WO2017190930A1 - Lasersystem mit überlagerung von zeitlich oder räumlich separaten laserpulsen - Google Patents

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laser
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error signal
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laser pulse
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Michael Müller
Marco KIENEL
Arno Klenke
Jens Limpert
Andreas TÜNNERMANN
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Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Definitions

  • the invention relates to a laser system with
  • At least one laser pulse source that generates input laser pulses at an input repetition frequency
  • the combination element being associated with at least one phase adjustment element which influences the relative phase position of the input laser pulses superposed in the output laser pulse,
  • an error signal detector deriving an error signal from the output laser pulse train
  • controller which forms a control signal for controlling the phase adjusting element from the error signal.
  • the invention relates to a method for generating laser pulses, with the method steps:
  • Output repetition frequency is generated, wherein the relative phase of the superimposed in the output laser pulse input laser pulses in accordance with a
  • optical elements e.g. laser amplifiers, spectral broadening elements, transport fibers, optics (e.g., mirror surfaces, substrates, lenses), etc.
  • optical elements e.g. laser amplifiers, spectral broadening elements, transport fibers, optics (e.g., mirror surfaces, substrates, lenses), etc.
  • a limitation is due to thermal effects, which occur above a certain average power and depend on the geometry of the element and external influences.
  • thermal effects which occur above a certain average power and depend on the geometry of the element and external influences.
  • a change in the output beam due to the appearance of a thermal lens may be cited.
  • fiber amplifiers on the other hand, the occurrence of mode instabilities due to thermal effects limits the achievable average output power.
  • nonlinear effects occur in the medium, e.g.
  • Self-phase modulation provide for a spatial or temporal change in the phase of the laser radiation. In the temporal range, therefore, an unwanted deformation of the laser pulse can occur, which leads to a reduction in pulse quality and prolongation of the pulse duration, especially in the case of laser pulses with a high bandwidth. In the spatial domain, these non-linear effects can lead to self-focusing of the beam, which can cause destruction of the respective medium. In addition to limiting the maximum possible pulse peak power in conjunction with a given pulse shape or pulse length, nonlinear effects also limit the maximum pulse energy. In addition, damage to the surfaces of the medium at high pulse peak powers or pulse energies are possible, which may also constitute a limitation.
  • the strength of the Kerr effect can be reduced, which i.a. responsible for the occurrence of self-focusing.
  • the pulse peak power can be reduced in a medium, which corresponds to the prior art as Chirped Pulse Amplification (CPA).
  • CPA Chirped Pulse Amplification
  • DPA Divided Pulse Amplification
  • DPNLC Divided Pulse Nonlinear Compression
  • the temporal phase of the individual laser pulses is of fundamental importance for the superimposition, which must be correct in the sub-wavelength range in order to obtain the desired maximum power. In some cases, due to the structure, it can be ensured that this condition is fulfilled throughout. Otherwise, an active stabilization of the phase angles may be necessary. In pulsed operation, the most accurate temporal overlap of the individual pulses in the combination must be ensured. Deviation leads to a reduction in the combination efficiency. In the spectrally identical combination, the individual laser pulses in the channels themselves should have as identical as possible phase or amplitude profiles. Deviations can also lead to a reduction in the combination efficiency here.
  • an active stabilization based on a control loop with an error signal detector is used, which derives an error signal from the laser pulse train of the recombined, ie superimposed laser pulses, wherein a controller from the error signal forms a control signal for driving the combination elements respectively associated phase control elements (see Zhou et al., IEEE J. Sci. Top. Quantum Electron., Vol. 15, pp. 248-256, 2009).
  • Such active stabilization methods compensate for fluctuations in the optical path lengths of the superimposed laser pulses by means of the phase adjusting elements.
  • Phase adjusting elements may be, for example, piezo-controlled mirror holders, electro-optical or thermo-optical phase modulators.
  • the control loop is typically based on an error signal generated at the system output, from which the control signal is derived for phase correction.
  • a small part of the Huaweilaserpulszuges is split off and as Raw signal used to generate the error signal, while the majority of output laser pulse train is available for each application.
  • beams can be combined using 1: 2 beam splitters.
  • a 1: 2 beam splitter can be realized with the aid of a polarization-dependent beam splitter (polarization beam splitter) or a partially reflective surface (intensity beam splitter).
  • polarization beam splitter polarization beam splitter
  • intensity beam splitter partially reflective surface
  • a 1: N division can be achieved with several of these beam splitters.
  • the generation of N partial beams is thus possible.
  • the same principle can also be applied to the combination, i. the superposition of multiple sub-beams are used in an output beam.
  • a 1:32 beam splitter e.g. 31 1: 2 beam splitters (polarization beam splitter or intensity beam splitter) required.
  • the combination elements each having a phase adjustment element associated with it, the error signal is typically detected only after the last combination step.
  • the disadvantage is that the resulting control loop can then have several stable states, so that a reliable control is not possible.
  • the object of the invention is to provide a comparison with the prior art improved laser system with actively stabilized combination of temporally and spatially separate input laser pulses to output laser pulses high power.
  • This object is achieved by the invention on the basis of a laser system of the type specified at the outset in that the error signal detector periodically scans the output laser pulse train at the output repetition frequency.
  • the detection of the error signal per pulse cycle takes place only during a (narrow) time window.
  • the detection the error signal in this way makes it possible to uniquely identify the (minimum) error signal associated with the global maximum of the output power. For a reliable stabilization is possible, even if a plurality of cascaded combination elements with these respectively associated phase actuators is included in the scheme.
  • the sampling duration i. the duration of each scan or the width of the time window of the error signal detection, less than the inverse input repetition frequency.
  • the duration of the temporal window of the sampling of the error signal is less than or equal to the minimum time interval of the input laser pulses.
  • the position of the temporal window i. the time of each scanning operation, chosen so that it corresponds to the time of the laser pulses corresponding to the time of the laser pulses at the time at which arrives at the correct position of the input laser pulses, the output laser pulse respectively at the location of the detector.
  • the runtime of the laser pulses which is known in advance as a result of the structure of the laser system, the time at which the output laser pulse generated by phase-correct superimposition is to be expected in each case at the location of the detector is clearly defined. If according to the invention the error signal is detected only at this point in time, this advantageously results in a unique error signal with only one stable state of the control.
  • the error signal detector for scanning the réellelaserpulszuges comprises an optical switch.
  • the optical switch is activated or deactivated to set the time window for the detection of the error signal.
  • the optical switch may be e.g. to act an electro-optical modulator or an acousto-optic modulator or even a chopper wheel.
  • the error signal detector may comprise an electronic switch which, according to a conventional sample-and-hold circuit, periodically scans an electrical signal previously derived from the output laser pulse train at the output repetition frequency at the appropriate times.
  • the input laser pulses respectively superposed in the output laser pulse are polarized differently, wherein the error signal detector comprises a Hänsch Couillaud detector.
  • Hänsch-Couillaud method is based on the detection of the power in two orthogonal polarization directions, whereby the relative phase angle of the electromagnetic field in the two polarization directions, ie the ellipticity of the polarization, is detected.
