shown in FIG. 1).
  • the Faraday solver has a low damage threshold on the one hand because of the non-linear optical material and on the other hand has a negative influence on the laser beam optical properties.
  • 2 schematically shows a regenerative laser amplifier 20.
  • the laser amplifier 20 has a resonator chamber which is delimited at one end by a first reflector 21. At the opposite end of the laser amplifier 20, a polarization-dependent Resonatorweg PR-2 is arranged.
  • the laser amplifier 20 comprises a polarization beam splitter 23 for coupling and decoupling sea light, a gain medium G, a Pockels cell PZ, an optical element 25, and other resonator components 104, 105, and 106.
  • the laser amplifier 20 functions similarly to the laser amplifier shown in FIG 10. By switching the Pockels cell PZ on and off, part of the resonator-internal radiation S is "captured" in the resonator chamber of the laser amplifier 20.
  • the polarization-dependent resonator PR-2 has a polarization beam splitter 24.
  • the polarization-dependent resonator PR-2 thus has two spatially separated Resonatorwegabitese, which passes through the resonator S internal radiation depending on their polarization.
  • the optical element 25 is arranged, while in the second resonator path section either no optical element can be arranged or an optical second element 106 can be arranged to perform a third interaction with the radiation S.
  • resonator circuits for the intra-cavity radiation S are provided for the embodiment in order to achieve the desired gain of the laser pulse.
  • the Pockels cell PZ is e.g. turned on before the pulse transmitted through the polarization beam splitter 23 reaches the Pockels cell PZ. As soon as resonator-internal radiation S has passed through the Pockels cell PZ (this is now s-polarized) and is located in the right-hand resonator arm, the Pockels cell PZ is switched off.
  • the resonator-internal radiation S now passes through the resonator space from the first reflector 21 to the third reflector 22B and thus the second resonator path section of the polarization-dependent resonator path PR-2, in which no interaction with the optical element 25 occurs. You leave this state for a certain number of passes so (for example, for 26 of the total of forty runs).
  • the Pockels cell PZ is switched over (in the example: turned on) and left in this state (in the example: turned on).
  • the radiation S enters the resonator region to the right of the Pockels cell PZ and is p-polarized there. This means that for the radiation S the polarization beam splitter 24 is transparent and the radiation S now passes through the resonator space between the first reflector 21 and the second reflector 22A.
  • the radiation S When passing through the Pockels cell PZ from right to left, the radiation S is again s-polarized, so that it is not coupled out of the laser amplifier 20 at the polarization beam splitter 23, but remains in the resonator chamber of the laser amplifier 20 remains.
  • the radiation S experiences a first interaction with the optical element 25 in the first resonator path section of the polarization-dependent resonator path PR-2.
  • the resonator circulation between the first reflector 21 and the second reflector 22A is maintained for fourteen turns.
  • the decoupling of the radiation S takes place after a total of forty circulations by switching off the Pockels cell PZ, while the radiation S is in the right arm.
  • the radiation S Upon return from the right arm to the left arm, the radiation S remains p polarized and is extracted by the polarization beam splitter 23 from the laser amplifier 20.
  • the number of Resonatorumen from the first reflector 21 to the second reflector 22A and from the first reflector 21 to the third reflector 22B is arbitrarily adjustable. If conventional operation is desired, only resonator revolutions of the radiation S are carried out in the resonator chamber which is delimited at one end by the first reflector 21 and at the other end by the third reflector 22B. In the above example, at fourteen out of forty cycles, the optical element 25 was traversed by the intracavity radiation S.
  • the optical element 25 may be, for example, a dispersion element, a frequency-converting element (for example, SHG crystal), a birefringent element or to act other non-linear component.
  • the optical element 25 may be formed as a dispersion control element (prism, grid, non-linear element, etc.).
  • the first interaction of the radiation S with the dispersive element 25 takes place in such a way that inter alia the pulse duration of the radiation S is changed.
  • the pulse duration of the resonator-internal radiation S can be set.
  • the pulse duration change during the gain cycles can be controlled in as many stages as pulse gain cycles are provided by the resonator (typically tens to hundreds of steps).
  • the dispersion for one of the switching states of the Pockels cell PZ is 0 (resonator circulation between the first reflector 21 and the third reflector 22B).
  • pulse duration extensions of, for example, a femtosecond pulse up to a nanosecond pulse can thus take place.
  • such a system can also be seeded with even shorter pulses than femtoseconds and deliver even longer pulses than nanoseconds.
  • the order of the polarization passes may be reversed.
  • the Pockels cell PZ is turned on (and remains on) while the radiation light pulse is in the right resonator arm for the first time.
  • the further procedure is analogous. Alternate operation of the two operational sequences reduces the number of Pockels cell PZ circuits required from two to an average of 1.5 switching operations, and thus 25% of the switching cycles required in conventional lasers, for only a single Pockels cell application function. This corresponds to 75% of the switching operations required in the method described above. This will be the Claims to the pock! Szelle PZ, to the cooling and the circuit, reduced.
  • pulse sequences can thus be generated which consist of arbitrary sequences of pulses of individual, quasi-continuously adjustable pulse duration.
  • a pulsed laser system For use in laser material processing or the like, small time intervals between two consecutive laser pulses are usually desirable for high productivity of a pulsed laser system, ie a high pulse repetition rate, typically about several hundred kHz to about 1 MHz.
  • a high pulse repetition rate typically about several hundred kHz to about 1 MHz.
  • the limitation of the pulse repetition rate by the switching speed for addressing the dispersive properties of the dispersive element (optical element 25) is given.
  • Such a laser with a specific individual pulse duration adjustable pulse duration opens up new possibilities for machining strategies (and thus new advantages in productivity and quality) in the laser material processing, the research of suitable parameter fields for it, and generally in research, measurement technology and application in the fields of material processing, physics, Chemistry, biology, medicine, solar cell processing, etc.
  • resonator components 104, 105 and 106 it is also possible to use dispersive (GTI mirrors) or diffractive elements, a laser-active medium, non-linear components, ⁇ / 2, ⁇ / 4 flakes or a free propagation in addition to transmitting or reflecting optics.
  • the selection of the resonator components 104, 105 and 106 depends on the particular field of use of the laser amplifier 20.
  • the Pockels cell PZ is operated in the regenerative laser amplifiers 10, 20 and 30 in ⁇ / 2 voltage or is switched off, so acts like a switchable ⁇ / 2-plate.
  • the voltage when the voltage is switched on, it causes a polarization rotation by 90 °, ie from p to s polarization and vice versa.
  • a reverse switching behavior of the Pockels cell can be used by using Verzog fürsplattchen. Then an off voltage at the Pockels cell would cause a polarization rotation while an on voltage does not cause a polarization change.
  • the Pockels cell when using ⁇ / 4 plates, the Pockels cell can also be operated with + / 4 voltage and - ⁇ / 4 voltage.
  • switching times are selected for the sole Pockels cell PZ, which belong to multiples of fractions of Resonatorumbeginnn, in contrast to the use of switching times only to full Resonatorumlibraryn.
  • the laser amplifier 20 may be replaced by a gain medium G, e.g. have a non-laser active medium. Then, the gain medium may be arranged instead of the resonator component 106 or at the position of the optical element 25.
  • the radiation S is first transmitted through the Resonatorwegab bain hurdle the polarization-dependent Resonatorweges with the gain medium G until the desired gain is reached. By switching the Pockels cell, the amplified pulse can now be stored in the other Resonatorwegab bain bain the polarization-dependent Resonatorweges until it is requested or needed.
  • Fig. 3 shows an embodiment with spatially separated input and output, in which a in his properties directly on the polarization state Anlagenairesendes element (as an optical element 35) can not or should not be realized. This can be used, for example, to realize a pulsdauerflexiblen laser, each laser pulse may have a different pulse duration.
  • the circuit diagram is similar to that of the embodiment shown in FIG. 2.
  • FIG. 3 shows a regenerative laser amplifier 30 which comprises a Pockels cell PZ, a gain medium G, a first reflector 31, a polarization beam splitter 33, an optical element 35, a third reflector 32B, a second reflector 32A (embodied here as a polarization beam splitter) and further resonator components 107 and 108.
  • the laser amplifier 30 achieves a separation of the input and output beam of the radiation S from the resonator chamber of the laser amplifier 30.
  • a Faraday isolator can be saved.
  • the power and pulse energy of a regenerative amplifier can also be scaled without limitation by a Faraday isolator.
  • the Faraday isolator tolerate only a limited average power or maximum power (pulse energy / peak intensity). This avoids limiting the power and pulse energy scaling of the laser amplifier by conserving Faraday isolators.
  • the switching sequence for the laser amplifier 30 shown in FIG. 3 takes place with the following steps:
  • the pulse of the radiation S remains trapped for the desired cycle number in the resonator chamber of the laser amplifier 30.
