DE102020000999B4

DE102020000999B4 - Anordnung zur Pulskontrolle in Oszillator-Verstärker-Systemen mittels Dual- Oszillatoren

Info

Publication number: DE102020000999B4
Application number: DE102020000999.9A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-02-16
Filing date: 2020-02-16
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: DE102020000999A1

Abstract

Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems aus- einem Hauptoszillator (201) und einem dazugehörigen Hauptmodulator (231),- einem Hilfsoszillator (601) und einem dazugehörigen Hilfsmodulator (631), wobei der Hauptoszillator einen gepulsten Teilstrahl emittiert, dessen Pulsspitzleistung mindestens um einen Faktor 10 höher als die von einem Teilstrahl des Hilfsoszillators liegt,- einer Optikanordnung (77) zur koaxialen Überlagerung des Teilstrahls von dem Hauptoszillator und des Teilstrahls von dem Hilfsoszillator,- einem Verstärker (281), mit dem die Leistung und die Energie des überlagerten Strahls gesteigert wird,- einem zeitlichen Filter (233), der mindestens aus einem nichtlinearen Element besteht, wobei das nichtlineare Element den Strahl durch nichtlineare Effekte in Abhängigkeit der instantanen Intensität so beeinflusst, dass der Teilstrahl von dem Hauptoszillator und der Teilstrahl von dem Hilfsoszillator aufgrund verschiedener instantaner Intensität unterschiedliche Eigenschaften aufweist und der verstärkte Strahl gemäß instantaner Intensität in zwei Teilstrahlen (136, 138) unterschiedlicher zeitlicher Abfolge aufgeteilt werden kann.

Description

Oszillator-Leistungsverstärker werden zunehmend zur Erhöhung der Leistung bzw. Energie von Lasern u. a. von besonders leistungsfähigen kurzen und ultrakurzen Pulslasern verwendet, da die hohe erforderliche Leistung/Energie allein mit einem Oszillator nicht zu erreichen ist. Der Oszillator wird in den folgenden Beschreibungen als Seeder bezeichnet. Die am häufigsten verwendeten Seeder sind modegelockte oder gütegeschaltete Faserlaser, Festkörperlaser oder Diodenlaser. Solche Laser finden u. a. Anwendung in der Materialbearbeitung. Dabei sind neben Eigenschaften wie Pulslänge und Pulsenergie die Steuerbarkeit und Flexibilität der Pulse von zentraler Bedeutung. So müssen bei Materialbearbeitungsanlagen mit variabler Geschwindigkeit die Pulse sowohl mit der Anlage synchronisierbar als auch in der Pulswiederholrate und Pulsenergie einstellbar sein. Dabei sollen Laserparameter wie die Pulslänge und auch Strahlqualität konstant bleiben.
Die Pulsenergie und der Srahlparameter hängen von der Pulswiederholrate ab, da eine hohe Pulswiederholrate zu einer niedrigen Pulsenergie und zu einer erhöhten Extraktion/Sättigung der im Verstärkungsmedium gespeicherten Energie führt. Des Weiteren führt eine variierende Extraktion der gespeicherten Energie zu einer Variation der thermischen Linsen und damit der Strahlpropagationsparameter wie Srahlgröße und Strahldivergenz
Es ist essenziell, die Extraktion/Sättigung im Verstärkungsmedium, insbesondere im Verstärker, zeitlich gemittelt konstant zu halten. Für eine nominelle Pulffliederholrate ist die relevante Zeit konstante für die Mittelung annähernd gleich dem Kehrwert der nominellen Rilswiederholrate.
Ein typischer Aufbau eines Hochleistungs-ps-Lasers ist in dargestellt. Er besteht aus einem Seeder (201), einem Pulspicker (231), einem Verstärker (281), einem Modulator (233) und eventuell einer Frequenzkonversionseinheit (411). Der modegelockte Seeder hat eine Pulswiederholrate von einigen 10MHz. Eine typische Anwendung erfordert eine Wiederholrate um einige 100kHz. Der Pulspicker ist dazu da, die Pulswiederholrate von einigen 10MHz auf einige 100kHz zu reduzieren. Die kontinuierliche Pulsfolge mit einer konstanten Wiederholrate von einigen 100kHz läuft durch den nachgeschalteten Verstärker. Danach erhält man eine kontinuierliche Pulsfolge mit erhöhter Pulsenergie bei einer reduzierten Pulswiederholrate. Dabei ist es wichtig, dass die Pulsfolge kontinuierlich ist und eine konstante Wiederholrate hat, damit das Verstärkungsmedium zeitlich und räumlich konstant gesättigt wird und die Pulse weiterhin eine stabile Pulsenergie und ein konstantes Propagationsparameter haben. Für Anwendungen wird noch ein Modulator nachgeschaltet, um die Pulse bei Bedarf in der Wirkungszone freizuschalten bzw. aus der Wirkungszone fernzuhalten.
Bei einem ps-Laser mit sehr hoher Pulsenergie und/oder hoher mittlerer Leistung wird eine Verstärkeranordnung verwendet, die aus mehreren Verstärkern besteht. Die Verstärker werden hintereinander verwendet, um den erforderlichen hohen Verstärkungsfaktor zu erreichen.