  • the polarization is linear with phase-correct superimposition. If a Hänsch-Couillaud detector is used as the error signal detector, an individual time window for the periodic sampling corresponding to the respective pulse transit time must be defined for the detection element used in each polarization direction.
  • the combination of similarly polarized input laser pulses can be used for the control known dithering techniques (eg the so-called LOCSET method) or stochastic methods (eg the so-called SPGD method), wherein by generating a defined, time-modulated phase error, the error signal by means of only a detector can be derived from the Huaweilaserpulszug.
  • the object of the invention is based on a laser system of the type mentioned also solved in that the error signal detector evaluates the instantaneous power of the Jardinlaserpulszuges. It is exploited that the power of the output laser pulse train is maximum in the case of in-phase superimposition of the input laser pulses. By suitable evaluation of the instantaneous power, a clear stabilization of the laser system can be achieved.
  • the control can be set up such that the error signal detector only forms the error signal if the instantaneous power exceeds a predefinable threshold value.
  • a predefinable threshold value For this purpose, for example, the control can be set up such that the error signal detector only forms the error signal if the instantaneous power exceeds a predefinable threshold value. This exploits the fact that local extremes of the power in the output laser pulse train are masked out during the error signal detection, which do not reach the threshold value. Only the global power maximum, which results in phase - correct superimposition of the Input laser pulses set in the output laser pulse train, is taken into account in the error signal detection. This results in a reliable and unambiguous stabilization of the laser system.
  • the threshold value should correspond to 50-95%, preferably approximately 70-80%, ideally at least 75%, of that power which is to be expected in the output laser pulse train with in-phase superimposition of the input laser pulses.
  • the error signal detector comprises at least one photodiode which detects the instantaneous intensity of the output laser pulse train.
  • the detection bandwidth of the photodiode must be sufficiently high.
  • periodic sampling of the Huaweilaserpulszuges with a time duration of the sampling, which is smaller than the inverse input repetition frequency the detection bandwidth of the photodiode must be at least equal to the Mostsrepetitionsfrequenz accordingly.
  • the combination element comprises an optical interferometer.
  • the input laser pulses e.g. Polarization beam splitter and / or intensity beam splitter in a cascaded arrangement according to the number of input laser pulses, which are to be superimposed in each case in a Popelaserpuls Kom used.
  • phase adjusting elements which are particularly easy to implement, suitable optical delay lines whose length is variable in accordance with the control signal.
  • deflection mirrors of the optical delay lines can be mounted on actuators that extend or shorten the optical delay path with appropriate control.
  • the invention relates not only to a laser system but also to a method of generating laser pulses.
  • the method comprises the following method steps:
  • either the output laser pulse train for deriving the error signal is sampled periodically at the output repetition frequency.
  • the instantaneous power of the output laser pulse train is evaluated, the relative phase position of the input laser pulses superposed in the output laser pulse being adjusted in accordance with the control signal only if the instantaneous power exceeds a predefinable threshold value.
  • Figure 1 schematic representation of a
  • FIG. 1 Laser system with division, amplification and recombination of laser pulses;
  • Figure 2 schematic representation of the combination of laser pulses by means of polarization and intensity beam splitters;
  • FIG. 3 Inventive laser system as
  • FIG. 5 fault signal detection according to the invention with optical switch
  • FIG. 6 Error signal detection according to the invention with electronic switch
  • FIG. 7 Error signal detection according to the invention with evaluation of the output power.
  • the invention is based on a laser system which is basically constructed as shown in FIG.
  • the laser system denoted overall by 0 comprises a laser pulse source, which is designated by the reference numeral 1 in FIG.
  • the laser pulse source 1 comprises an oscillator 2, for example in the form of a conventional and commercially available mode-locked fiber laser, which emits laser pulses 3 at a repetition frequency.
  • a division element 4 a time division of pulses takes place.
  • a spatial division of the pulses takes place.
  • the beam of the laser pulses is split into M spatially separate beams.
  • an optical amplifier 6 which amplifies the laser pulses.
  • the amplifiers 6 are, for example, optically pumped amplifier fibers.
  • input laser pulses 7 are available at the input repetition frequency in M spatially separate channels at the output of the laser pulse source 1.
  • a combination element 8 is provided, in which a spatial pulse combination takes place, analogous to the division in the distribution element 4.
  • the laser pulses 9 have a correspondingly higher output.
  • the laser pulses are still present at the input repetition frequency.
  • the spatial pulse combination is complementary to the spatial Pulsannon in the distribution element 5 in the ratio M: 1.
  • a temporal pulse combination takes place in the ratio N: 1, ie complementary to the time division of pulses in the distribution element 4.
  • N 1, ie complementary to the time division of pulses in the distribution element 4.
  • This causes the output laser pulses 11 at the output of the combination element 10 to be available in an output laser pulse train at an output repetition frequency the repetition frequency of the oscillator 2 corresponds.
  • the combination elements 8 and 10 are assigned (not shown in FIG. 1) phase adjusting elements which influence the relative phase position of the input laser pulses superposed in the output laser pulse 1. For example, optical delay paths are used for phase adjustment, which will be discussed in more detail below with reference to FIG.
  • FIG. 2 schematically illustrates the inventive combination of laser pulses by means of binary beam splitters, which may be polarization or intensity beam splitters.
  • the combination of four time-separated laser pulses 9 in each case results in an output laser pulse 1 1 (beam direction from right to left).
  • a cascade of a total of four polarization beam splitters 12 in combination with wave plates 13 is used for this purpose.
  • dots and arrows the polarization of the individual laser pulses is indicated.
  • the temporally immediately successive arriving laser pulses 9 each have orthogonal linear polarization.
  • the binary polarization beam splitters 12, which are passed through by the laser pulses 9, are connected to one another via optical delay paths 14.
  • Each delay line 14 generates a time delay of those laser pulses which arrive via the delay line 14 from the first polarization beam splitter 12 to the respective second polarization beam splitter 12 in relation to those laser pulses which pass directly from the first polarization beam splitter 12 to the second polarization beam splitter 12.
  • the time delay is dimensioned such that in each case two of the laser pulses coincide in time at the output of the second polarization beam splitter 12.
  • the repetition frequency is further halved by the further pairs of polarization beam splitters 12 following in the beam direction.
  • the optical delay paths 14 of the beam splitter pairs are adjustable, for this purpose the deflection mirrors of the delay lines 14 are movable by means of actuators 15, so that the optical delay paths 14 can be correspondingly extended or can be shortened.
  • Each of the optical delay lines 14 in combination with the associated actuators 15 forms a Phasenstellelennent in the context of the invention.
  • the temporal pulse combination according to FIG. 2b) takes place.
  • adjustable optical delay lines 14 are provided as phase adjusting elements.
  • Corresponding adjustable delay sections can be provided for phase positioning in the spatial combination by means of the combination element 8 in each case in the M channels according to FIG.
  • FIG. 3 illustrates the control scheme of the laser system according to the invention as a block diagram.
  • the input laser pulses 7 are superimposed by means of combination elements 8 and 10 (as shown in FIG. 1) to output laser pulses 1 1.
  • the combination elements 8, 10 have phase control elements, as shown in FIG. 2 by way of example for the temporal pulse combination. In this way, the relative phase position of the input laser pulses 7 respectively superposed in the output laser pulse 1 1 can be set for each individual combination step.