  • the resonator space is hereby limited by the first reflector 31 on one side and the third reflector 32B on the other side.
  • the Pockels cell For decoupling the Pockels cell is turned on, while the pulse of the radiation S is in the left arm. As a result, the pulse is p-polarized and coupled out of the resonator cavity by the polarization beam splitter 32A.
  • a multiple use of the Pockels cell PZ is achieved by temporally serial use with a suitable resonator arrangement.
  • the Pockels cell is thus in different Resonatorumlaufabêten as different acting Resonator element used.
  • At the optical element 35 there is a first interaction of the pulse of the radiation S, for example by dispersion or frequency conversion.
  • a polarization-dependent resonator path PR-3 of the laser amplifier 30 has, in the embodiment shown in FIG. 3, a polarization beam splitter 32A as the second reflector, the optical element 35, and a third reflector 32B.
  • polarization beam splitter 32A may be reversed to be transmissive to s-polarized radiation and reflect p-polarized radiation. Then the switching sequence is reversed accordingly.
  • the resonator components 101 to 113 shown in FIGS. 1 to 3 are circuit-independent and merely serve in the figures to indicate the presence of additional components.
  • the laser amplifiers 10, 20 and 30 shown in the figures may alternatively also have more or fewer resonator components.
  • the polarization beam splitters 13, 23 and 33 are arranged as polarization-dependent components in the resonator chamber in such a way that they reflect intracavity secondary light of a polarization state and thereby angle the resonator chamber. Resonator internal radiation of another polarization state is transmitted through the polarization beam splitters 13, 23, and 33 and decoupled.
  • the terms left and right resonator arms were used. These terms are to be understood as exemplary. Alternatively, the left resonator can also be arranged on the right and vice versa.
  • the resonator spaces of the laser amplifiers 10, 20, and 30 are shared by the Pockels cell PZ into first and second resonator arms.
  • the first resonator arm has the polarization beam splitter 13, 23 or 33 in one beam path angle
  • the second resonator arm has the polarization-dependent resonator path PR-1, PR-2 or PR-3.
  • the resonator chamber of the laser amplifier has a polarization-dependent resonator path, which in turn may have one, two or more different resonator path sections.
  • the descriptive terms s-polarization and p-polarization are also to be understood as examples.
  • the polarizations of the radiations or the polarization beam splitters can also be formed exactly the other way around or in between (eg as + ⁇ / 4 and - ⁇ / 4).
  • the amplification medium G shown in FIGS. 1 to 3 is used to amplify the intra-cavity seed light S and may be formed as LAM (laser-active medium). It is arranged in FIGS. 1 to 3 in the resonator space in front of the first reflector 11, 21 and 31, respectively, but in another embodiment it may be arranged at a different position in the resonator chamber.

Abstract

Ein regenerativer Laserverstärker zur Verstärkung von Seedlicht weist einen Resonatorraum auf, eine polarisationsabhängige Ausgangskomponente (13; 23; 33, 32A), durch die Strahlung (S) aus dem Resonatorraum auskoppelbar ist und mindestens eine im Resonatorraum angeordnete und steuerbare Pockelszelle (PZ), wobei durch Ansteuerung der mindestens einen Pockelszelle (PZ) im Resonatorraum befindliche Strahlung (S) so polarisierbar ist, dass die Strahlung (S) durch die polarisationsabhängige Ausgangskomponente (13; 23; 33, 32A) aus dem Resonatorraum auskoppelbar ist. Ein polarisationsabhängiger Resonatorweg (PR-1; PR-2; PR-3) mit einem optischen Element (15; 25; 35) ist im Resonatorraum so angeordnet und derart ausgebildet, dass im Resonatorraum befindliche Strahlung (S) in Abhängigkeit von ihrer durch die mindestens eine Pockelszelle (PZ) steuerbare Polarisation entweder den polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1; PR-2; PR- 3) unter einer ersten Wechselwirkung mit dem optischen Element (15; 25; 35) durchläuft oder den polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1; PR-2; PR-3) ohne oder unter einer zweiten Wechselwirkung mit dem optischen Element (15; 25; 35) durchläuft. So kann z.B, die Pulsdauer des Laserpulses verlängert werden über die einstellbare Anzahl von Umläufen durch ein dispersives, optisches Element im Resonator während zur Auskopplung z.B. eine Frequenzkonversion in dem anderen Resonatorast erfolgt und deswegen kann dieser Laser für die Materialbearbeitung eingesetzt werden.

Description

"Regenerative Laserverstärkeranwendungen"
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen regenerativen Laserverstärker und ein Verfahren zum Steuern eines regenerativen Laserverstärkers.
Regenerative Laserverstärker werden dazu verwendet, einen Laserpuls von einem Seedlaser, sogenanntes Seedlicht mit kurzer Pulsdauer (typischerweise im fs-, ps-, oder ns- Bereich), zu verstärken. Dabei wird ein bereitgestellter Seedpuls verstärkt.
Die Verstärkung erfolgt im Inneren eines Resonatorraums des regenerativen Laserverstärkers. Das Seedlicht wird eingekoppelt und durchläuft als Strahlung den Resonatorraum und ein in ihm angeordnetes Verstärkungsmedium solange, bis die gewünschte Verstärkung der Strahlung erreicht ist (üblich sind hierbei einige zehn oder einige hundert Umläufe). Das Verstärkungsmedium wird durch eine externe Quelle so gepumpt, dass es seine Energie an die Strahlung im Resonatorraum abgeben kann. Erreicht die Strahlung ihre gewünschte Verstärkung, so wird sie als verstärkter Laserpuls aus dem Resonatorraum ausgekoppelt. Typische Laserpulsdauern liegen z.B. im Bereich von einigen Femtosekunden über Pikosekunden bis zu einigen Nanosekunden.
Das Auskoppeln erfolgt mittels eines optischen Schalters, üblicherweise eines elektrooptischen Modulators und eines Polarisators. Regenerative Laserverstärker können dazu eine Pockelszelle aufweisen, die so angesteuert werden kann, dass im Resonatorraum befindliche Strahlung zum Beispiel über einen Polarisationsstrahlteiler aus dem Resonatorraum ausgekoppelt werden kann.
Die wesentlichen Eigenschaften des von dem regenerativen Laserverstärker ausgekoppelten Strahlungspulses sind seine Pulsdauer, seine Pulsenergie, seine spektrale Breite und seine Wellenlänge bzw. Frequenz. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten regenerativen Laserverstärker bereitzustellen, insbesondere einen Laserverstärker, mit dem zumindest eine Eigenschaft des zu verstärkenden Laserpulses eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ein Aspekt betrifft einen regenerativen Laserverstärker. Der regenerative Laserverstärker zur Verstärkung von Seedlicht weist einen Resonatorraum und eine polarisationsabhängige Ausgangskomponente auf, durch die Strahlung aus dem Resonatorraum auskoppelbar ist. Eine solche polarisationsabhängige Ausgangskomponente kann zum Beispiel ein Polarisationsstrahlteiler sein. In dem Resonatorraum ist ein Verstärkungsmedium zum Verstärken von im Resonatorraum befindlicher Strahlung angeordnet. Weiterhin weist der regenerative Laserverstärker mindestens eine Pockelszelle auf, insbesondere nur eine einzige Pockelszelle. Durch Ansteuerung der mindestens einen Pockelszelle kann im Resonatorraum befindliche Strahlung so polarisiert werden, dass die Strahlung durch die polarisationsabhängige Ausgangskomponente aus dem Resonatorraum auskoppelbar ist. Die Strahlung im Resonatorraum ist dabei eine Lichtstrahlung, die durch das Seedlicht bereitgestellt wird und die durch das Verstärkungsmedium im Resonatorraum verstärkt werden kann.
Eine Pockelszelle ist ein elektrooptischer Schalter, der üblicherweise auf dem Pockelseffekt beruht, einem elektrooptischen Effekt. Wird an eine solche Pockelszelle ein elektrisches Feld angelegt, weist sie für die E-Feld Komponenten der sie durchströmenden Strahlung unterschiedliche Brechzahlen auf (Doppelbrechung). Durch Ansteuerung einer Pockelszelle kann somit die Polarisation der sie durchströmenden Strahlung beeinflusst bzw. eingestellt werden, insbesondere die Polarisationsrichtung von linear polarisierter Strahlung kann so geschalten werden. Pockelszellen weisen regelmäßig einen doppelbrechenden Kristall auf. Eine Pockelszelle kann in zwei gegenläufigen Richtungen von der Strahlung durchlaufen werden. Somit stellen die beiden Seiten einer Pockelszelle zwei Seiteneingänge bzw. Seitenausgänge bereit. Eine Pockelszelle im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann auf einem linearen oder nichtlinearen elektrooptischen Effekt beruhen. Der Laserverstärker kann insbesondere nur eine einzige Pockelszelle aufweisen, die mehrere Schaltungsfunktionen des Laserverstärkers ausführt.