Die Laseranordnung verhält sich zeitlich gesehen wie ein Master, läuft mit einer Pulswiederholrate durch und die Pulse können nicht extern getriggert werden. Das steht in Widerspruch zu vielen Anwendungen, wo die Pulse durch Prozessgegebenheiten/ProzBssereignisse getriggert und die Pulsenergie variiert werden müssen. Zusätzlich sollen dabei die Laserparameter wie Pulsenergie, Pulsbreite und Strahlausbreitungsparameter konstant bleiben. Strahlausbreitungsparameter sind u. a. die Ausbreitungsrichtung, die Divergenz und die Strahltaillenposition.
Druckschrift DE 10 2018 200 811 A1 beschreibt eine Anordnung zur Pulsenergiekontroolle eines Lasersystems. Es werden Opferlaserpulse, insbesondere von einer Fremdpulsquelle in den Pfad des Hauptoszillator eingekoppelt, um die Inversion im Verstärker so zu beeinflussen, dass Nutzlaserpulse mit frei einstellabrer und konstanter Pulsenergie erzeugt werden.
Druckschrift DE 10 2016 005 421 A1 beschreibt einen frei triggerbaren Master-Oszillator-Leistungsverstärker und ein Verfahren, wobei zur Pulsenergiekotrolle Konditionierungspulse verwendet werden. Zur Trennung der Nutzpulse und Konditionierungspulse werden ein Modulator hinter dem Verstärker verwendet werden. Aufgrund der hohen Energie der verstärkten Pulse muss der Modulator eine große Apertur haben. Das limitiert die erreichbare Pulswiederholrate.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Laseranordnungen anzugeben, mit denen konstante Laserparameter auch bei einer beliebig zeitlichen Abfolge von Pulsen erzielt werden können. Damit kann eine Laseranordnung mit einer Free-Trigger-Option realisiert werden. Des Weiteren soll die Pulsenergie nach externen Vorgaben eingestellt werden können.
Im Allgemeinen besteht ein Modulator aus einem ersten Bement, das die Strahleigenschaft wie Ausbreitungsrichtung oder Polarisation ändert, einem zweiten Element als Treiber und einem dritten Bement, das die Strahlen gemäß seinen Eigenschaften gruppiert, sortiert bzw. splittet. Im Folgenden wird das erste Element alsÄnderungselement und das dritte Element als Filterelement bezeichnet. Im Fall akustooptischer Modulatoren ist das erste Element eine akkustooptische Gitterzelle, das zweite Bement eine Hochfrequenzeinheit und das dritte Bement ein Raumfiiter/Beamdump. Im Fall elektrooptischer Modulatoren ist das erste Element eine Pockelzelle, das zweite Bement eine Hochspannungseinheit und dasdritte Bement ein Polarisationsstrahlteiler.
Die Lösung der Aufgabe besteht in der Verwendung von einem Hauptoszillator und einer dazu gehörigen Modulations-Anordnung, einem Hilfsoszillator und einer dazu gehörigen Modulations-Anordnung, wobei der Hauptoszillator einen gepulsten Strahl emittiert, dessen Pulsspitzleistung mindestens um einem Faktor 10 höher als die des Hilfsoszillators ist, einer Optikanordnung zur koaxialen Überlagerung der Strahlen des Hauptoszillators und des Hilfsoszillators. Des Weiteren wird ein Verstärker verwendet, mit dem die Leistung und die Energie des überlagerten Strahls gesteigert wird. Darüber hinaus wird ein zeitlicher Filter verwendet. Der zeitliche Filter besteht mindestens aus einem nichtlinearen Bement. Durch das nichtlineare Element wird der Strahl durch nichtlineare Effekte in Abhängigkeit der instantanen Intensität beeinflusst. Dadurch werden dem Teilstrahl des Hauptoszillators und dem Teilstrahl des Hilfsoszillators unterschiedliche Eigenschaften aufgeprägt. Somit wird der verstärkte Strahl gemäß instantaner Intensität in zwei Teilstrahlen unterschiedlicher zeitlicher Abfolge aufgeteilt.
Beispiele der nichtlinearen Effekte sind u. a. sättigbare Absorption, stimulierte Brillouin-Sreuung (SBS), stimulierte Raman-Streuung (SRS, Kerr-Lens-Effekt, Frequenzkonversion, etc. SBS und SRS können zur Bildung von Phasenkonjugationsspiegeln verwendet werden.
Durch das nichtlineare Bement wird der Strahl durch nichtlineare Effekte in Abhängigkeit der instantanen Intensität beeinflusst. Dadurch werden dem Teilstrahl des Hauptoszillators und dem Teilstrahl des Hilfsoszillators unterschiedliche Eigenschaften aufgeprägt. Somit wird der verstärkte Strahl gemäß instantaner Intensität in zwei Teilstrahlen unterschiedlicher zeitlicher Abfolge aufgeteilt.
