WO2001047075A1 - Modengekoppelter laser - Google Patents

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WO2001047075A1
WO2001047075A1 PCT/EP2000/013138 EP0013138W WO0147075A1 WO 2001047075 A1 WO2001047075 A1 WO 2001047075A1 EP 0013138 W EP0013138 W EP 0013138W WO 0147075 A1 WO0147075 A1 WO 0147075A1
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WO
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laser
changing
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variable
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PCT/EP2000/013138
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Franz Xaver KÄRTNER
Uwe Morgner
Thomas Richard Schibli
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Universität Karlsruhe
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Publication date
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H01S3/1118—Semiconductor saturable absorbers, e.g. semiconductor saturable absorber mirrors [SESAMs]; Solid-state saturable absorbers, e.g. carbon nanotube [CNT] based
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    • H01S3/1312—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping

Definitions

  • pulsed laser operation can occur. Such a macro pulse occurs at the earliest when sufficient energy can be retrieved from the gain medium.
  • mode coupling in which it is ensured that when a first of the resonator modes begins to build up, this is also the case with others.
  • an element can be provided in the resonator, which absorbs or reflects to different extents depending on the strength of the incident light.
  • a known element of this type is a so-called saturable semiconductor absorber mirror, cf. U. Keller, KJ Weingarten, FX Kärtner, D. Kopf, B. Braun, ID Jung, R. Fluck, C. Höninger, N. Matuschek and J.
  • Switching instabilities In particular, there is a very strong fluctuation in the average laser power. Such faults can occur under certain operating conditions, e.g. at certain pump capacities.
  • the fluctuation typically has frequencies in the range between 10 kHz and a few megahertz.
  • the fluctuations can also occur non-periodically, but irregularly, which is particularly disturbing.
  • the short-term very strong intensities in the resonator can also destroy the internal or other components of the resonator or shorten their lifespan.
  • the proposed absorption processes limit the maximum achievable pulse energy:
  • the absorbers are exposed to very heavy loads and the service life is limited by the strong saturation that occurs, which is associated with the deposition of large amounts of material ,
  • the object of the present invention is to provide something new for commercial use.
  • a laser with a coupling-out means for the emission of a laser power dependent on at least one parameter that can be influenced and a mode-coupling means for coupling a plurality of the laser-capable modes of the resonator that a detection means for detecting a laser power , in particular related to the emitted laser power, and a parameter changing means for changing the at least one parameter in response to the detected size is provided.
  • the invention allows higher repetition rates than before.
  • pulse energies in continuously mode-locked operation can be chosen higher than before, since the beam cross sections in the amplification medium and / or on the saturable absorber can be chosen larger without fear of undesired Q-switching.
  • Stabilization of the laser power can also be achieved if instead of a counter-acting parameter change
  • the parameter is changed along with feedback, can achieve a targeted destabilization. It should be mentioned that changing the parameter can also be used to bring about a mode coupling process by supplying the parameter changing means with a suitable trigger pulse.
  • the latter is advantageous in particular for reinforcing Q-switch instability.
  • This targeted influencing of the Q-switch instability can be used in order to emit the large pulses that can be generated by Q-switch at certain times. In this way, a stable repetition rate can be obtained with the aid of an approximately crystal-stabilized signal generator.
  • the generator signals and the detected variable representative of the laser power are preferably added together. Much higher pulse energies and / or repetition rates can be achieved than usual.
  • the or one of the parameters influencing the output laser power is the pump power.
  • the parameter influencing, in particular of the control can be implemented particularly simply and by means of essentially purely electronic changes to conventional laser systems. This variant is therefore particularly easy to implement, in particular in the case of diode-pumped laser systems, because only the pump current fed to the laser pump diodes has to be changed here.