Kommerziell erhältliche Pockelszellen werden mit sehr geringem Jitter immer schneller schaltbar (steilere Flanken und höhere Repetitionsraten), was neue Einsatzmöglichkeiten ermöglicht. Der regenerative Laserverstärker weist in seinem Resonatorraum weiterhin einen zusätzlichen polarisationsabhängigen Resonatorweg mit mindestens einem optischen Element auf. Abhängig von der Polarisation der sich im Resonatorraum befindlichen Strahlung durchläuft die Strahlung den polarisationsabhängigen Resonatorweg entweder unter einer ersten Wechselwirkung mit dem optischen Element oder ohne bzw. unter einer zweiten Wechselwirkung mit dem optischen Element. Da die Polarisation der Strahlung im Resonatorraum von der Pockelszelle steuerbar ist, ist durch die Ansteuerung der Pockelszelle festlegbar, ob die erste Wechselwirkung mit dem optischen Element auftreten soll oder nicht. Durch die erste Wechselwirkung mit dem optischen Element können wesentliche Eigenschaften des Laserpulses beeinflusst werden. Ob und wie stark die Eigenschaften verändert bzw. eingestellt werden, ist abhängig von der Steuerung der Pockelszelle. Somit kann durch korrekte Ansteuerung der Pockelszelle ein Laserpuls mit den gewünschten Eigenschaften (Pulsdauer, Frequenz, etc.) bereitgestellt werden.
Das optische Element kann derart ausgebildet sein, dass die erste Wechselwirkung des optischen Elements mit der Strahlung die Pulsdauer und/oder eine Wellenlängeneigenschaft (z.B. die Wellenlänge, zeitliche Zusammensetzung des spektralen Inhalts, etc.) der Strahlung verändert. Die erste Wechselwirkung kann auf einem nichtlinearen Effekt beruhen. Die Pulsdauer kann zum Beispiel mit einem dispersiven Element (als optisches Element) wie einem Prisma oder Gitter, einer resonanten Gitterwellenleiterstruktur (für Reflexion oder Transmission) oder nicht-linearen Element beeinflusst werden. Dabei wird die zeitliche Dauer des zu verstärkenden Pulses bei jedem Umlauf unter der ersten Wechselwirkung mit dem dispersiven Element verlängert oder verkürzt. Die Wellenlänge des Strahlungspulses kann zum Beispiel durch ein Frequenzkonversionsmedium (als optisches Element) wie einem SHG- (second harmonic generation; Halbierung der Wellenlänge, z.B. von 1030 nm auf 515 nm), einem SFG- (sum frequency generation; Aufsummieren der Frequenz) oder THG- (third harmonic generation; Dritteln der Wellenlänge) Kristall beeinflusst werden. Ein Frequenzkonversionsmedium ist ein Medium, das die Frequenz und damit die Wellenlänge von Strahlung zu einem anderen Wert konvertieren kann. Die Pockelszelle steuert dabei, ob die im Resonatorraum befindliche Strahlung den polarisationsabhängigen Resonatorweg unter der ersten Wechselwirkung durchläuft oder nicht. Steuert die Pockelszelle die im Resonatorraum befindliche Strahlung so an, dass die erste Wechselwirkung nicht auftritt, erfolgt entweder gar keine Wechselwirkung der Strahlung mit dem optischen Element oder die zweite Wechselwirkung.
Die zweite Wechselwirkung der Strahlung mit dem optischen Element kann dabei insbesondere als eine gegenüber der ersten Wechselwirkung an Stärke reduzierte Wechselwirkung der gleichen Art ausgebildet sein. Die zweite Wechselwirkung kann z.B. gegenüber der ersten Wechselwirkung um zumindest 50%, bevorzugt um zumindest 80%, bevorzugt um zumindest 95%, besonders bevorzugt um zumindest 99% reduziert ausgebildet sein. Die zweite Wechselwirkung ist ebenso wie die erste Wechselwirkung eine Wechselwirkung der Strahlung mit dem optischen Element.
Die zweite Wechselwirkung ist dabei bevorzugt ganz abgeschalten. Unter Umständen lässt sich die Strahlung von der Pockelszelle aber nicht so ansteuern, dass die zweite Wechselwirkung restlos verschwindet. Deswegen kann es zum Auftreten der zweiten Wechselwirkung als eine reduzierte Wechselwirkung kommen.
In einem Ausführungsbeispiel ist der polarisationsabhängige Resonatorweg auf der Seite der Pockelszelle angeordnet, die im Resonatorraum einer Eingangskomponente abgewandt ist. Dabei kann die Eingangskomponente einstückig mit der Ausgangskomponente ausgebildet sein. Der Resonatorraum wird von der Pockelszelle räumlich in einen ersten und einen zweiten Resonatorarm geteilt. Damit kann im ersten Resonatorarm durch die Pockelszelle das Ein- und/oder Auskoppeln der Strahlung gesteuert werden und im zweiten Resonatorarm durch die Pockelszelle die erste (und ggf. zweite) Wechselwirkung mit dem im polarisationsabhängigen Resonatorweg angeordneten optischen Element. Dadurch können mit einer einzigen Pockelszelle mehrere optische Funktionen des regenerativen Laserverstärkers gesteuert werden, das Einkoppeln des Seedlichts, das Auskoppeln der verstärkten Strahlung und/oder die Pulseigenschaftveränderung.
In einer Ausführungsform weist der polarisationsabhängige Resonatorweg zwei räumlich getrennte Resonatorwegabschnitte und einen Polarisationsstrahlteiler auf. Mit Hilfe des Polarisationstrahlteilers wird die Strahlung im Resonatorraum in Abhängigkeit von der Polarisation, in die die Strahlung von der Pockelszelle geschalten wurde, in den Resonatorwegabschnitt mit dem optischen Element oder in den Resonatorwegabschnitt ohne bzw. mit einem anderen optischen Zweitelement eingekoppelt. Durch die räumliche Trennung der beiden Resonatorwegabschnitte wird eine besonders effektive Separation der Resonatorumläufe mit und ohne der ersten Wechselwirkung erreicht, wobei Intensitätsverluste klein gehalten werden. In dieser Ausführungsform durchläuft die Strahlung den polarisationsabhängigen Resonatorweg entweder mit oder ohne erste Wechselwirkung mit dem optischen Element. Eine zweite (z.B. reduzierte) Wechselwirkung mit dem optischen Element kann, bedingt durch die räumliche Aufteilung des polarisationsabhängigen Resonatorwegs, nicht erfolgen. Wird die Strahlung durch die Pockelszelle so angesteuert, dass sie den Resonatorwegabschnitt durchläuft, in dem das optische Element nicht angeordnet ist, so kann eine dritte Wechselwirkung mit einem optischen Zweitelement erfolgen, das in diesem räumlich getrennten Resonatorwegabschnitt angeordnet ist. Das optische Zweitelement kann z.B. als ein dispersives Element, eine resonante Gitterwellenleiterstruktur, ein nicht-lineares Element oder ein Frequenzkonversionsmedium ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform ist das optische Element derart polarisationsabhängig ausgebildet, dass die erste Wechselwirkung mit der im Resonatorraum befindlichen Strahlung in Abhängigkeit von seiner Polarisation erfolgt. Wird der Strahlung von der Pockelszelle eine Polarisation zugewiesen, in der das optische Element die Strahlung beeinflusst, so ändert sich zum Beispiel deren Wellenlänge oder Pulsdauer. Polarisiert die Pockelszelle die Strahlung im Resonatorraum derart, dass sie das optische Element ohne oder unter der zweiten Wechselwirkung passiert, wird sie bei den Resonatorumläufen durch das optische Element nicht bzw. anders, insbesondere reduziert bzw. abgeschwächt, verändert. In einer Ausführungsform ist durch die Ansteuerung der mindestens einen Pockelszelle eine Anzahl von Resonatorumläufen von Strahlung durch den polarisationsabhängigen Resonatorweg unter der ersten Wechselwirkung mit dem optischen Element einstellbar und/oder eine Anzahl von Resonatorumläufen ohne oder unter der zweiten Wechselwirkung mit dem optischen Element einstellbar. Dadurch können für jeden neuen Puls eine individuelle Anzahl an Durchläufen unter der ersten Wechselwirkung und an Durchläufen ohne oder unter der zweiten Wechselwirkung angesteuert werden. Damit ist eine beliebige Abfolge von Pulsen individueller, quasi kontinuierlich einstellbarer Pulseigenschaften einstellbar. Die Einstellstufen richten sich dabei nach der vorgesehenen Gesamtzahl der Resonatorumläufe der Strahlung.