Bei einem Ultrakurzpulslasersystem wird ein ps-Oszillator oder ein fs-Oszillator als Hauptoszillator verwendet. Als Hilfsoszillator (601) kann ein gepulster Oszillator verwendet werden, dessen Pulslänge erheblich länger als die des Hauptoszillators ist. Vorzugsweise wird ein cw-Oszillator als Hilfsoszillator verwendet. Dabei soll der cw-Oszillator eine kontinuierliche und stabile Leistung aufweisen. Ein Beispiel für cw-Oszillatoren konstanter und kontinuierlicher Leistung sind cw-Oszillatoren mit einer einzelnen longitudinalen Mode.
Die Pulse des Hauptoszillators werden gemäß externen Angaben mithilfe des Hauptmodulators ausgewählt. Die Stärke der Strahlung des Hilfsoszillator wird gemäß externen Angaben bestimmt und mittels des Hilfsmodulators eingestellt.
Die Optikanordnung zur koaxialen Überlagerung kann durch einen teiltransparenten Spiegel oder eine Anordnung von Verzögerungsplatten und Polarisatoren gebildet werden. Beispiele der nichtlinearen Effekte sind u. a. sättigbare Absorption, Kerr-Lens-Effekt, stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) stimulierte Raman-Streuung (SRS), Frequenzkonversion, etc. SBS und SRS können zur Bildung von Phasenkonjugationsspiegeln verwendet werden.
In dem Fall, dass ein sättigbarer Absorber verwendet wird, werden die verstärkten Pulse des Hauptoszillators aufgrund ihrer hohen Pulsspitzenleistung durchgelassen während der verstärkte Strahl des Hilfsoszillators aufgrund seiner geringen Spitzenleistung absorbiert wird.
Im Folgenden wird die Laseranordnung am Beispiel eines ps-Oszillator-Verstärker-Systems, das aus einem Hauptoszillator mit ps-Pulsdauer und einem Hilfsoszillator, der konstante und kontinuierliche Srahlung emittiert, erläutert.
zeigt ein Ausführungsbeispiel. Das ps-Lasersystem besteht aus einem Hauptoszillator (201) und einer dazu gehörigen Modulations-Anordnung (231), wobei der Hauptoszillator ps-Laserpulse generiert und der Hauptmodulator die ps-Laserpulse gemäß einer externen Vorgabe auswählt, einem Hilfsoszillator (601) und einer dazu gehörigen Modulations-Anordnung (631), wobei der Hauptoszillator einen gepulsten Strahl emittiert, dessen Pulsspitzleistung mindestens um einem Faktor 10 höher alsdie des Hilfsoszillators ist, einer Optikanordnung (77) zur koaxialen Überlagerung der Strahlen des Hauptoszillators und des Hilfsoszillators, wobei die Optikanordnung (77) aus einem Umlenkspiegel (701) und einem teiltransmittierenden Spiegel (702) besteht. Des Weiteren wird ein Verstärker (281) verwendet, mit dem die Leistung und die Energie des überlagerten Strahls gesteigert wird. Darüber hinaus wird ein zeitlicher Filter (233) verwendet, wobei der zeitliche Filter mindestens aus einem nichtlinearen Element besteht und der den Strahl aufgrund der unterschiedlichen instantanen Intensität in zwei Teilstrahlen aufteilt, wobei ein Teilstrahl (138) aus den Pulsen des Hauptoszillators besteht und der andere Teilstrahl (136) die verstärkte Leistung des Hilfsoszillators enthält.
Bei den eingesetzten Modulatoren wird zwischen akustooptischen und elektrooptischen Modulatoren unterschieden. Erstere (vgl. ) bestehen meist aus einer akustooptischen Gtterzelle, einem HF-Treiber und einem Raumfilter/Beamdump während letztere (vgl. ) aus einer Pockelzelle, einem HV-Treiber und einem Polarisationsstrahlteiler zusammengesetzt sind.
Es wird vorausgesetzt, dass die Oszillator-Verstärker-Anordnung konstant und kontinuierlich gepumpt wird. Die Funktionsweise der Oszillator-Verstärker-Anordnung kann anhand beispielhafter Ausführungen und mit einem Ultrakurzpulslaser wie folgt erläutert werden.
Zur vereinfachten Erläuterung sind in mehrere Fotodioden (PD1, PD2,...PD9) an verschiedenen Positionen wie hinter dem Hauptoszillator, hinter dem Hauptmodulator, usw. eingezeichnet. zeigt die periodischen Pulse (PD1) des Hauptoszillators. Die typische Pulsfrequenz beträgt einige 10MHz. zeigt die konstante und kontinuierliche Leistung (PD21) descw-Hilfsoszillators. Das ps-Lasersystem sollte eine nominale Pulswiederholrate f_nom haben. Die Zeitspanne zur nominalen Pulswiederholrate beträgt $τ_{n o m} = \frac{1}{f_{n o m}} .$
zeigt die Triggerung T1, T2, ..T6 gemäß einer externen Vorgabe. Die zeitlichen Abstände zwischen den benachbarten Triggern sind nicht konstant. Es gibt drei Situationen: T4 - T3 > τ_nom, T4 - T3 = τ_nom und T4 - T3 < τ_NOM. Beispielsweise beim Triggerpuls T_n führt der Treiber des Hauptmodulators die folgenden Aktionen aus (vgl. , und :

1. Bei den Anstiegsflanken der Triggerpulse schaltet der Treiber des Hauptmodulators vorzugsweise bei den Zeitpunkten T1, T2, T3, T4, .. Tn auf einem Nullzustand um, so dass keine Pulse vom Hauptoszillator durchgelassen werden. Gleichzeitig schaltet der Treiber des Hilfsmodulators auf einen Nullzustand, sodass ebenfalls keine Leistung vom Hilfsoszillator durchgelassen wird. In Summe durchläuft kein Strahl den Verstärker und die Inversion/Verstärkung im Verstärkermedium baut sich auf.