  • An error signal detector 16 is provided which derives an error signal 18 from the output laser pulse train by means of a photodiode 17.
  • a regulator 19 forms from the error signal 18 a control signal 20 for controlling the phase adjusting elements which are assigned to the combination elements 8 and 10.
  • the temporal phase position of the superimposed laser pulses in the output laser pulse 1 1 is set in such a way that the power of the Ninthpuls Komes, ie the average power and the pulse peak power of the output laser pulses 1 1, maximum is.
  • the phase control elements and their control by the controller 19 ensure that the superimposed laser pulses overlap as accurately as possible in time.
  • the error signal detector 16 periodically samples the output laser pulse train at the output repetition frequency.
  • the sampling duration i. the duration of each scan is less than the inverse input repetition frequency.
  • the detection of the error signal takes place per pulse cycle only during a time window of duration At.
  • the duration At must correspond to the minimum time interval of the laser pulses 9, which occurs in the not yet combined laser pulse train.
  • FIG. 4 schematically shows the output signal of the laser system 0 when the input laser pulses are not completely in phase.
  • the signal propagation time T through the entire laser system 0 uniquely defines the point in time at which the output laser pulse 1 1 arrives in each case at the location of the detector 17 when the input laser pulses 9 are superimposed in phase.
  • the error signal is received exclusively in (or only outside of) the illustrated time window At. This results in an error signal that allows a control with only one clearly defined, stable state.
  • the error signal detection according to the invention can be implemented, for example, as illustrated in FIG.
  • the Huaweilaserpulszug passes through an optical switch 21, which may be an electro-optical modulator or an acousto-optic modulator per se conventional type.
  • the optical switch 21 only switches on at the time defined by the transit time T and during the duration of the time window At.
  • the laser pulse 1 1 ' is then detected by means of the photodiode 17.
  • the time selection can be done by means of an electronic switch 22, as illustrated in FIG.
  • the output laser pulse train is first scanned continuously by means of the photodiode 17 and a corresponding electrical measurement signal is generated.
  • the electrical measurement signal is transmitted by means of the electronic switch 22 only during the time window At to the time defined by the time T.
  • the thus prepared measurement signal is then further used to generate the control signal 20 by means of the regulator 19 (see Figure 3).
  • the photodiode 17 must have a sufficient bandwidth in order to be able to separate the different maxima in the output laser pulse train from each other.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the invention. In this case, the error signal detector 16 evaluates the instantaneous power of the output laser pulse train.
  • the error signal detector 16 forms the error signal 18 only if the average power exceeds a predefinable threshold value, which corresponds, for example, to 75% of the power which is to be expected in the output laser pulse train with phase-correct superposition of the input laser pulses 9. In this way, a control with only one stable state can also be realized.
  • the controller 19 passively waits until the relative phase of the laser pulses in the laser system 0 comes close to the state (eg by drift), in which the laser pulses are superimposed in the correct phase. Only then, ie in the vicinity of the desired state, the threshold is exceeded, and the control is active to stabilize the laser system there.
  • the rating of the power can be done by means of a simple voltage comparator. By evaluating and comparing with the threshold, local maxima in the output laser pulse train can be distinguished from the global maximum. The local maxima are accordingly removed from the error signal 18. In contrast to the method illustrated in FIGS. 4-6, the method shown in FIG. 7 requires adjustment of the threshold value when the output power of the laser system is changed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit - wenigstens einer Laserpulsquelle (1), die Eingangslaserpulse (7) bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz erzeugt, - wenigstens einem Kombinationselement (8, 10), das zwei oder mehr der Eingangslaserpulse (7) in jeweils einem Ausgangslaserpuls (11) überlagert und so einen Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt, wobei dem Kombinationselement (8, 10) wenigstens ein Phasenstellelement (14, 15) zugeordnet ist, das die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls (11) überlagerten Eingangslaser- pulse (7) beeinflusst, - einem Fehlersignaldetektor (16), der aus dem Ausgangslaserpuls- zug ein Fehlersignal (18) ableitet, und - einem Regler (19), der aus dem Fehlersignal (18) ein Regelsignal (20) zur Ansteuerung des Phasenstellelementes (14, 15) bildet. Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Lasersystem mit aktiv stabilisierter Kombination von zeitlich und räumlich separaten Eingangslaserpulsen zu Ausgangslaserpulsen hoher Leistung bereit zu stellen. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass der Fehlersignaldetektor (16) den Ausgangslaserpulszug periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz abtastet. Alternativ schlägt die Erfindung vor, dass der Fehlersignaldetektor (16) die momentane Leistung des Ausgangslaser- pulszuges bewertet. Außerdem betrifft die Erfindung Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen.

Description

Lasersvstem mit Überlagerung von zeitlich oder räumlich separaten Laseroulsen Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit
wenigstens einer Laserpulsquelle, die Eingangslaserpulse bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz erzeugt,
wenigstens einem Kombinationselement, das zwei oder mehr der Eingangslaserpulse in jeweils einem Ausgangslaserpuls überlagert und so einen Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt, wobei dem Kombinationselement wenigstens ein Phasenstellelement zugeordnet ist, das die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls überlagerten Eingangslaserpulse beeinflusst,
einem Fehlersignaldetektor, der aus dem Ausgangslaserpulszug ein Fehlersignal ableitet, und
einem Regler, der aus dem Fehlersignal ein Regelsignal zur Ansteuerung des Phasenstellelementes bildet.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, mit den Verfahrensschritten:
- Erzeugen von Eingangslaserpulsen bei einer
Eingangsrepetitionsfrequenz,
Überlagern von zwei oder mehr Eingangslaserpulsen in jeweils einem Ausgangslaserpuls, wodurch ein Ausgangslaserpulszug bei einer
Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt wird, wobei die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls überlagerten Eingangslaserpulse nach Maßgabe eines
Regelsignals eingestellt wird,
Ableitung eines Fehlersignals aus dem Ausgangslaserpulszug, und Bildung des Regelsignals aus dem Fehlersignal.
Die Leistungsfähigkeit von optischen Elementen, z.B. von Laserverstärkern, spektralen Verbreiterungselementen, Transportfasern, Optiken (z.B. Spiegeloberflächen, Substrate, Linsen) usw. ist durch verschiedene physikalische Effekte begrenzt. Dabei ist zwischen der Durchschnittsleistung und der bei gepulsten Systemen wichtigen Pulsspitzenleistung zu unterscheiden. Eine Begrenzung ist auf thermische Effekte zurückzuführen, welche ab einer gewissen Durchschnittsleistung auftreten und von der Geometrie des Elementes sowie äußeren Einflüssen abhängen. Als ein Beispiel für diese Effekte kann bei klassischen Festkörperlasern eine Veränderung des Ausgangsstrahls aufgrund des Auftretens einer thermischen Linse angeführt werden. Bei Faserverstärkern stellt dagegen das Auftreten von Modeninstabilitäten durch thermische Effekte eine Begrenzung der erreichbaren mittleren Ausgangsleistung dar. Bei hohen Pulsspitzenleistungen treten darüber hinaus nichtlineare Effekte im Medium auf, wie z.B. Selbstphasenmodulation. Diese sorgen für eine räumliche bzw. zeitliche Veränderung der Phase der Laserstrahlung. Im zeitlichen Bereich kann es deshalb zu einer nicht gewünschten Verformung des Laserpulses kommen, was vor allem bei Laserpulsen mit hoher Bandbreite zu einer Verringerung der Pulsqualität und Verlängerung der Pulsdauer führt. Im räumlichen Bereich können diese nichtlinearen Effekte zur Selbstfokussierung des Strahls führen, was eine Zerstörung des jeweiligen Mediums hervorrufen kann. Neben der Begrenzung der maximal möglichen Pulsspitzenleistung in Verbindung mit einer gegebenen Pulsform bzw. Pulslänge bewirken nichtlineare Effekte auch eine Begrenzung der maximalen Pulsenergie. Zusätzlich sind Beschädigungen der Oberflächen des Mediums bei hohen Pulsspitzenleistungen oder Pulsenergien möglich, welche ebenfalls eine Begrenzung darstellen können.