In einer Ausführungsform weist der regenerative Laserverstärker eine erste und eine zweite im Resonatorraum angeordnete Pockelszelle auf. Dabei ist durch Ansteuerung der ersten Pockelszelle im Resonatorraum befindliche Strahlung so polarisierbar, dass die verstärkte Strahlung durch die polarisationsabhängige Ausgangskomponente aus dem Resonatorraum ausgekoppelt wird. Die erste Pockelszelle dient also zur Steuerung des Resonatorraumausgangs. Durch Ansteuerung der zweiten Pockelszelle ist der polarisationsabhängige Resonatorweg ansteuerbar. Weiterhin kann eine der beiden Pockelszellen den Resonatoreingang steuern.
Alternativ zu einer Pockelszelle kann als Kopplungsschalter auch ein mechanisch bewegter Spiegel oder Shutter, ein oder mehrere akustooptische Schalter oder mechanisch bewegte polaristionsbeeinflussende Elemente (z.B. Lambda- Plättchen oder Faraday-Rotatoren) genutzt werden. Bevorzugt wird jedoch eine Pockelszelle benutzt, da diese besonders komfortabel und genau schaltbar ist. Eine Pockelszelle ist weiterhin nahezu verlustfrei und verursacht wenig unerwünschte Einflüsse auf den Laserstrahl.
In einem Ausführungsbeispiel ist im Laserverstärker eine polarisationsabhängige Eingangskomponente räumlich getrennt von der polarisationsabhängigen Ausgangskomponente angeordnet. Die Pockelszelle ist so ansteuerbar, dass Seedlicht mit einer vorbestimmten Polarisation im Resonatorraum eingefangen wird und (z.B. verstärkte) Strahlung durch die Ausgangskomponente auskoppelbar ist. Somit kann mit einer Pockelszelle sowohl das Einkoppeln als auch das Auskoppeln von Strahlung an räumlich voneinander getrennten Bauteilen des Laserverstärkers gesteuert werden. In einem Ausführungsbeispiel ist die Pockelszelle an Schaltzeitpunkten ansteuerbar ausgebildet, die zu Teilen von Resonatorumläufen gehören. Somit können einzelnen Teilen, Resonatorarmen oder/oder Resonatorwegabschnitten des Resonatorraums unterschiedliche Funktionen zugewiesen werden. Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Steuern eines regenerativen Laserverstärkers.
Das Verfahren weist die Schritte auf: Ansteuern mindestens einer resonatorinternen Pockelszelle zum Einstellen der Polarisation der Strahlung im Resonatorraum derart, dass die Strahlung eine einstellbare Anzahl von Resonatordurchläufen unter einer ersten Wechselwirkung mit einem resonatorinternen optischen Element ausführt und eine einstellbare Anzahl von Resonatorumläufen ohne oder unter einer zweiten Wechselwirkung mit dem optischen Element ausführt und Ansteuern der mindestens einen Pockelszelle zum Auskoppeln von verstärkter Strahlung aus dem Resonatorraum heraus.
Eine einstellbare Anzahl von Resonatorumläufen unter der ersten Wechselwirkung mit dem optischen Element dient zum Einstellen der Pulsdauer und/oder Wellenlänge und/oder anderen Pulseigenschaften. Das Verfahren kann insbesondere zum Ansteuern des oben beschriebenen regenerativen Laserverstärkers verwendet werden.
Dabei kann die Pockelszelle an Schaltzeitpunkten angesteuert werden, die zu Teilen von Resonatorumläufen (im Gegensatz zu vollen Resonatorumläufen) der resonatorinternen Strahlung gehören. So kann durch die Kombination von momentaner Pulsposition im Resonatorraum und Schaltzeitpunkt die Wirkung der einen Pockelszelle auf mehrere unterschiedliche polarisationsabhängige Vorgänge angewendet werden. Durch eine einzige Pockelszelle werden damit mehrere Vorgänge geschaltet. Dadurch erfolgt eine Mehrfachnutzung der Pockelszelle durch zeitlich serielle Schaltzeitpunkte. Die Pockelszelle wird in verschiedenen Resonatorumlaufabschnitten als unterschiedlich wirkendes Resonatorelement genutzt.
In einem Ausführungsbeispiel wird der regenerative Laserverstärker in einem alternierenden Betrieb so angesteuert, dass die Pockelszelle zum Auskoppeln zweier aufeinanderfolgender Strahlpulse zwei unterschiedliche Schaltvorgänge durchführt. In der Regel muss die Pockelszelle einmal zum„Einfangen", also zum Einkoppeln des Seedlichts umgeschaltet werden, und ein zweites Mal zum Auskoppeln der verstärkten Strahlung. Damit würden zur Verstärkung jedes Seedlichtpulses zwei Schaltvorgänge an der Pockelszelle notwendig sein. Im alternierenden Betrieb wird die Pockelszelle zum Einfangen von Seedlicht ein erstes Mal umgeschaltet, und beim Auskoppeln der verstärkten Strahlung ein zweites Mal. Gleichzeitig bei diesem zweiten Umschalten der Pockelszelle wird ein nachfolgender Seedlichtpuls eingefangen, der im Laserverstärker anschließend verstärkt wird. Zwei aufeinanderfolgende Seedlichtpulse werden also bei unterschiedlichen Schaltvorgängen der Pockelszelle (z.B. Ein- und Ausschalten; von ,,+λ/4-Spannung" auf ,,-λ/4-Spannung" und umgekehrt, etc.) eingekoppelt. Genauso werden zwei aufeinanderfolgende verstärkte Strahlpulse bei unterschiedlichen Schaltvorgängen der Pockelszelle ausgekoppelt. Damit verringert der alternierende Betrieb der beiden Betriebsreihenfolgen die Anzahl der nötigen Schaltvorgänge der Pockelszelle von 2 Schaltvorgängen auf (im Durchschnitt) 1 ,5 benötigte Schaltvorgänge. Durch eine so verringerte Anzahl der benötigten Schaltvorgänge erhöht sich die Lebensdauer der Pockelszelle deutlich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematisch dargestellten regenerativen Laserverstärker mit einem polarisationsabhängigen Resonatorweg, Fig. 2 einen schematisch dargestellten regenerativen Laserverstärker mit einem räumlich getrennten polarisationsabhängigen Resonatorweg und
Fig. 3 einen schematisch dargestellten regenerativen Laserverstärker mit einem räumlich getrennten Ein- und Ausgang.
Fig. 1 zeigt einen regenerativen Laserverstärker 10 in einer schematischen Ansicht. Der Laserverstärker 10 ist an einem Ende von einem ersten Reflektor 1 1 begrenzt, an einem anderen Ende von einem zweiten Reflektor 12. Zwischen dem ersten und zweiten Reflektor 1 1 und 12 ist ein Resonatorraum ausgebildet. Der Laserverstärker 10 weist weiterhin ein Verstärkungsmedium G, eine Pockelszelle PZ und einen polarisationsabhängigen Resonatorweg PR-1 auf. Ein optisches Element 15 ist als Bestandteil des polarisationsabhängigen Resonatorwegs PR-1 ausgebildet. Zusätzliche Resonatorkomponenten sind in der Fig. 1 mit den Bezugszeichen 101 , 102 und 103 gezeigt. Ein Polarisationsstrahlteiler 13 als polarisationsabhängige Eingangs-/Ausgangskomponente dient zum Ein- und Auskoppeln von Strahlung in bzw. aus dem Resonatorraum.
Anhand des in Fig. 1 gezeigten regenerativen Laserverstärkers 10 wird im Folgenden die Funktionsweise eines solchen Laserverstärkers erläutert: Ein (in Fig. 1 nicht gezeigter) Seedlaser stellt ein externes Seediicht S' bereit. Das externe Seediicht S' wird auf den Polarisationsstrahlteiler 13 gelenkt. Der Polarisationsstrahlteiler 13 lässt nur Strahlung einer bestimmten Polarisation passieren, in diesem Ausführungsbeispiel Strahlung mit p-Polarisation. Der Polarisationsstrahlteiler 13 ist winklig gegenüber dem externen Seediicht S' ausgerichtet, so dass s-polarisiertes Seedlicht seitlich abgelenkt wird und nicht in den Resonatorraum eindringt. Das externe Seedlicht S' dient als Quelle für eine resonatorinterne (Licht-)Strahlung S, die im Laserverstärker 10 verstärkt wird. Dabei kann die Strahlung S insbesondere ein Lichtstrahlpuls sein.