2. Nach einer Aufbauzeit von Tn2-Tn1 schaltet der Treiber des Hauptmodulators für eine kurze Zeitpanne (Tn3-Tn2) auf den Durchlasszustand um, so dass ein Nutzpuls p_n oder ein Nutzpulsburst (vgl. mit einer möglichst hohen Amplitude zur Verstärkung durchgelassen wird. Der Treiber des Hilfsmodulators bleibt im Nullzustand, so dass die Pulsenergie des Nutzpulses P_n maximal wird. Die Anzahl der Pulse eines Nutzpulsbursts kann durch die Zeitspanne Tn3-Tn2 in Relation zu Ts = 1/f_s (f_s ist die Pulswiederholrate des Seeders) nach einer Vorgabe angesteuert werden.
3. In dem Fall, dass T_n-T(n-1) > 1/f_nom gilt, bleibt der Treiber des Hauptmodulators im Nullzustand (Vergl. ), während der Treiber des Hilfsmodulators nach kurzer Zeit (Tn4-T(n-1)3) auf einen definierten Durchlasszustand übergeht und dort bleibt bis der nächste Triggerpuls kommt (vergl. . Damit lässt der Hilfsmodulator eine Konditionierungsstrahlleistung b_n mit einer vordefinierten und geringen Amplitude durch (vgl. , um die Inversion (81 in und somit die Verstärkung des Lasermediums für konstante Laserparameter einzustellen.
4. Wenn T_n-T(n-1) = 1/f_nom ist, bleiben der Treiber des Hauptmodulators und des Hilfsmodulators auf dem Grundzustand, so dass eine Verstärkung für den n-ten Nutzpuls oder Nutzpulsburst aufgebaut wird.
5. Wenn der Folgende Triggerpuls schneller als die nominale Pulswiederholrate kommt, nämlich T_n-T(n-1) <= 1/f_nom, wechselt der Treiber des Hauptmodulators bei der Anstiegsflanke kurz auf den Durchlasszustand. Gleichzeitig bleibt der Treiber des Hilfsmodulators im Nullzustand, um einen Nutzpuls oder Nutzpulsburst freizugeben. In diesem Fall wird die folgende Pulsenergie aufgrund kürzerer Aufbauzeit der Inversion niedriger.

Nach dem Erhalt des nächsten Triggerpulses ((n+1)-ten Puls) fängt der Prozess wieder von neuem an.
Die Pulszüge, die von den Fotodioden detektiert werden, sind in bis dargestellt. Konkret zeigt den Pulszug von PD1, den Pulszug von PD21, den Pulszug von PD2, den Pulszug von PD22, den Pulszug von FD33, den Pulszug von FD34, den Pulszug von PD45 und den Pulszug von PD9. Der Pulszug PD9 ist der Pulszug gemäß einer externen Vorgabe über die Triggerung in .
Durch den oben beschriebenen Aufbau und das oben beschriebene Vorgehen wird gewährleistet, dass die Energien der Nutzpulse oder Nutzpulsburst P1, P2, ..Pn), annährungsweise gleich groß sind und die im Lasermedium gespeicherte Leistung gemittelt betrachtet konstant extrahiert wird. Damit bleibt der thermische Zustand im Lasermedium konstant und so wird der Srahlausbreitungsparameter zeitlich stabil. Dadurch ist die Aufgabe dieser vorliegenden Erfindung in erster Näherung gelöst.
Wie in dargestellt, können die Pulse des Hauptoszillator und die Konditionierungsleistung vom Hilfsoszillator mit einem Umlenkspiegel (701) und einem teiltransmissiven Spiegel (702) koaxial überlagert werden.
zeigt eine weitere Ausführung zur koaxialen Überlagerung der Strahlen des Hauptoszillators und des Hilfsoszillators. Dabei werden die beiden Strahlen durch einen Polarisator (706) koaxial überlagert. Für Verstärkungsmedien wie Nd:YAG und Yb:YAG, deren Verstärkung unabhängig von Polarisation ist, stellt diese Anordnung zur Überlagerung die effizienteste Anordnung dar. Für Verstärkungsmedien wie Nd:YVO4, deren Verstärkung von der Polarisation abhängt, können eine Verzögerungsplatte (703) und ein Polarisator (706) verwendet werden. Damit wird gewährleistet, dass die Nutzpulse und die Konditionierungsleistung nicht nur koaxial sind, sondern auch die gleiche lineare Polarisation besitzen.