Verschiedene Ansätze zur Überwindung dieser Begrenzungen und zur Steigerung der erreichbaren mittleren Ausgangsleistung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel existieren Ansätze zur Vermeidung von Limitierungen in Bezug auf die optische Verstärkung und die spektrale Verbreiterung.
Durch Vergrößerung der Strahlfläche ist es möglich, die Leistungsdichte bzw. die Pulsspitzenintensitäten in den verwendeten optischen Elementen zu reduzieren. Ein Beispiel beim Einsatz von faseroptischen Elementen ist die Verwendung von so genannten Large-Mode-Area Fasern. Dies ermöglicht aufgrund der größeren Strahlfläche eine entsprechende Erhöhung der Pulsspitzenleistung ohne nachteilige Auswirkungen.
Durch Verwendung von beispielsweise zirkulär polarisierten Laserpulsen kann die Stärke des Kerr-Effekts herabgesetzt werden, welcher u.a. für das Auftreten der Selbstfokussierung verantwortlich ist.
Durch eine zeitliche Streckung der Laserpulse kann die Pulsspitzenleistung in einem Medium herabgesetzt werden, was als Chirped-Pulse-Amplification (CPA) dem Stand der Technik entspricht. Durch Manipulation der spektralen Phasen oder Amplituden kann eine Degradation der Pulsqualitat durch nichtlineare Effekte kompensiert werden.
Bei der so genannten Divided Pulse Amplification (DPA) bzw. Divided Pulse Nonlinear Compression (DPNLC) erfolgt eine Aufteilung eines Laserpulses in mehrere zeitlich getrennte Pulsreplika. Nach der Verstärkung bzw. Verbreiterung der Pulse des Pulszuges erfolgt eine Rekombination in einem Laserpuls. Hierzu werden Kombinationselemente verwendet, die zwei oder mehr der aufgeteilten Laserpulse in jeweils einem Ausgangslaserpuls überlagern. Aufgrund der zeitlichen Aufteilung ist die Pulsspitzenleistung jeder Pulsreplika kleiner als diejenige eines einzelnen Laserpulses. Räumlich getrennte Verstärker bzw. Verbreiterungselemente können verwendet werden, wobei eine Aufspaltung des Eingangsstrahls mittels Strahlteilern in mehrere Strahlen erfolgt. Diese werden in mehreren räumlich getrennten, unabhängigen optischen Elementen/Kanälen verstärkt bzw. spektral verbreitert und schließlich wieder in einem Strahl kombiniert. Dabei ist zwischen der Kombination von Signalen gleicher oder unterschiedlicher Spektren zu unterscheiden. Bei der spektral gleichen Kombination propagieren in den verschiedenen Kanälen die gleichen spektralen Komponenten, es findet am Strahlteiler nur eine Teilung der Leistung statt. Bei der spektralen Kombination hingegen findet zusätzlich noch eine spektrale Teilung des Eingangssignals statt. Kombinationen beider Verfahren sind möglich.
Die zeitliche Phasenlage der einzelnen Laserpulse ist für die Überlagerung von fundamentaler Bedeutung, welche im sub-Wellenlängenbereich korrekt sein muss, um die gewünschte maximale Leistung zu erhalten. In einigen Fällen kann aufgrund des Aufbaus gewährleistet werden, dass diese Bedingung durchgehend erfüllt ist. Ansonsten kann eine aktive Stabilisierung der Phasenlagen nötig sein. Im gepulsten Betrieb muss der möglichst genaue zeitliche Überlapp der einzelnen Pulse bei der Kombination gewährleistet werden. Eine Abweichung führt zu einer Verringerung der Kombinationseffizienz. Bei der spektral gleichen Kombination sollten die einzelnen Laserpulse in den Kanälen selbst möglichst identische Phasen- bzw. Amplitudenprofile aufweisen. Abweichungen können hier ebenfalls zu einer Verringerung der Kombinationseffizienz führen.
Typischerweise kommt ein aktive Stabilisierung auf Basis eines Regelkreises mit einem Fehlersignaldetektor zum Einsatz, der aus dem Laserpulszug der rekombinierten, d.h. überlagerten Laserpulse ein Fehlersignal ableitet, wobei ein Regler aus dem Fehlersignal ein Regelsignal zur Ansteuerung von den Kombinationselementen jeweils zugeordneten Phasenstellelementen bildet (vgl. Zhou et al., IEEE J. Sei. Top. Quantum Electron., Bd. 15, S. 248-256, 2009). Solche aktiven Stabilisierungsmethoden gleichen durch die Phasenstell- elemente Schwankungen der optischen Weglängen der überlagerten Laserpulse aus. Phasenstellelemente können z.B. piezogesteuerte Spiegelhalter, elektrooptische oder thermooptische Phasenmodulatoren sein. Der Regelkreis basiert typischerweise auf einem am Systemausgang erzeugten Fehlersignal, aus dem das Regelsignal zur Phasenkorrektur abgeleitet wird. Dabei wird ein kleiner Teil des Ausgangslaserpulszuges abgespalten und als Rohsignal zur Erzeugung des Fehlersignals genutzt, während der Großteil des Ausgangslaserpulszuges für die jeweilige Anwendung zur Verfügung steht.
Es sind verschiedene Ansätze und Komponenten zur Kombination von (räumlich und/oder zeitlich separat propagierenden) Laserpulsen bekannt. Zum Beispiel können Strahlen mit Hilfe von 1 :2-Strahlteilern kombiniert werden. Ein 1 :2-Strahlteiler kann mit Hilfe eines polarisationsabhängigen Strahlteilers (Polarisationsstrahlteiler) bzw. einer teilreflektiven Oberfläche (Intensitätsstrahlteiler) realisiert werden. Durch Kaskadierung ist mit mehreren dieser Strahlteiler eine 1 :N Teilung realisierbar. Die Erzeugung von N Teilstrahlen ist damit möglich. Das gleiche Prinzip kann auch für die Kombination, d.h. die Überlagerung mehrerer Teilstrahlen in einem Ausgangsstrahl verwendet werden. Für einen 1 :32 Strahlteiler sind z.B. 31 1 :2-Strahlteiler (Polarisationsstrahlteiler oder Intensitätsstrahlteiler) nötig.