Solange die Pockelszelle PZ ausgeschaltet ist, wird das externe Seedlicht S' mit p- Polarisation durch den Polarisationsstrahlteiler 3 in den Resonator eintreten, die Pockelszelle PZ durchlaufen, am zweiten Reflektor 12 reflektiert, erneut durch die Pockelszelle PZ durchlaufen und den Resonatorraum des Laserverstärkers 10 wieder durch den Polarisationsstrahlteiler 13 verlassen. Ist die Pockelszelle PZ eingeschaltet, wird das externe Seedlicht S" mit p-Polarisation durch den Polarisationsstrahlteiler 13 in den Resonator eintreten und beim Durchlaufen der Pockelszelle PZ eine Polarisationsänderung von p- auf s-Polarisation erfahren. Von links auf die Pockelszelle PZ einfallende Strahlung S mit p-Polarisation ist rechts von der Pockelszelle PZ s-polarisiert, von rechts die Pockelszelle PZ durchlaufende Strahlung S mit s-Polarisation ist links von der Pockelszelle PZ wieder p-polarisiert. Somit wird die Strahlung S nicht in den Resonator eingekoppelt, wenn die Pockelszelle PZ dauerhaft ein- oder ausgeschaltet ist und nicht umgeschaltet wird.
Wird die Pockelszelle PZ so ein- und ausgeschaltet, dass die Strahlung S auf ihrem Weg vom Polarisationsstrahlteiler 13 zum zweiten Reflektor 12 und von dort reflektiert wieder zurück zum Polarisationsstrahlteiler 13 die Pockelszelle PZ nur einmal durchläuft, während die Pockelszelle PZ eingeschaltet ist, erhält die resonatorinterne Strahlung S links von der Pockelszelle PZ eine andere Polarisation als bei der Einkopplung durch den Polarisationsstrahlteiler. Dies kann z.B. dadurch realisiert werden, indem die Pockelszelle PZ eingeschaltet wird, bevor die Strahlung S die Pockelszelle PZ auf ihrem Weg vom Strahlteiler 3 zum zweiten Reflektor 12 zum ersten Mal durchläuft und die Pockelszelle PZ ausgeschaltet wird, während die resonatorinterne Strahlung S sich rechts von der Pockelszelle PZ befindet, also bevor die Strahlung S die Pockelszelle PZ zum zweiten Mal durchläuft. Dies kann z.B. auch dadurch realisiert werden, indem die Pockelszelle ausgeschaltet ist, während die Strahlung S die Pockelszelle PZ auf ihrem Weg vom Strahlteiler 13 zum zweiten Reflektor 12 zum ersten Mal durchläuft, und die Pockelszelle PZ dann eingeschaltet wird, wenn die resonatorinterne Strahlung S sich rechts von der Pockelszelle PZ befindet, also bevor die Strahlung S die Pockelszelle PZ zum zweiten Mal durchläuft. In beiden Fällen wird die Pockelszelle PZ also einmal umgeschaltet während sich die Strahlung S rechts von der Pockelszelle PZ befindet. Dadurch erhält die Strahlung S links von der Pockelszelle PZ s-Polarisation und sie passiert den Polarisationsstrahlteiler 13 nicht, sondern wird von ihm winklig reflektiert in Richtung des ersten Reflektors 11. Die Strahlung wird somit in den Resonator eingekoppelt. Der Polarisationsstrahlteiler 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel transparent für p-polarisierte Strahlung und hochreflektiv für s-polarisierte Strahlung ausgebildet.
Solange die Pockelszelle PZ nicht umgeschaltet wird während sich der Strahlungspuls rechts der Pockelszelle PZ befindet , bewegt sich die links von der Pockelszelle PZ s-polarisierte resonatorinterne Strahlung S zwischen dem ersten Reflektor 11 und dem zweiten Reflektor 12. Dabei durchläuft sie unter anderem das im Resonatorraum angeordnete Verstärkungsmedium G, das die resonatorinterne Strahlung S verstärkt. Das Verstärkungsmedium G wird extern so gepumpt, dass es Energie an die das Verstärkungsmedium G durchströmende Strahlung abgeben kann. Das Verstärkungsmedium G kann auch an einer beliebigen anderen Position im Resonatorraum angeordnet sein.
Wird die Pockelszelle PZ umgeschaltet, während sich der Strahlungspuls S links der Pockelszelle PZ befindet, kann je nachdem ob die Pockelszelle hierbei ein- oder ausgeschaltet wird, der Polarisationszustand der Strahlung S rechts der Pockelszelle PZ als p-polarisiert oder s-polarisiert gewählt bzw. angesteuert werden. Wird die Pockelszelle nun nicht umgeschaltet, während die Strahlung S rechts der Pockelszelle PZ ist, bleibt die Strahlung S links der Pockelszelle s- polarisiert unabhängig vom Schaltungszustand der Pockelszelle PZ und die Strahlung S verbleibt somit eingekoppelt in den Resonator. Somit kann durch Schalten der Pockelsszelle PZ während sich der Strahlungspuls S links der Pockelszelle befindet gesteuert werden, mit welcher Polarisation die Strahlung den polarisationsabhängigen Resonatorweg PR-1 durchläuft, und somit kann gesteuert werden, ob die Strahlung S mit dem optischen Element 15 eine erste Wechselwirkung eingeht oder keine bzw. eine zweite Wechselwirkung.
Nach einer gewissen Anzahl von Umläufen (üblicherweise zwischen 20 und 300 Umläufen, zwischen 50 und 250 Umläufen, oder zwischen 100 und 200 Umläufen), teilweise mit der ersten Wechselwirkung und teilweise ohne bzw. mit der zweiten Wechselwirkung der Strahlung S mit dem optischen Element 15, ist eine Sättigung erreicht. Die Sättigung der resonatorinternen Strahlung S ist unter anderem abhängig von der Pumpleistung, den Transmissions- und Reflexionseigenschaften der verschiedenen Resonatorkomponenten und der verwendeten Wellenlänge.
Bis zum Erhalt der Sättigung muss die Pockelszelle PZ nicht mehr umgeschaltet werden. Wird nun die Pockelszelle PZ so umgeschaltet, dass die verstärkte Strahlung S die Pockelszelle PZ auf ihrem Weg vom Strahlteiler 13 zum zweiten Reflektor 12 und reflektiert von dort auf ihrem Weg zurück zum Strahlteiler 13 einmal in eingeschaltetem Zustand und einmal im ausgeschalteten Zustand durchläuft, so erhält die verstärkte Strahlung S links von der Pockelszelle PZ p-Polarisation. Durch die Veränderung der Polarisation der Strahlung S links der Pockelszelle PZ wird die resonatorinterne verstärkte Strahlung S nun vom Polarisationsstrahlteiler 13 nicht mehr reflektiert, sondern aus dem regenerativen Laserverstärker 10 durch den Polarisationsstrahlteiler 13 als hochintensiver Laserpuls ausgekoppelt. Die Pockelszelle PZ wird folglich zum Einkoppeln der Strahlung S umgeschaltet, nachdem die Strahlung S die Pockelszelle ein erstes Mal durchlaufen hat und sich rechts der Pockelszelle PZ befindet. Zum Auskoppeln der verstärkten Strahlung S wird die Pockelszelle PZ erneut umgeschaltet, nachdem die Strahlung S einen oder mehrere ganze Resonatorumläufe durchgeführt hat und sich erneut rechts der Pockelszelle PZ befindet. Indem die Pockelszelle PZ umgeschaltet wird, während sich die eingekoppelte Strahlung S links der Pockelszelle PZ befindet (als zu Teilen von Resonatorumläufen gehörig) kann die erste Wechselwirkung mit dem optischen Element 15 ein- oder ausgeschaltet werden bzw. reduziert oder auf die zweite Wechselwirkung umgeschalten werden. Das Schaltverhalten der Pockelszelle PZ kann durch ein oder mehrere λ/2- Plättchen umgekehrt oder verändert werden. Der rechte Resonatorarm des regenerativen Laserverstärkers 10 weist den polarisationsabhängigen Resonatorweg PR-1 auf, in diesem Resonatorweg PR-1 ist das optische Element 15 angeordnet. Dieser polarisationsabhängige Resonatorweg ist in Fig. 1 nur schematisch gezeigt. Ausführungsbeispiele für einen polarisationsabhängige Resonatorweg werden anhand der Figuren 2 und 3 näher beschrieben.