Nach der Verstärker-Anordnung ergeben sich die verstärken Konditionierungsleistungen (B1, B2...in und in ) und die verstärkten Nutzpulse (P1, F2...in und in ), die in Leistung bzw. Pulsenergie skaliert worden sind. Obwohl die Spitzenleistung der Konditionierungsleistungen B1, B2, ..Bn erheblich geringer sind als die der Pulsenergie der gewünschten Pulse Q1, Q2, .. Qn sind die Konditionierungsleistungen für viele Anwendungen störend und müssen deshalb herausgefiltert werden.
Um die Nutzpulse von der Konditionierungsleistung zu separieren, wird hinter der Verstärkeranordnung ein zeitlicher Filter angeordnet. Ein zeitlicher Filter besteht mindestens aus einem nichtlinearen Medium. In dem nichtlinearen Medium wird ein Laserstrahl in Abhängigkeit der instantanen Feldstärke/Intensität beeinflusst. Da die Spitzenintensitäten der Nutzpulse und der Konditionierungsleistung einen großen Unterschied aufweisen, weisen die Nutzpulse und die Konditionierungsleistung nach Durchlauf des nichtlinearen Mediums unterschiedliche Egenschaften in Bezug auf Leistung, Propagationssrichtung, Divergenz, Wellenlänge usw. auf. Somit können die Nutzpulse und die Konditionierungsleistung getrennt werden. In Summe wirkt das nichtlineare Medium und das danach folgende Trennungsmittel wie ein Zeitfilter.
Durch das nichtlineare Bement wird der Strahl durch nichtlineare Effekte in Abhängigkeit der instantanen Intensität beeinflusst. Dadurch werden dem Teilstrahl des Hauptoszillators und dem Teilstrahl des Hilfsoszillator unterschiedliche Egenschaften aufgeprägt. Somit wird der verstärkte Strahl gemäß instantaner Intensität in zwei Teilstrahlen unterschiedlicher zeitlicher Abfolge aufgeteilt.
Ein Beispiel des zeitlichen Filters zeigt . Die verstärkten und linear polarisierten Nutzpulse P1, P2, ... P5 und die Konditionierungsleistung B1, B2, .. B5 sind durch den Polarisator (706) in eine Zelle mit einem nichtlinearen Medium eingekoppelt. Die hohe Spitzenintensität der Nutzpulse führt zur instantanen Phasenkonjugation, so dass die Nutzpulse zu einem großen Teil zurück reflektiert werden. (704) symbolisiert eine lambda/4 Verzögerungsplatte. Nach einem Zweifachdurchgang wird die Polarisation um 90° gedreht, so dass die reflektierten Nutzpulse Q1, Q2, .. Q5 von dem Polarisator (706) reflektiert und von den Eingangs-Nutzpulsen getrennt (vgl. .
Anstelle der lambda/4 Verzögerungsplatte kann zur Auskopplung der reflektierten Nutzpulse eine optische Anordnung unter Verwendung eines Faraday-Rotators erreicht werden.
Da die Konditionierungsleistung B1, B2, .. B5 nur sehr gering Intensität hat, entsteht keine nennenswerte Phasenkonjugation und somit keine nennenswerte Reflexion. Aus diesem Grund messt der Fotodiode PD45 Konditionierungsleistung C1, C2, .. C5, die fast die gleiche Amplitude wie die von B1, B2, .. B3 haben (vgl. . Se laufen durch das nichtlineare Medium und wird mit einem Absorber (505) vernichtet. Die s1, s2, .. s5 symbolisieren die nicht vollständig reflektierten Nutzpulse und stellen den Verlust dar.
E1, e2, .. e5 symbolisieren den sehr geringen Anteil der vom nichtlinearen Medium reflektierten Konditionierungsleistung.
In ist ein zeitlicher Filter dargestellt. Dabei wird der Kerr-Lens-Effekt in einem nichtlinearen Medium (263) genutzt. Aufgrund der hohen instantanen Spitzenintensität der Nutzpulse entsteht an dieser Stelle in dem nichtlinearen Medium eine Kerr-Linse für die Nutzpulse, während die geringe instantane Intensität der Konditionierungsleistung lediglich einen vernachlässigbaren Kerr-Lens-Effekt hervorruft. Infolgedessen erfahren die Nutzpulse P1, P2, .. P5 nach Durchlaufen des nichtlinearen Mediums eine Fokussierung durch die selberzeugte Kerr-Linse, die Konditionierungsleistung B1, B2, .. B5 jedoch nicht. Werden die Nutzpulse und die Konditionierungsleistung mit einer Linse fokussiert, so liegen der Fokus der Nutzpulse und der Fokus der Konditionierungsleistung nicht an der gleichen axialen Position. Wird z. B. eine Blende (503) an der Fokusstelle der Nutzpulse angeordnet, so laufen die Nutzpulse P1, P2, .. P5 durch die Öffnung der Blende zu Pulsen Q1, Q2, .. Q5, während die Konditionierungsleistungen B1, B2, .. B3 zu C1, C2, ...C5 reflektiert werden und von dem Absorber (505) vernichtet werden (Vgl. , und .