In einem System mit kaskadierten Kombinationselementen zur Überlagerung zeitlich und räumlich separater Laserpulse, wobei den Kombinationselementen jeweils ein Phasenstellelement zugeordnet ist, wird das Fehlersignal typischerweise nur nach dem letzten Kombinationsschritt detektiert. Nachteilig ist, dass der resultierende Regelkreis dann mehrere stabile Zustände aufweisen kann, so dass eine zuverlässige Regelung nicht möglich ist. Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Lasersystem mit aktiv stabilisierter Kombination von zeitlich und räumlich separaten Eingangslaserpulsen zu Ausgangslaserpulsen hoher Leistung bereit zu stellen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Lasersystem der eingangs angegebenen Art dadurch, dass der Fehlersignaldetektor den Ausgangslaserpulszug periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz abtastet.
Erfindungsgemäß erfolgt, anders ausgedrückt, die Detektion des Fehlersignals pro Pulszyklus jeweils nur während eines (schmalen) Zeitfensters. Die Detektion des Fehlersignals in dieser Weise ermöglicht es, das dem globalen Maximum der Ausgangsleistung zugeordnete (minimale) Fehlersignal eindeutig zu identifizieren. Damit ist eine zuverlässige Stabilisierung möglich, auch wenn eine Vielzahl von kaskadierten Kombinationselementen mit diesen jeweils zugeordneten Phasenstellelementen in die Regelung einbezogen ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Abtastdauer, d.h. die zeitliche Dauer jedes Abtastvorgangs bzw. die Breite des Zeitfensters der Fehlersignaldetektion, kleiner als die inverse Eingangsrepetitionsfrequenz. Das bedeutet, dass die Dauer des zeitlichen Fensters der Abtastung des Fehlersignals kleiner oder gleich dem minimalen zeitlichen Abstand der Eingangslaserpulse ist. Dabei wird zweckmäßig die Lage des zeitlichen Fensters, d.h. der Zeitpunkt jedes Abtastvorgangs, so gewählt, dass er entsprechend der Laufzeit der Laserpulse durch das Lasersystem demjenigen Zeitpunkt entspricht, zu dem bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse der Ausgangslaserpuls jeweils am Ort des Detektors eintrifft. Durch die aufgrund des Aufbaus des Lasersystems vorab bekannte Laufzeit der Laserpulse ist der Zeitpunkt, zu dem der durch phasenrichtige Überlagerung erzeugte Ausgangslaserpuls jeweils am Ort des Detektors zu erwarten ist, eindeutig definiert. Wird erfindungsgemäß nur zu diesem Zeitpunkt das Fehlersignal detektiert, ergibt sich daraus vorteilhaft ein eindeutiges Fehlersignal mit nur einem stabilen Zustand der Regelung.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasersystems umfasst der Fehlersignaldetektor zur Abtastung des Ausgangslaserpulszuges einen optischen Schalter. Der optische Schalter wird aktiviert bzw. deaktiviert, um das Zeitfenster für die Detektion des Fehlersignals festzulegen. Bei dem optischen Schalter kann es sich z.B. um einen elektrooptischen Modulator oder einen akustooptischen Modulator oder auch um ein Chopperrad handeln.
Alternativ kann der Fehlersignaldetektor einen elektronischen Schalter aufweisen, der, analog einer üblichen Sample-and-Hold-Schaltung, ein zuvor aus dem Ausgangslaserpulszug abgeleitetes elektrisches Signal erfindungsgemäß periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz zu den geeigneten Zeitpunkten abtastet. Bei einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasersystems sind die in dem Ausgangslaserpuls jeweils überlagerten Eingangslaserpulse unterschiedlich polarisiert, wobei der Fehlersignaldetektor einen Hänsch- Couillaud-Detektor umfasst. Das bekannte Hänsch-Couillaud-Verfahren basiert auf der Erfassung der Leistung in zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen, wobei die relative Phasenlage des elektromagnetischen Feldes in den beiden Polarisationsrichtungen, d.h. die Elliptizität der Polarisation, erfasst wird. Werden mit dem erfindungsgemäßen System orthogonal polarisierte Eingangslaserpulse in dem Ausgangspulszug überlagert, ist die Polarisation bei phasenrichtiger Überlagerung linear. Bei Verwendung eines Hänsch-Couillaud-Detektors als Fehlersignaldetektor muss für das in jeder Polarisationsrichtung verwendete Detektionselement ein individuelles Zeitfenster für die periodische Abtastung entsprechend der jeweiligen Pulslaufzeit definiert werden.
Bei der Kombination gleichartig polarisierter Eingangslaserpulse können für die Regelung bekannte Dithering-Techniken (z.B. das so genannte LOCSET- Verfahren) oder stochastische Methoden (z.B. das sogenannte SPGD-Verfahren) verwendet werden, wobei durch Erzeugung eines definierten, zeitlich modulierten Phasenfehlers das Fehlersignal mittels nur eines Detektors aus dem Ausgangslaserpulszug abgeleitet werden kann. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird ausgehend von einem Lasersystem der eingangs genannten Art auch dadurch gelöst, dass der Fehlersignaldetektor die momentane Leistung des Ausgangslaserpulszuges bewertet. Dabei wird ausgenutzt, dass die Leistung des Ausgangslaserpulszuges bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse maximal ist. Durch geeignete Bewertung der momentanen Leistung kann eine eindeutige Stabilisierung des Lasersystems erreicht werden.
Hierzu kann z.B. die Regelung so eingerichtet sein, dass der Fehlersignaldetektor das Fehlersignal nur bildet, wenn die momentane Leistung einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Dabei wird ausgenutzt, dass lokale Extrema der Leistung im Ausgangslaserpulszug bei der Fehlersignaldetektion ausgeblendet werden, die den Schwellenwert nicht erreichen. Nur das globale Leistungsmaximum, das sich bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse im Ausgangslaserpulszug einstellt, wird bei der Fehlersignaldetektion berücksichtigt. Daraus resultiert eine zuverlässige und eindeutige Stabilisierung des Lasersystems.
Zur zuverlässigen Detektion des globalen Maximums der Ausgangsleistung sollte der Schwellenwert 50-95 %, vorzugsweise ca. 70-80%, idealerweise mindestens 75 % derjenigen Leistung entsprechen, die bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse im Ausgangslaserpulszug zu erwarten ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasersystems umfasst der Fehlersignaldetektor wenigstens eine Photodiode, die die momentane Intensität des Ausgangslaserpulszuges detektiert. Die Detektionsbandbreite der Photodiode muss dabei hinreichend hoch sein. Bei erfindungsgemäßer periodischer Abtastung des Ausgangslaserpulszuges mit einer zeitlichen Dauer des Abtastvorgangs, die kleiner ist als die inverse Eingangsrepetitionsfrequenz, muss entsprechend die Detektionsbandbreite der Fotodiode mindestens gleich der Eingangsrepetitionsfrequenz sein.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lasersystems umfasst das Kombinationselement ein optisches Interferometer. Zur Kombination der Eingangslaserpulse können z.B. Polarisationsstrahlteiler und/oder Intensitätsstrahlteiler in kaskadierter Anordnung entsprechend der Anzahl der Eingangslaserpulse, die jeweils in einem Ausgangslaserpulszug überlagert werden sollen, zum Einsatz kommen. Als Phasenstellelemente, die besonders einfach realisierbar sind, eignen sich optische Verzögerungsstrecken, deren Länge nach Maßgabe des Regelsignals variabel ist. Z.B. können Umlenkspiegel der optischen Verzögerungsstrecken auf Aktoren montiert sein, die bei entsprechender Ansteuerung die optische Verzögerungsstrecke verlängern bzw. verkürzen.