Mit solchen regenerativen Laserverstärkern ist z.B. eine ca. 106-fache Laserpulsverstärkung erreichbar. Der verstärkte Laserpuls verlässt den Resonator auf dem Einkoppelpfad. Um den Ein- und Ausgangsstrahl zu trennen, wird ein externer Faraday-Isolator eingesetzt (in der Fig. 1 nicht gezeigt). Der Faradaylsolator hat wegen des nicht-linearen optischen Materials einerseits eine niedrige Zerstörschwelle und andererseits einen negativen Einfluss auf die optischen Laserstrahleigenschaften. Fig. 2 zeigt schematisch einen regenerativen Laserverstärker 20. Der Laserverstärker 20 weist einen Resonatorraum auf, der an einem Ende durch einen ersten Reflektor 21 begrenzt ist. Am gegenüberliegenden Ende des Laserverstärkers 20 ist ein polarisationsabhängiger Resonatorweg PR-2 angeordnet. Der Laserverstärker 20 weist einen Polarisationsstrahlteiler 23 zum Ein- und Auskoppeln von Seedlicht auf, ein Verstärkungsmedium G, eine Pockelszelle PZ, ein optisches Element 25 und weitere Resonatorkomponenten 104, 105 und 106. Der Laserverstärker 20 funktioniert ähnlich wie der in Fig. 1 gezeigte Laserverstärker 10. Durch Ein- und Ausschalten der Pockelszelle PZ wird ein Teil der resonatorinternen Strahlung S im Resonatorraum des Laserverstärkers 20 "eingefangen". Der polarisationsabhängige Resonatorweg PR-2 weist einen Polarisationsstrahlteiler 24 auf. Auf den Polarisationsstrahlteiler 24 fallende Strahlung wird abhängig von seiner Polarisation entweder transmittiert und durch einen zweiten Reflektor 22A reflektiert, oder am Polarisationsstrahlteiler 24 reflektiert und an einen dritten Reflektor 22B zurückgelenkt. Der polarisationsabhängige Resonatorweg PR-2 weist somit zwei räumlich getrennte Resonatorwegabschnitte auf, die die resonatorinterne Strahlung S abhängig von ihrer Polarisation durchläuft. Dabei ist im ersten Resonatorwegabschnitt des polarisationsabhängigen Resonatorweges das optische Element 25 angeordnet, während im zweiten Resonatorwegabschnitt entweder kein optisches Element angeordnet sein kann oder ein optisches Zweitelement 106 zum Durchführen einer dritten Wechselwirkung mit der Strahlung S angeordnet sein kann. Es ist außerdem möglich, durch einen weiteren Spiegel und einen Strahlteiler an Stelle der Reflektoren 22A und 22B, die beiden räumlich getrennten Resonatorwegabschnitte wieder zu vereinigen und auf einen gemeinsamen Reflektor zu lenken, ohne die Funktionsweise des erfindungsgemäßen regenerativen Laserverstärkers 20 zu verändern (dies ist in Fig. 2 nicht dargestellt).
Die Funktionsweise des in Fig. 2 gezeigten Laserverstärkers 20 wird anhand eines Beispiels erläutert: Für das Ausführungsbeispiel sind beispielsweise vierzig Resonatorumläufe für die resonatorinterne Strahlung S vorgesehen, um die gewünschte Verstärkung des Laserpulses zu erzielen.
- Seedlicht S wird beispielsweise durch ein Einschalten der Pockelszelle eingefangen. Die Pockelszelle PZ wird z.B. eingeschaltet bevor der durch den Polarisationsstrahlteiler 23 transmittierte Puls die Pockelszelle PZ erreicht. Sobald resonatorinterne Strahlung S die Pockelszelle PZ durchlaufen hat (diese ist nun s- polarisiert) und sich im rechten Resonatorarm befindet, wird die Pockelszelle PZ abgeschaltet.
Die resonatorinterne Strahlung S durchläuft nun den Resonatorraum von dem ersten Reflektor 21 bis zum dritten Reflektor 22B und somit den zweiten Resonatorwegabschnitt des polarisationsabhängigen Resonatorwegs PR-2, in dem keine Wechselwirkung mit dem optischen Element 25 auftritt. Man belässt diesen Zustand für eine bestimmte Anzahl von Durchläufen so (zum Beispiel für 26 der insgesamt vierzig Durchläufe).
- Wenn sich die resonatorinterne Strahlung S zum sechsundzwanzigsten Mal im linken Resonatorarm befindet, wird die Pockelszelle PZ umgeschalten (im Beispiel: eingeschalten) und in diesem Zustand belassen (im Beispiel: eingeschalten). Die Strahlung S gelangt in den Resonatorbereich rechts von der Pockelszelle PZ und ist dort p-polarisiert. Dies bedeutet, dass für die Strahlung S der Polarisationsstrahlteiler 24 transparent ist und die Strahlung S nun zwischen dem ersten Reflektor 21 und dem zweiten Reflektor 22A den Resonatorraum durchläuft. Beim Durchlaufen der Pockelszelle PZ von rechts nach links wird die Strahlung S wieder s-polarisiert, so dass sie am Polarisationsstrahlteiler 23 nicht aus dem Laserverstärker 20 ausgekoppelt wird, sondern weiterhin im Resonatorraum des Laserverstärkers 20 verbleibt. Die Strahlung S erfährt dabei eine erste Wechselwirkung mit dem optischen Element 25 im ersten Resonatorwegabschnitt des polarisationsabhängigen Resonatorwegs PR-2. Der Resonatorumlauf zwischen dem ersten Reflektor 21 und dem zweiten Reflektor 22A wird für vierzehn Umläufe beibehalten. Die Auskopplung der Strahlung S erfolgt nach insgesamt vierzig Umläufen durch Ausschalten der Pockelszelle PZ, während die Strahlung S im rechten Arm ist. Bei der Rückkehr aus dem rechten Arm in den linken Arm bleibt die Strahlung S p- polarisiert und wird durch den Polarisationsstrahlteiler 23 aus dem Laserverstärker 20 ausgekoppelt.
Die Anzahl der Resonatorumläufe vom ersten Reflektor 21 zum zweiten Reflektor 22A sowie vom ersten Reflektor 21 zum dritten Reflektor 22B ist beliebig einstellbar. Ist ein konventioneller Betrieb gewünscht, so werden lediglich Resonatorumläufe der Strahlung S in dem Resonatorraum durchgeführt, der an einem Ende vom ersten Reflektor 21 und am anderen Ende vom dritten Reflektor 22B begrenzt ist. Im obigen Beispiel wurde bei vierzehn von vierzig Umläufen das optische Element 25 von der resonatorinternen Strahlung S durchlaufen. Bei dem optischen Element 25 kann es sich zum Beispiel um ein Dispersionselement, ein frequenzkonvertierendes Element (zum Beispiel SHG Kristall), einen doppelbrechendes Element oder um andere nicht-lineare Komponente handeln.
Zum Beispiel kann das optische Element 25 als Dispersionskontrollelement (Prisma, Gitter, nicht-lineares Element etc.) ausgebildet sein. Beim Durchlauf der resonatorinternen Strahlung S durch das optische Element 25 als dispersivem Element erfolgt die erste Wechselwirkung der Strahlung S mit dem dispersiven Element 25 dahingehend, dass unter anderem die Pulsdauer der Strahlung S verändert wird. Je nach Anzahl der Durchläufe durch das optische Element 25 (also der Resonatorumläufe zwischen dem ersten Reflektor 21 und dem zweiten Reflektor 22A) kann die Pulsdauer der resonatorinternen Strahlung S eingestellt werden. Je nach Anzahl der Pulsdurchläufe kann die Pulsdaueränderung während der Verstärkungsumläufe in so vielen Stufen geregelt werden, wie Pulsverstärkungsumläufe durch den Resonator vorgesehen sind (typischerweise einige Zehn bis einige hundert Stufen).
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dabei die Dispersion für einen der Schaltzustände der Pockelszelle PZ gleich 0 (Resonatorumlauf zwischen dem ersten Reflektor 21 und dem dritten Reflektor 22B). Durch sinnvolle Wahl der Dispersionseigenschaften des optischen Elements 25 können so Pulsdauerverlängerungen von zum Beispiel einem Femtosekundenpuls bis hin zu einem Nanosekundenpuls erfolgen. Ein solches System kann prinzipiell auch mit noch kürzeren Pulsen als Femtosekunden geseedet werden und noch längere Pulse als Nanosekunden liefern.
Alternativ kann die Reihenfolge der Polarisationsdurchgänge auch umgekehrt werden. Dabei wird die Pockelszelle PZ eingeschaltet (und bleibt eingeschaltet), während sich der Strahlungslichtpuls zum ersten Mal im rechten Resonatorarm befindet. Der weitere Ablauf erfolgt analog. Ein alternierender Betrieb der beiden Betriebsreihenfolgen verringert die Anzahl der nötigen Schaltungen der Pockelszelle PZ von zwei auf im Durchschnitt 1 ,5 Schaltvorgänge und somit um 25% der in konventionellen Lasern notwendigen Schaltzyklen für nur eine einzige Anwendungsfunktion der Pockelszelle. Dies entspricht 75% der bei dem zuvor beschriebenen Verfahren benötigten Schaltvorgänge. Dadurch werden die Ansprüche an die Pocke!szelle PZ, an die Kühlung und die Schaltung, reduziert.