Die oben diskutierte Anordnung mit Kerr-Linse und Raumfilter kann wiederholt verwendet werden, um die Reinheit der Nutzpulse zu erhöhen und eine Beeinträchtigung der Strahlqualität der Nutzpulse zu vermeiden. Eine kompakte Realisierung kann erreicht werden, indem eine Multipass-Zelle (266) verwendet wird (vgl. ). In der Multipass-Zelle wird mindestens ein nichtlineares Medium für den Kerr-Lens-Effekt angeordnet.
Ein Beispiel von kompakten Multipass-Zellen ist die sogenannte Herriott-Zelle. Wie in dargestellt ist, besteht eine beispielhafte Herriott-Zelle aus zwei sphärischen Spiegeln (771) und (772). Die beiden kleinen Kantenspiegel (781) und (782) dienen zur Ein- und Auskopplung der Pulse und der Konditionierungsleistungen. Zwischen den beiden sphärischen Spiegeln befindet sich ein nichtlineares Medium mit Kerr-Lens-Effekt.
zeigt eine beispielhafte Ausführung der sogenannten White-Zelle. Se besteht aus drei sphärischen Spiegeln (776), (777) und (778). Zwischen Spiegeln liegt ein nichtlineares Medium (268). Die Multipasses befinden sich in einer Ebene. Eine zu hohe Intensität kann zur Beschädigung von Optiken führen. Um die instantane Intensität und somit die handhabbare Pulsenergie zu skalieren, können zylindrische Spiegel anstelle sphärischer Spiegel verwendet werden.
Ein weiterer nichtlinearer Effekt stellt die Frequenzkonversion dar. Dabei handelt es sich um Frequenzverdopplung, Summ- und Differenzfrequenzerzeugung, optische parametrische Generation (OPG) von neuen Wellenlängen. zeigt eine beispielhafte Ausführung eines zeitlichen Riters, der auf nichtlinearer Frequenzkonversion basiert. Dabei handelt es sich bei dem Frequenzkonverter (366) um einen nichtlinearen Kristall. Da die Leistung der Frequenzkonversion quadratisch proportional zu der instantanen Intensität des Strahls ist, werden die Nutzpulse mit hoher Pulsspitzenleistung effizient konvertiert, während die Konversion der Konditionierungsleistung vernachlässigbar ist. Der Riegel (708) ist dichroitisch und ist z.B. so beschaffen, dass die Nutzpulse mit konvertierter Wellenlänge umgelenkt und die nicht frequenzkonvertierte Konditionierungsleistung durchgelassen werden. Somit wird eine Separation der Nutzpulse von der Konditionierungsleistung erzielt.
Bei Lasern wie Diodenlasern mit extrem hoher Verstärkung kann man die Leistung bzw. Pulsenergie beispielsweise über den Diodenstrom sehr schnell ansteuern. Solche Laser sind in der Lage, Pulse mit fast beliebiger Abfolge zu generieren und können auch als Seeder verwendet werden. So einen Aufbau zeigt . Um eine Pulsfolge mit konstanten Laserparametern hinter dem Verstärker zu erzielen, wird der Diodenstrom analog zu dem Pulspicker so angesteuert, dassder Diodenlaser neben den gewünschten Pulsen (61) auch Konditionierungsleistung (63) emittiert (vgl. . In den Zeitfenstern (65) emittiert der Diodenlaser keine Leistung, damit die Verstärkung im Lasermedium für nachfolgende Pulse aufgebaut wird.
zeigt den zeitlichen Verlauf der Inversion bzw. Verstärkung (81) im Verstärkermedium. Es ist ersichtlich, dass durch die oben diskutierte Ansteuerung des Diodenlasers das Verstärkermedium für jeden Puls die gleiche Ausgangsinversion bzw. Ausgangs-Verstärkung aufweist. Wie in dargestellt ist, können dadurch verstärkte Pulse (91) mit identischen Laserparametern wie der Pulsenergie (91) generiert werden.
Wie bei ps-Lasersystemen kann die Konditionierungsleistung (93) nach dem Verstärker unter Verwendung eines zeitlichen Filters weggeschnitten und die Nutzpulse (91) zur Verwendung durchgelassen werden.