Die Erfindung betrifft nicht nur ein Lasersystem, sondern auch ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- Erzeugen von Eingangslaserpulsen bei einer
Eingangsrepetitionsfrequenz, Überlagern von zwei oder mehr Eingangslaserpulsen in jeweils einem Ausgangslaserpuls, wodurch ein Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt wird, wobei die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls überlagerten Eingangslaserpulse eingestellt wird,
- Ableitung eines Fehlersignals aus dem Ausgangslaserpulszug, und
Bildung eines Regelsignals zur Ansteuerung des Phasenstellelementes aus dem Fehlersignal. Dabei wird erfindungsgemäß, wie oben erläutert, entweder der Ausgangslaserpulszug zur Ableitung des Fehlersignals periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz abgetastet. Alternativ wird die momentane Leistung des Ausgangslaserpulszuges bewertet, wobei die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls überlagerten Eingangslaserpulse nach Maßgabe des Regelsignals nur eingestellt wird, wenn die momentane Leistung einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : schematische Darstellung eines
Lasersystems mit Aufteilung, Verstärkung und Rekombination von Laserpulsen; Figur 2: schematische Darstellung der Kombination von Laserpulsen mittels Polarisations- und Intensitätsstrahlteilern;
Figur 3: erfindungsgemäßes Lasersystem als
Blockdiagramm; Figur 4: Illustration der erfindungsgemäßen
Detektion des Fehlersignals während eines begrenzten Zeitfensters;
Figur 5: erfindungsgemäße Fehlersignaldetektion mit optischem Schalter;
Figur 6: erfindungsgemäße Fehlersignaldetektion mit elektronischem Schalter; Figur 7: erfindungsgemäße Fehlersignaldetektion mit Bewertung der Ausgangsleistung.
Die Erfindung geht aus von einem Lasersystem, das grundsätzlich wie in Figur 1 dargestellt aufgebaut ist. Das insgesamt mit 0 bezeichnete Lasersystem umfasst eine Laserpulsquelle, die in der Figur 1 mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Die Laserpulsquelle 1 umfasst einen Oszillator 2, beispielsweise in Form eines herkömmlichen und kommerziell verfügbaren modengekoppelten Faserlasers, der Laserpulse 3 bei einer Repetitionsfrequenz emittiert. In einem Aufteilungselement 4 erfolgt eine zeitliche Pulsteilung. Jeder Laserpuls 3 wird in N zeitlich getrennte Pulsreplika aufgeteilt. Dabei sollte N eine Potenz von 2 sein (N=2n). Dabei erhöht sich entsprechend die Repetitionsfrequenz um den Faktor N. In einem weiteren Aufteilungselement 5 erfolgt eine räumliche Pulsteilung. Der Strahl der Laserpulse wird auf M räumlich separate Strahlen aufgeteilt. Danach propagiert die Laserstrahlung in M verschiedenen Kanälen. In jedem der Kanäle ist ein optischer Verstärker 6 angeordnet, der die Laserpulse verstärkt. Bei den Verstärkern 6 handelt es sich z.B. um optisch gepumpte Verstärkerfasern. Am Ausgang der Laserpulsquelle 1 stehen im Sinne der Erfindung Eingangslaserpulse 7 bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz in M räumlich separaten Kanälen zur Verfügung. Ein Kombinationselement 8 ist vorgesehen, in dem eine räumliche Pulskombination erfolgt, analog zur Aufteilung in dem Aufteilungselement 4. Am Ausgang des Kombinationselementes 8 haben die Laserpulse 9 eine entsprechend höhere Leistung. Die Laserpulse liegen nach wie vor bei der Eingangsrepetitionsfrequenz vor. Die räumliche Pulskombination erfolgt komplementär zu der räumlichen Pulsteilung in dem Aufteilungselement 5 im Verhältnis M:1 . Am Ausgang des Kombinationselementes 8 liegt somit wiederum nur ein einzelner Strahl vor, in dem die Laserpulse 9 räumlich zusammen propagieren. In dem weiteren Kombinationselement 10 erfolgt eine zeitliche Pulskombination im Verhältnis N:1 , d.h. komplementär zu der zeitlichen Pulsteilung in dem Aufteilungselement 4. Dies bewirkt, dass am Ausgang des Kombinationselementes 10 die Ausgangslaserpulse 1 1 in einem Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz zur Verfügung stehen, die der Repetitionsfrequenz des Oszillators 2 entspricht. Den Kombinationselementen 8 und 10 sind (in Figur 1 nicht dargestellte) Phasenstellelemente zugeordnet, die die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls 1 überlagerten Eingangslaserpulse beeinflussen. Zur Phasenstellung kommen z.B. optische Verzögerungsstrecken zum Einsatz, worauf weiter unten in Bezug auf die Figur 2 noch näher eingegangen wird. Zur Kombination der M räumlich separaten Kanäle sind zumindest M-1 Phasenstellelemente erforderlich, um die relativen Phasenlagen der überlagerten Laserpulse jeweils paarweise beeinflussen zu können. Das die zeitliche Kombination durchführende Kombinationselement 10 benötigt maximal N Phasenstellelemente, um die relativen Phasenlagen bei der Überlagerung der Laserpulse 9 in dem Ausgangslaserpuls 1 1 , wiederum paarweise, beeinflussen zu können. Somit weist das System in Bezug auf die Phasenstellung bis zu M+N-1 Freiheitsgrade auf, die bei der Stabilisierung des Lasersystems zu berücksichtigen sind. Die Figur 2 illustriert schematisch die erfindungsgemäße Kombination von Laserpulsen mittels binärer Strahlteiler, bei denen es sich um Polarisations- oder Intensitätsstrahlteiler handeln kann. In den Figuren 2a) und 2b) erfolgt die Kombination von jeweils vier zeitlich separaten Laserpulsen 9 zu einem Ausgangslaserpuls 1 1 (Strahlrichtung von rechts nach links). In Figur 2a) kommt hierzu eine Kaskade von insgesamt vier Polarisationsstrahlteilern 12 in Kombination mit Wellenplatten 13 zum Einsatz. Durch Punkte und Pfeile ist die Polarisation der einzelnen Laserpulse angedeutet. Die zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend eintreffenden Laserpulse 9 haben jeweils orthogonale lineare Polarisation. Die von den Laserpulsen 9 durchlaufenen binären Polarisations- strahlteiler 12 sind über optische Verzögerungsstrecken 14 miteinander verbunden. Jede Verzögerungsstrecke 14 erzeugt einen zeitlichen Verzug derjenigen Laserpulse, die über die Verzögerungsstrecke 14 von dem jeweils in Strahlrichtung ersten Polarisationsstrahlteiler 12 zu dem jeweils zweiten Polarisationsstrahlteiler 12 gelangen, gegenüber denjenigen Laserpulsen, die direkt vom ersten Polarisationsstrahlteiler 12 zum zweiten Polarisationsstrahlteiler 12 gelangen. Die zeitliche Verzögerung ist dabei so bemessen, dass am Ausgang des zweiten Polarisationsstrahlteilers 12 jeweils zwei der Laserpulse zeitlich koinzidieren. Am Ausgang des in Strahlrichtung ersten Paares von Polarisationsstrahlteilern 12 ist somit die Repetitionsfrequenz gegenüber der