Da man für jeden neuen Puls der Strahlung S eine individuelle Anzahl an dispersiven und gezielt nicht dispersiven Umläufen ansteuern kann, sind somit Pulsfolgen erzeugbar, die aus beliebigen Abfolgen von Pulsen individueller, quasikontinuierlich einstellbarer Pulsdauer bestehen.
Für den Einsatz in der Lasermaterialbearbeitung oder ähnlichem sind für hohe Produktivität eines gepulsten Lasersystems meistens geringe zeitliche Abstände zwischen zwei konsekutiven Laserpulsen erwünscht, also eine hohe Pulsrepetitionsrate, typischerweise ca. einige 100 kHz bis ca. 1 MHz. Für ein solches Lasersystem ist die Begrenzung der Pulsrepetitionsrate durch die Schaltgeschwindigkeit für das Adressieren der dispersiven Eigenschaften des dispersiven Elements (optisches Element 25) gegeben.
Ein solcher Laser mit gezielt einzelpulsindividuell einstellbarer Pulsdauer öffnet neuartige Möglichkeiten für Bearbeitungsstrategien (und damit neue Vorteile in Produktivität und Qualität) in der Lasermaterialbearbeitung, der Erforschung von geeigneten Parameterfeldern dafür, und allgemein in der Forschung, Messtechnik und Anwendung in den Fachgebieten Materialbearbeitung, Physik, Chemie, Biologie, Medizin, Solarzellenbearbeitung, usw.
Als Resonatorkomponenten 104, 105 und 106 können neben transmittierenden oder reflektierenden Optiken auch dispersive (GTI Spiegel) oder diffraktive Elemente, ein laseraktives Medium, nicht-lineare Komponenten, λ/2-, λ/4- Plättchen oder eine freie Propagation eingesetzt werden. Die Auswahl der Resonatorkomponenten 104, 105 und 106 hängt von dem jeweiligen Einsatzgebiet des Laserverstärkers 20 ab. Die Pockelszelle PZ wird bei den regenerativen Laserverstärkern 10, 20 und 30 in λ/2-Spannung betrieben oder ist ausgeschalten, wirkt also wie ein schaltbares λ/2- Plättchen. Damit bewirkt sie bei eingeschalteter Spannung eine Polarisationsdrehung um 90°, also von p- auf s-Polarisation und umgekehrt. Alternativ kann durch den Einsatz von Verzogerungsplattchen ein umgekehrtes Schaltverhalten der Pockelszelle genutzt werden. Dann würde eine ausgeschaltete Spannung an der Pockelszelle eine Polarisationsdrehung bewirken, während eine eingeschaltete Spannung keine Polarisationsveränderung bewirkt. Zudem kann beim den Einsatz von λ/4-Plättchen die Pockelszelle auch mit + /4-Spannung und -λ/4-Spannung betrieben werden.
Bei dem regenerativen Laserverstärker 20 werden Schaltzeitpunkte für die alleinige Pockelszelle PZ gewählt, welche zu Mehrfachen von Bruchteilen von Resonatorumläufen gehören, im Gegensatz zur Nutzung von Schaltzeitpunkten nur zu vollen Resonatorumläufen.
Alternativ zu dem beschriebenen Aufbau kann der Laserverstärker 20 an Stelle des Verstärkungsmediums G z.B. ein nicht-laseraktives Medium aufweisen. Dann kann das Verstärkungsmedium anstatt der Resonatorkomponente 106 oder an der Position des optischen Elements 25 angeordnet sein. Bei dieser alternativen Ausführungsform wird die Strahlung S zunächst durch den Resonatorwegabschnitt des polarisationsabhängigen Resonatorweges mit dem Verstärkungsmedium G gesendet bis die gewünschte Verstärkung erreicht ist. Durch Umschalten der Pockelszelle kann der verstärkte Puls nun solange im anderen Resonatorwegabschnitt des polarisationsabhängigen Resonatorweges aufbewahrt werden bis er angefordert bzw. benötigt wird.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit räumlich getrennter Ein- und Auskopplung, bei dem ein in seinen Eigenschaften direkt über den Polarisationszustand anzusprechendes Element (als optisches Element 35) nicht realisiert werden kann oder soll. Dies kann genutzt werden, um zum Beispiel einen pulsdauerflexiblen Laser zu verwirklichen, wobei jeder Laserpuls eine andere Pulsdauer aufweisen kann. Das Schaltschema ist ähnlich wie das des Ausführungsbeispiels, das in der Fig. 2 gezeigt ist.
In Fig. 3 ist ein regenerativer Laserverstärker 30 gezeigt, der eine Pockelszelle PZ, ein Verstärkungsmedium G, einen ersten Reflektor 31 , einen Polarisationsstrahlteiler 33, ein optisches Element 35, einen dritten Reflektor 32B, einen zweiten Reflektor 32A (hier als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet) sowie weitere Resonatorkomponenten 107 und 108 aufweist. Der Laserverstärker 30 erreicht eine Trennung des Ein- und Ausgangsstrahles der Strahlung S aus dem Resonatorraum des Laserverstärkers 30. Dadurch kann zum Beispiel ein Faraday- Isolator eingespart werden. Mit diesem Laserverstärker 30 lassen sich auch Leistung und Pulsenergie eines regenerativen Verstärkers ohne Limitation durch einen Faraday-Isolator skalieren. Dabei wird eine negative Beeinflussung der Strahleigenschaften durch den Faraday-Isolator vermieden, insbesondere eine Beeinflussung der Strahlqualität und der Beugungsmaßzahl. Weiterhin vertragen Faraday-Isolatoren nur eine begrenzte Durchschnittsleistung bzw. maximale Leistung (Pulsenergie/Spitzenintensität). Damit wird durch ein Einsparen von Faraday-Isolatoren eine Begrenzung der Leistungs- und Pulsenergieskalierung des Laserverstärkers vermieden. Der Schaltablauf für den in Fig. 3 gezeigten Laserverstärker 30 erfolgt mit folgenden Schritten:
- Das Einfangen von externem Seedlicht S' erfolgt dadurch, dass die Pockelszelle PZ eingeschaltet ist, während der Puls der Strahlung S sie zum ersten Mal passiert. Während sich der Puls der Strahlung S zum ersten Mal im rechten Arm des Laserverstärkers 30 befindet, wird die Pockelszelle PZ ausgeschaltet.
- Der Puls der Strahlung S verbleibt für die gewünschte Umlaufzahl im Resonatorraum des Laserverstärkers 30 gefangen. Der Resonatorraum ist hierbei durch den ersten Reflektor 31 auf der einen Seite und den dritten Reflektor 32B auf der anderen Seite begrenzt.
- Zum Auskoppeln wird die Pockelszelle eingeschaltet, während der Puls der Strahlung S sich im linken Arm befindet. Dadurch wird der Puls p-polarisiert und durch den Polarisationsstrahlteiler 32A aus dem Resonatorraum ausgekoppelt.
Dadurch wird eine Mehrfachnutzung der Pockelszelle PZ durch zeitlich seriellen Einsatz bei geeigneter Resonatoranordnung erzielt. Die Pockelszelle ist somit in verschiedenen Resonatorumlaufabschnitten als unterschiedlich wirkendes Resonatorelement einsetzbar. Am optischen Element 35 erfolgt eine erste Wechselwirkung des Pulses der Strahlung S z.B. durch Dispersion oder Frequenzkonvertierung. Ein polarisationsabhängiger Resonatorweg PR-3 des Laserverstärkers 30 weist in der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform einen Polarisationsstrahlteiler 32A als zweiten Reflektor, das optische Element 35 und einen dritten Reflektor 32B auf.
Die Eigenschaften des Polarisationsstrahlteiler 32A können dahingehend umgekehrt sein, dass er für s-polarisierte Strahlung transmittierend ist und p- polarisierte Strahlung reflektiert. Dann wird der Schaltablauf entsprechend umgekehrt.
Die in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Resonatorkomponenten 101 bis 113 sind schaltungsunabhängig und dienen in den Figuren lediglich dazu, das Vorhandensein zusätzlicher Komponenten aufzuzeigen. Die in den Figuren gezeigten Laserverstärker 10, 20 und 30 können alternativ auch mehr oder weniger Resonatorkomponenten aufweisen. Bei den in den Figuren gezeigten Laserverstärkern 10, 20, und 30 sind die Polarisationsstrahlteiler 13, 23, und 33 als polarisationsabhängige Komponenten so im Resonatorraum angeordnet, dass sie resonatorinternes Seedlicht eines Polarisationszustandes reflektieren und dadurch den Resonatorraum abwinkein. Resonatorinterne Strahlung eines anderen Polarisationszustandes wird durch die Polarisationsstrahlteiler 13, 23, und 33 transmittiert und ausgekoppelt.