Für viele Anwendungen muss die Energie der Nutzpulse einstellbar sein. Die Einstellung der Energie der Nutzpulse kann über die Einstellung der Konditionierungsleistung des Hilfsoszillators erreicht werden. Dabei wird der Verstärker konstant gepumpt. Um die thermooptischen Eigenschaften des Verstärkers konstant zu halten wird die gesamte extrahierte Leistung durch die Nutzpulse und die Konditionierungsleistung konstant gehalten. Sollen die Nutzpulse weniger Leistung enthalten, so muss mehr Leistung durch die Konditionierungsleistung aus dem Verstärker extrahiert werden. Darüber hinaus ist die extrahierbare Leistung aus dem Verstärker begrenzt. In Umkehrschluss kann die Leistung und die Energie der Nutzpulse durch die Einstellung bzw. Modulation der Konditionierungsleistung eingestellt bzw. moduliert werden.
zeigt eine Trigger-Abfolge. Zu jedem Trigger wird einen Nutzpuls ausgepickt. Zur Einstellung der Pulsenergie hinter dem Verstärker wird bei dem Treiber des Hilfsmodulatorsein Bas-Niveau eingestellt (vgl. . Durch das Bas-Niveau wird eine kontinuierliche Konditionierungsleistung b₀ eraeugt (vgl. . Die kontinuierliche Konditionierungsleistung b0 wird zur Konditionierungsleistung B0 verstärkt (vgl. ) und führt zu einer Reduktion der Inversion im Verstärker. Dadurch wird die erreichbare Energie der Nutzpulse (P1, P2, ... P5 in ) verringert. Auf diese Weise kann die Energie der Nutzpulse eingestellt werden. Darüber hinaus kann das Bias-Niveau nach einer Vorgabe moduliert werden und so die Energie der Nutzpulse eingestellt werden.

Claims

Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems aus - einem Hauptoszillator (201) und einem dazugehörigen Hauptmodulator (231), - einem Hilfsoszillator (601) und einem dazugehörigen Hilfsmodulator (631), wobei der Hauptoszillator einen gepulsten Teilstrahl emittiert, dessen Pulsspitzleistung mindestens um einen Faktor 10 höher als die von einem Teilstrahl des Hilfsoszillators liegt, - einer Optikanordnung (77) zur koaxialen Überlagerung des Teilstrahls von dem Hauptoszillator und des Teilstrahls von dem Hilfsoszillator, - einem Verstärker (281), mit dem die Leistung und die Energie des überlagerten Strahls gesteigert wird, - einem zeitlichen Filter (233), der mindestens aus einem nichtlinearen Element besteht, wobei das nichtlineare Element den Strahl durch nichtlineare Effekte in Abhängigkeit der instantanen Intensität so beeinflusst, dass der Teilstrahl von dem Hauptoszillator und der Teilstrahl von dem Hilfsoszillator aufgrund verschiedener instantaner Intensität unterschiedliche Eigenschaften aufweist und der verstärkte Strahl gemäß instantaner Intensität in zwei Teilstrahlen (136, 138) unterschiedlicher zeitlicher Abfolge aufgeteilt werden kann.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptoszillator ein Kurzpulsoszillator, ein ps- oder ein fs-Oszillator ist und der Hilfsoszillator ein Oszillator mit konstanter und kontinuierlicher Leistung ist.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Leistung des Hauptoszillators und des Hilfsoszillators vergleichbar ist.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikanordnung aus einem Umlenkspiegel (701) und einem teiltransmittierenden Spiegel (702) besteht.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikanordnung aus einem Umlenkspiegel (701) und einem Polarisationsstrahlteiler (706) besteht.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Anstiegsflanken der Triggerpulse der Treiber des Hauptmodulators, vorzugsweise bei den Zeitpunkten T1, T2, T3, T4, ...Tn, auf einen Nullzustand umschaltet, so dass keine Pulse vom Hauptoszillator durchgelassen werden, wobei gleichzeitig der Treiber des Hilfsmodulator auf einem Nullzustand umschaltet, sodass ebenfalls keine Leistung vom Hilfsoszillator durchgelassen wird, sodass kein Strahl durch den Verstärker läuft und die Inversion im Verstärkermedium sich aufbaut, wobei nach einer Aufbauzeit von Tn2-Tn1 der Treiber des Hauptmodulators für eine kurze Zeitpanne (Tn3-Tn2) auf den Durchlasszustand umschaltet, so dass ein Nutzpuls (pn) oder ein Nutzpulsburst mit einer möglichst hohen Amplitude zur Verstärkung durchgelassen wird, wobei der Treiber des Hilfsmodulators bei dem Nullzustand bleibt, so dass die Pulsenergie des Nutzpulses (Pn) maximal wird, wobei die Anzahl der Pulse von einem Nutzpulsburst durch die Zeitspanne Tn3-Tn2 in Relation zu Ts = 1/fs bestimmt wird, wobei fs die Pulswiederholrate des Hauptoszillators ist, wobei für den Fall, dass Tn-T(n-1) > 1/f_nom gilt, der Treiber des Hauptmodulators auf Nullzustand bleibt, wobei fnom die nominale Pulswiederholrate des Lasersystems ist, während der Treiber des Hilfsmodulators nach kurzer Zeit (Tn4-T(n-1)3) auf einen definierten Durchlasszustand übergeht und dort bis der nächste Triggerpuls kommt bleibt, sodass der Hilfsmodulator eine Konditionierungsstrahlleistung (bn) mit einer vordefinierten und geringen Amplitude durchlässt, um die Inversion und somit die Verstärkung des Lasermediums für konstante Laserparameter einzustellen, wobei, wenn T_n-T(n-1) = 1/f_nom ist, der Treiber des Hauptmodulators und des Hilfsmodulators auf dem Nullzustand bleibt, so dass eine Verstärkung für den n-ten Nutzpuls oder Nutzpulsburst aufgebaut wird, wobei wenn der folgende Triggerpuls schneller als die nominale Pulswiederholrate kommt, nämlich T_n-T(n-1) <= 1/fnom, der Treiber des Hauptmodulators bei der Anstiegsflanke kurz auf den Durchlasszustand wechselt und gleichzeitig der Treiber des Hilfsmodulators auf dem Nullzustand bleibt, um einen Nutzpuls oder Nutzpulsburst freizugeben.