Repetitionsfrequenz der Laserpulse 9 halbiert. In entsprechender Weise erfolgt eine weitere Halbierung der Repetitionsfrequenz durch das in Strahlrichtung folgende, weitere Paare von Polarisationsstrahlteilern 12. Die optischen Verzögerungsstrecken 14 der Strahlteilerpaare sind verstellbar, hierzu sind die Umlenkspiegel der Verzögerungsstrecken 14 mittels Aktoren 15 beweglich, so dass die optischen Verzögerungsstrecken 14 entsprechend verlängerbar bzw. verkürzbar sind. Jede der optischen Verzögerungsstrecken 14 in Kombination mit den zugehörigen Aktoren 15 bildet ein Phasenstellelennent im Sinne der Erfindung. In ähnlicher Weise erfolgt die zeitliche Pulskombination gemäß Figur 2b). Dort kommen drei kaskadierte binäre Strahlteiler 12, 12' zum Einsatz. Es handelt sich um einen Polarisationsstrahlteiler 12 in Kombination mit einer Wellenplatte 13 sowie zwei Intensitätsstrahlteiler 12'. Wiederum sind mittels Aktoren 15 verstellbare optische Verzögerungsstrecken 14 als Phasenstellelemente vorgesehen. Entsprechende verstellbare Verzögerungsstrecken können zur Phasenstellung bei der räumlichen Kombination mittels des Kombinationselementes 8 jeweils in den M Kanälen gemäß Figur 1 vorgesehen sein.
Die Figur 3 illustriert das Regelungsschema des erfindungsgemäßen Lasersystems als Blockdiagramm. Die Eingangslaserpulse 7 werden mittels Kombinationselementen 8 und 10 (wie in Figur 1 dargestellt) zu Ausgangslaserpulsen 1 1 überlagert. Die Kombinationselemente 8, 10 weisen Phasenstellelemente auf, wie in Figur 2 beispielhaft für die zeitliche Pulskombination dargestellt. Auf diese Weise ist die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls 1 1 jeweils überlagerten Eingangslaserpulse 7 für jeden einzelnen Kombinationsschritt einstellbar. Ein Fehlersignaldetektor 16 ist vorgesehen, der aus dem Ausgangslaserpulszug mittels einer Photodiode 17 ein Fehlersignal 18 ableitet. Ein Regler 19 bildet aus dem Fehlersignal 18 ein Regelsignal 20 zur Ansteuerung der Phasenstellelemente, die den Kombinationselementen 8 und 10 zugeordnet sind. Dadurch wird die zeitliche Phasenlage der im Ausgangslaserpuls 1 1 überlagerten Laserpulse in der Weise eingestellt, dass die Leistung des Ausgangslaserpulszuges, d.h. die mittlere Leistung sowie auch die Pulsspitzenleistung der Ausgangslaserpulse 1 1 , maximal ist. Die Phasenstellelemente und deren Ansteuerung durch den Regler 19 sorgen dafür, dass die überlagerten Laserpulse möglichst genau zeitlich überlappen.
Erfindungsgemäß tastet der Fehlersignaldetektor 16 den Ausgangslaserpulszug periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz ab. Dabei ist die Abtastdauer, d.h. die zeitliche Dauer jedes Abtastvorgangs kleiner als die inverse Eingangsrepetitionsfrequenz. Dies ist in Figur 4 illustriert. Die Detektion des Fehlersignals erfolgt pro Pulszyklus jeweils nur während eines Zeitfensters der Dauer At. Die Dauer At muss dabei dem minimalen zeitlichen Abstand der Laserpulse 9 entsprechen, der im noch nicht kombinierten Laserpulszug auftritt. Die Figur 4 zeigt schematisch das Ausgangssignal des Lasersystems 0 bei nicht vollständig phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse. Die Signallaufzeit T durch das gesamte Lasersystem 0 definiert eindeutig den Zeitpunkt, zu dem bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse 9 der Ausgangslaserpuls 1 1 jeweils am Ort des Detektors 17 eintrifft. Wie in Figur 4 illustriert, wird das Fehlersignal ausschließlich im (oder ausschließlich außerhalb) des dargestellten Zeitfensters At aufgenommen. Daraus ergibt sich ein Fehlersignal, das eine Regelung mit nur einem eindeutig definierten, stabilen Zustand ermöglicht.
Realisiert werden kann die erfindungsgemäße Fehlersignaldetektion beispielsweise wie in Figur 5 illustriert. Dort durchläuft der Ausgangslaserpulszug einen optischen Schalter 21 , bei dem es sich um einen elektrooptischen Modulator oder um einen akustooptischen Modulator an sich üblicher Bauart handeln kann. Der optische Schalter 21 schaltet nur zu dem durch die Laufzeit T definierten Zeitpunkt und während der Dauer des Zeitfensters At durch. Am Ausgang des optischen Schalters 21 wird dann nur der Laserpuls 1 1 ' mittels der Photodiode 17 detektiert.
Alternativ kann die zeitliche Selektion mittels eines elektronischen Schalters 22, wie in Figur 6 illustriert, erfolgen. Hierzu wird zunächst der Ausgangslaserpulszug kontinuierlich mittels der Photodiode 17 abgetastet und ein entsprechendes elektrisches Messsignal erzeugt. Das elektrische Messsignal wird mittels des elektronischen Schalters 22 nur während des Zeitfensters At zu den durch die Laufzeit T definierten Zeitpunkten durchgelassen. Das so aufbereitete Messsignal wird dann weiter zur Erzeugung des Regelsignals 20 mittels des Reglers 19 (siehe Figur 3) verwendet. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 6 muss die Photodiode 17 eine ausreichende Bandbreite aufweisen, um die verschiedenen Maxima im Ausgangslaserpulszug voneinander trennen zu können. Die Figur 7 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Erfindung. Bei dieser bewertet der Fehlersignaldetektor 16 die momentane Leistung des Ausgangslaserpuls- zuges. Der Fehlersignaldetektor 16 bildet das Fehlersignal 18 nur, wenn die mittlere Leistung einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet, der z.B. 75 % derjenigen Leistung entspricht, die bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse 9 im Ausgangslaserpulszug zu erwarten ist. Auf diese Weise kann ebenfalls eine Regelung mit nur einem stabilen Zustand realisiert werden. Solange kein Fehlersignal 18 erzeugt wird, weil der vorgegebene Schwellenwert nicht erreicht wird, wartet der Regler 19 passiv, bis die relative Phasenlage der Laserpulse im Lasersystem 0 in die Nähe des Zustands gelangt (z.B. durch Drift), in dem die Laserpulse phasenrichtig überlagert werden. Erst dann, d.h. in der Nähe des gewünschten Zustands, wird der Schwellenwert überschritten, und die Regelung wird aktiv, um das Lasersystem dort zu stabilisieren. Die Bewertung der Leistung kann mittels eines einfachen Spannungskomparators erfolgen. Durch die Bewertung und durch den Vergleich mit dem Schwellenwert können lokale Maxima im Ausgangslaserpulszug vom globalen Maximum unterschieden werden. Die lokalen Maxima werden entsprechend aus dem Fehlersignal 18 entfernt. Im Gegensatz zu der in den Figuren 4-6 illustrierten Methode erfordert die in Figur 7 gezeigte Methode die Nachstellung des Schwellenwertes, wenn die Ausgangsleistung des Lasersystems verändert wird.