Bei der Beschreibung der Figuren 1 bis 3 wurden die Ausdrücke linker und rechter Resonatorarm verwendet. Diese Ausdrücke sind beispielhaft zu verstehen. Alternativ kann der linke Resonatorarm auch rechts angeordnet sein und umgekehrt. Allgemein werden die Resonatorräume der Laserverstärker 10, 20, und 30 von der Pockelszelle PZ in einen ersten und einen zweiten Resonatorarm geteilt. Der erste Resonatorarm weist in einem Strahlengangwinkel den Polarisationsstrahlteiler 13, 23 bzw. 33 auf, der zweite Resonatorarm den polarisationsabhängigen Resonatorweg PR-1 , PR-2 bzw. PR-3. Der Resonatorraum des Laserverstärkers weist einen polarisationsabhängigen Resonatorweg auf, der wiederum ein, zwei oder mehr unterschiedliche Resonatorwegabschnitte aufweisen kann. Auch die anschaulich verwendeten Begriffe s-Polarisation und p-Polarisation sind beispielhaft zu verstehen. Die Polarisationen der Strahlungen bzw. der Polarisationsstrahlteiler können auch genau andersherum bzw. dazwischen (z.B. als +λ/4 und -λ/4) ausgebildet sein. Das in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Verstärkungsmedium G dient zum Verstärken des resonatorinternen Seedlichts S und kann als LAM (laseraktives Medium) ausgebildet sein. Es ist in den Figuren 1 bis 3 im Resonatorraum vor dem ersten Reflektor 11 , 21 bzw. 31 angeordnet, kann aber in einer anderen Ausführungsform an einer anderen Position im Resonatorraum angeordnet sein.
Bezugszeichenliste
10 Laserverstärker
11 erster Reflektor
12 zweiter Reflektor
13 Polarisationsstrahlteiler
15 optisches Element
20 Laserverstärker
21 erster Reflektor
22A zweiter Reflektor
22B dritter Reflektor
23 Polarisationsstrahlteiler
24 Polarisationsstrahlteiler
25 optisches Element
30 Laserverstärker
31 erster Reflektor
32A zweiter Reflektor
32B dritter Reflektor 33 Polarisationsstrahlteiler
35 optisches Element
101-108 Resonatorkomponente
G Verstärkungsmedium
PR-1 polarisationsabhängiger Resonatorweg
PR-2 polarisationsabhängiger Resonatorweg
PR-3 polarisationsabhängiger Resonatorweg
PZ Pockelszelle
S im Resonatorraum befindliche Strahlung
S' Seedlicht vor Einkopplung in den Resonatorraum

Claims

Patentansprüche
1. Regenerativer Laserverstärker zur Verstärkung von Seed licht mit
- einem Resonatorraum,
- einer polarisationsabhängigen Ausgangskomponente (13; 23; 33; 32A), durch die Strahlung (S) aus dem Resonatorraum auskoppelbar ist,
- mindestens einer im Resonatorraum angeordneten und steuerbaren Pockelszelle (PZ), wobei durch Ansteuerung der mindestens einen Pockelszelle (PZ) im Resonatorraum befindliche Strahlung (S) so polarisierbar ist, dass die Strahlung (S) durch die polarisationsabhängige Ausgangskomponente (13; 23; 33, 32A) aus dem Resonatorraum auskoppelbar ist und
- einem im Resonatorraum angeordneten und derart ausgebildeten polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) mit einem optischen Element (15; 25; 35), dass im Resonatorraum befindliche Strahlung (S) in Abhängigkeit von ihrer durch die mindestens eine Pockelszelle (PZ) steuerbare Polarisation entweder
- den polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) unter einer ersten Wechselwirkung mit dem optischen Element (15; 25; 35) durchläuft oder
- den polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) ohne oder unter einer zweiten Wechselwirkung mit dem optischen Element (15; 25; 35) durchläuft.
2. Laserverstärker nach Anspruch 1 , wobei das optische Element (15, 25; 35) derart ausgebildet ist, dass die erste Wechselwirkung des optischen Elements (15, 25; 35) mit der Strahlung (S) die Pulsdauer und/oder eine Wellenlängeneigenschaft der Strahlung (S) verändert.
3. Laserverstärker nach Anspruch 1 oder 2, wobei der polarisationsabhängige Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) auf der im Resonatorraum der Ausgangskomponente (13; 23; 33) gegenüberliegenden Seite der mindestens einen Pockelszelle (PZ) angeordnet ist.
4. Laserverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der polarisationsabhängige Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) zwei räumlich getrennte Resonatorwegabschnitte und einen Polarisationsstrahlteiler (24; 32A) zum Einlenken von Strahlung (S) in einen der beiden Resonatorwegabschnitte in Abhängigkeit von der Polarisation der Strahlung (S) aufweist, und wobei das optische Element (25; 35) in einem der beiden Resonatorwegabschnitte angeordnet ist.
5. Laserverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das optische Element (15; 25; 35) derart polarisationsabhängig ausgebildet ist, dass die erste Wechselwirkung mit Strahlung (S) in Abhängigkeit von der durch die mindestens eine Pockelszelle (PZ) steuerbaren Polarisation der Strahlung (S) erfolgt.
6. Laserverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei durch die Ansteuerung der mindestens einen Pockelszelle (PZ) eine Anzahl von Durchläufen von Strahlung (S) durch den polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) unter der ersten Wechselwirkung mit dem optischen Element (15; 25; 35) einstellbar ist und/oder eine Anzahl von Durchläufen von Strahlung (S) durch den polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) ohne oder unter der zweiten Wechselwirkung mit dem optischen Element (15; 25; 35) einstellbar ist.
7. Laserverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) ein dispersives Element als optisches Element (15; 25; 35) angeordnet ist.
8. Laserverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in dem polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) ein Frequenzkonversionsmedium als optisches Element (15; 25; 35) angeordnet ist.
. Laserverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Laserverstärker (10; 20; 30) eine erste und eine zweite im Resonatorraum angeordnete Pockelszelle (PZ) aufweist, und wobei durch Ansteuerung der ersten Pockelszelle (PZ) im Resonatorraum befindliche verstärkte Strahlung (S) so polarisierbar ist, dass die verstärkte Strahlung (S) durch die polarisationsabhängige Ausgangskomponente (13; 23; 33;) aus dem Resonatorraum ausgekoppelt wird, und durch Ansteuerung der zweiten Pockelszelle (PZ) im Resonatorraum befindliche Strahlung (S) den polarisationsabhängigen Resonatorweg (PR-1 ; PR-2; PR-3) in Abhängigkeit von der Ansteuerung der zweiten Pockelszelle (PZ) durchläuft.
10. Laserverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine polarisationsabhängige Eingangskomponente (33) räumlich getrennt von der polarisationsabhängigen Ausgangskomponente (32A) angeordnet ist.
11. Laserverstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Pockelszelle (PZ) an Schaltzeitpunkten ansteuerbar ausgebildet ist, die zu Teilen von Resonatorumläufen gehören.
12. Verfahren zum Steuern eines regenerativen Laserverstärkers (10; 20; 30) mit einem Resonatorraum zum Verstärken von Seedlicht (S') mit den Schritten
- Ansteuern mindestens einer resonatorinternen Pockelszelle (PZ) zum Einstellen der Polarisation einer Strahlung (S) im Resonatorraum derart, dass die Strahlung (S) eine einstellbare Anzahl von Resonatordurchläufen unter einer ersten Wechselwirkung mit einem resonatorinternen optischen Element (15; 25; 35) ausführt und eine einstellbare Anzahl von Resonatordurchläufen ohne oder unter einer zweiten Wechselwirkung mit dem optischen Element (15; 25; 35) ausführt und
- Ansteuern der mindestens einen Pockelszelle (PZ) zum Auskoppeln von Strahlung (S) aus dem Resonatorraum heraus.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei durch die einstellbare Anzahl von Resonatordurchläufen unter der ersten Wechselwirkung mit dem optischen Element (15; 25; 35) die Pulsdauer und/oder Wellenlängeneigenschaften der Strahlung (S) eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 zum Steuern eines Laserverstärkers nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Pockelszelle (PZ) an Schaltzeitpunkten angesteuert wird, die zu Teilen von Resonatorumläufen der resonatorinternen Strahlung (S) gehören.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der regenerative Laserverstärker (10; 20; 30) in einem alternierenden Betrieb so angesteuert wird, dass die Pockelszelle (PZ) zum Auskoppeln zweier aufeinanderfolgender Strahlpulse zwei unterschiedliche Schaltvorgänge durchführt.
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