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, um die Nutzpulse von den Konditionierungspulsen Konditionierungsleistung zu separieren, hinter der Verstärkeranordnung ein zeitlicher Filter angeordnet ist, wobei ein zeitlicher Filter mindestens aus einem nichtlinearen Medium besteht, wobei in dem nichtlinearen Medium die Eigenschaften wie Leistung, oder/und Propagationssrichtung, oder/und Divergenz, oder/und Wellenlänge eines Laserstrahls in Abhängigkeit der instantanen Feldstärke beeinflusst wird, sodass aufgrund des großen Unterschieds der Spitzenintensitäten der Nutzpulse und der Konditionierungspulse die Nutzpulse und die Konditionierungspulse nach Durchgang durch das nichtlineare Medium unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wobei eine Optikanordnung verwendet wird, mit der die Nutzpulse und die Konditionierungspulse gemäß deren Eigenschaften getrennt werden.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Filter aus einem Phasenkonjugationsspiegel (261), einem Polarisationsstrahlteiler (706) und einer lambda/4-Verzögerunsplatte besteht.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenkonjugationsspiegel (261) durch eine SBS- oder SRS-Zelle gebildet wird.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Filter durch eine Kerr-Linse und einen Raumfilter (503) gebildet wird, wobei die intensitätsabhängige Kerr-Linse zur unterschiedlichen Krümmung der Phasenfronten der Nutzpulse und der Konditionierungspulse führt, wobei die Nutzpulse durch die Öffnung des Raumfilters laufen, wobei die Konditionierungspulse von dem Filter reflektiert werden.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Filter aus Kerr-Linse und Raumfilter kaskadierend verwendet wird, um die Reinheit der Nutzpulse zu erhöhen und eine Verringerung der Strahlqualität der Nutzpulse zu vermeiden.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine kompakte Realisierung der Kaskadierung von Kerr-Linse und Raumfilter erreicht werden kann, indem eine Multipass-Zelle (266) mit mindesten einem Kerr-Linsen-Medium und eine Raumfilteranordnung verwendet wird.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Multipass-Zelle (266) eine Herriott's Multipass-Zelle verwendet wird, wobei ein Kerr-Linsen-Medium (268) in der Zelle angeordnet wird.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Multipass-Zelle (266) eine White's Multipass-Zelle verwendet wird, wobei ein Kerr-Linsen-Medium (268) in der Zelle angeordnet wird.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Filter durch eine Frequenzkonversionseinheit (366) realisiert wird, wobei die Frequenzkonversionseinheit aus einem nichtlinearen Medium zur Frequenzverdopplung, Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung oder optischen parameterischen Generation (OPG) von neuen Wellenlängen, und einem dichroitischen Filter (708) besteht, wobei der dichroitische Filter ein dichroitischer Spiegel ist, der z. B. so beschaffen ist, dass die Nutzpulse mit konvertierter Wellenlänge umgelenkt und die Konditionierungspulse ohne Frequenzkonversion durchgelassen werden.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Energie der Nutzpulse durch die Einstellung der Konditionierungspulse von dem Hilfsoszillator erreicht wird, wobei bei dem Treiber des Hilfsmodulators ein Bias-Niveau einstellt wird, wobei durch das Bias-Niveau ein kontinuierlicher Konditionierungspuls (b0) erzeugt wird, wobei das Bias-Niveau gemäß der Vorgabe der Nutzpulse auf eine Weise bestimmt wird, dass der kontinuierliche Konditionierungspuls (b0) zu einem Konditionierungspuls (BO) verstärkt wird und die Inversion des Verstärkers so konditioniert, dass die Nutzpulse zu einer gewünschten Pulsenergie verstärkt werden und die gesamte Leistung der verstärkten Nutzpulse und verstärkten Konditionierungspulse annäherungsweise konstant wird.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bias-Niveau nach einer Vorgabe moduliert wird, um die Energie der Nutzpulse zu modulieren, wobei die gesamte extrahierte Leistung aus dem Verstärker durch die Nutzpulse und die Konditionierungspulse annäherungsweise konstant ist.
Anordnung zur Energiekontrolle von schnell wiederkehrenden Pulsen eines Lasersystems nach dem Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptoszillator und der dazugehörige Modulator und der Hilfsoszillator und der dazugehörige Modulator in einem Diodenlaser integriert sind, wobei die Nutzpulse und die Konditionierungspulse durch die Ansteuerung des Treiberstroms erzeugt werden.