Claims

Patentansprüche
1 . Lasersystem mit
wenigstens einer Laserpulsquelle (1 ), die Eingangslaserpulse (7) bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz erzeugt,
wenigstens einem Kombinationselement (8, 10), das zwei oder mehr der Eingangslaserpulse (7) in jeweils einem Ausgangslaserpuls (1 1 ) überlagert und so einen Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt, wobei dem Kombinationselement (8, 10) wenigstens ein Phasenstellelement (14, 15) zugeordnet ist, das die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls (1 1 ) überlagerten Eingangslaserpulse (7) beeinflusst,
einem Fehlersignaldetektor (16), der aus dem Ausgangslaserpulszug ein Fehlersignal (18) ableitet, und
- einem Regler (19), der aus dem Fehlersignal (18) ein Regelsignal
(20) zur Ansteuerung des Phasenstellelementes (14, 15) bildet,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Fehlersignaldetektor (16) den Ausgangslaserpulszug periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz abtastet.
2. Lasersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastdauer (At), d.h. die zeitliche Dauer jedes Abtastvorgangs kleiner als die inverse Eingangsrepetitionsfrequenz ist.
3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dass der Abtastzeitpunkt, d.h. der Zeitpunkt jedes Abtastvorgangs, so gewählt ist, dass er entsprechend der Laufzeit der Laserpulse durch das Lasersystem (0) demjenigen Zeitpunkt entspricht, zu dem bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse (7) der Ausgangslaserpuls (1 1 ) jeweils am Ort des Detektors eintrifft.
4. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlersignaldetektor (16) zur Abtastung des Ausgangspulszuges einen optischen oder elektronischen Schalter (21 , 22) umfasst.
5. Lasersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Schalter (21 ) ein elektrooptischer Modulator oder ein akustooptischer Modulator oder ein Chopperrad ist.
6. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Ausgangslaserpuls (1 1 ) überlagerten Eingangslaserpulse (7) unterschiedlich polarisiert sind, wobei der Fehlersignaldetektor (16) einen Hänsch-Couillaud-Detektor umfasst.
7. Lasersystem mit
wenigstens einer Laserpulsquelle (1 ), die Eingangslaserpulse (7) bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz erzeugt,
wenigstens einem Kombinationselement (8, 10), das zwei oder mehr der Eingangslaserpulse (7) in jeweils einem Ausgangslaserpuls (1 1 ) überlagert und so einen Ausgangslaserpulszug erzeugt, wobei dem Kombinationselement (8, 10) wenigstens ein Phasenstellelement (14, 15) zugeordnet ist, das die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls (1 1 ) überlagerten Eingangslaserpulse (7) beeinflusst,
einem Fehlersignaldetektor (16), der aus dem Ausgangslaserpulszug ein Fehlersignal (18) ableitet, und
einem Regler (19), der aus dem Fehlersignal (18) ein Regelsignal (20) zur Ansteuerung des Phasenstellelementes (14, 15) bildet,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Fehlersignaldetektor (16) die momentane Leistung des Ausgangslaserpulszuges bewertet.
8. Lasersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlersignaldetektor (16) das Fehlersignal (18) nur bildet, wenn die momentane Leistung einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
9. Lasersystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (19) nur aktiv ist, wenn die momentane Leistung einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
10. Lasersystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert 50-95%, vorzugsweise 75% derjenigen Leistung entspricht, die bei phasenrichtiger Überlagerung der Eingangslaserpulse (7) im Ausgangslaserpulszug zu erwarten ist.
1 1 . Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlersignaldetektor (16) wenigstens eine Photodiode (17) umfasst, die die momentane Intensität des Ausgangslaserpulszuges detektiert.
12. Lasersystem nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Detektionsbandbreite der Photodiode (17) mindestens gleich der Eingangsrepetitionsfrequenz ist.
13. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinationselement (8, 10) ein optisches Interferometer umfasst.
14. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinationselement (8, 10) einen oder mehrere Strahlteiler (12, 12') aufweist, und zwar Polarisationsstrahlteiler (12) und/oder Intensitätsstrahlteiler (12'). 15. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenstellelement (14,
15) eine optische Verzögerungsstrecke aufweist, deren Länge nach Maßgabe des Regelsignals (20) einstellbar ist.
16. Lasersystem, nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulsquelle (1) Aufteilungselemente (4, 5) zur zeitlichen und räumlichen Aufteilung von Laserpulsen umfasst.
17. Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, mit den Verfahrensschritten:
Erzeugen von Eingangslaserpulsen (7) bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz,
Überlagern von zwei oder mehr Eingangslaserpulsen (7) in jeweils einem Ausgangslaserpuls (11), wodurch ein Ausgangslaserpulszug bei einer Ausgangsrepetitionsfrequenz erzeugt wird, wobei die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls (11 ) überlagerten Eingangslaserpulse (7) nach Maßgabe eines Regelsignals (20) eingestellt wird,
Ableitung eines Fehlersignals (18) aus dem Ausgangslaserpulszug, und
Bildung des Regelsignals (20) aus dem Fehlersignal (18), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Ausgangslaserpulszug zur Ableitung des Fehlersignals (18) periodisch mit der Ausgangsrepetitionsfrequenz abgetastet wird.
18. Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, mit den Verfahrensschritten:
Erzeugen von Eingangslaserpulsen (7) bei einer Eingangsrepetitionsfrequenz,
Überlagern von zwei oder mehr Eingangslaserpulsen (7) in jeweils einem Ausgangslaserpuls (11 ), wodurch ein Ausgangslaserpulszug erzeugt wird, wobei die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls (11) überlagerten Eingangslaserpulse (7) nach Maßgabe eines Regelsignals (20) eingestellt wird,
Ableitung eines Fehlersignals (18) aus dem Ausgangslaserpulszug, und
Bildung des Regelsignals (20) aus dem Fehlersignal (18), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die momentane Leistung des Ausgangslaserpulszuges bewertet wird, wobei die relative Phasenlage der in dem Ausgangslaserpuls (1 1 ) überlagerten Eingangslaserpulse (7) nach Maßgabe des Regelsignals (20) nur eingestellt wird, wenn die momentane Leistung einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
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