  • loss modulation can take place, i.e. a loss modulator is provided within the resonator and its loss is changed in response to the detected quantity.
  • the parameter changing means is designed to change the parameter in such a way that
  • the regulation can take place in such a way that the parameter changing means equalizes the output power averaged over at least one resonator cycle time.
  • the control works comparatively slowly, in particular slowly compared to the resonator cycle time, for example because a slow and thus quasi-integrating photo element is used to record the quantity related to the laser power.
  • a means is then provided for integrating and / or averaging rapid variations in the size related to the laser power, the parameter changing means then being designed to change the parameter in response to the averaged and / or integrated size.
  • the parameter can be changed in various ways in response to the deviation of the detected variable from a target variable.
  • linear changes corresponding to the deviation are possible; alternatively, PID-proportional, integral and / or differential) behavior can be realized and / or a non-linear change can be achieved.
  • the mode coupling takes place passively, for example via a power-dependent absorbing and / or reflective element in the resonator.
  • an at least partially saturable absorber can be provided, for example.
  • the resonator has an internal frequency doubler and / or that a loss modulator is provided, the loss of which is the or one of the changeable parameters.
  • a loss modulator can in particular be mechanically, acoustically, optically and / or electro-optically modulatable.
  • the provision of a loss modulator is particularly preferred in those laser systems in which the pump power cannot be varied in a particularly simple manner.
  • the laser can be a system which exhibits a "spiking behavior" without changing the at least one parameter in response to the detected variable and / or which is designed for "cavity dumping".
  • 9 1 shows a laser arrangement according to the invention
  • a laser 1, generally designated 1 comprises a resonator formed by mirrors 2, 3, 4 and an amplification medium 5, which is pumped by a pumping means 6.
  • the laser 1 further comprises a detection means 7 for detecting a variable related to the laser power and a parameter changing means 8 for changing at least one parameter influencing the laser power as a function of the variable relating to the laser power.
  • the mirror 2 is applied to the amplification medium 5 as a reflective coating which is partially transparent to the laser light with approximately 2% and transparent to the pump light from the pumping means 6 and thus serves as an output coupler, via which a portion of the light waves building up in the resonator are coupled out and their use can be supplied.
  • the mirror 3 is a spherical dielectric mirror. This mirror has a reflection of about 99.9%.
  • the spherical curvature of the dielectric mirror 3 is chosen so that stable resonator modes can form.
  • the end mirror 4 is a saturable absorber mirror, which serves to lock the mode.
  • the round trip time through the resonator is about 10ns.
  • the gain medium 5 is formed by an Nd: YV04 ⁇ crystal.
  • the fluorescence lifetime of the laser crystal is approximately 100 ⁇ s.
  • the pumping means 6 comprises a number of (semiconductor laser
  • pump diodes 6a which are designed to radiate light through a focusing lens 6b, a dichroic plate 6c and the coupling mirror 2 focused on the Nd: YV ⁇ 4 crystal forming the gain medium 5.
  • the dichroic plate 6c is at an angle in the beam and is selected so that the pump light passes through and the laser light is reflected.
  • a photodetector 7 is now provided as the detection means 7 for the laser power present in the resonator, onto which part of the small amount of light passing through the dielectric mirror is irradiated.
  • the output signal from the photodetector 7 is fed to a signal conditioning unit via a switch 9 used for experimental purposes.
  • this comprises a signal amplifier 8a, the output of which is led to a PID element 8b in order to output a parameter change signal, which is one of the signals, in response to a deviation of the signal amplified by the signal amplifier 8a from a desired variable which is also fed to the PID element 8b Deviation proportional, one that
  • Integrating deviation and a proportion corresponding to a temporal change in the deviation comprises.
  • the output signal from the PID element 8b is fed to an adder 8c, where it is added to a desired manipulated variable which is representative of a set pump current.
  • the output signal from the adder 8c is applied to one
  • the laser of the present invention operates as follows:
  • a desired pump current is set and the emitted laser power is measured in the outcoupled beam. If the pump current is varied, very large variations result in certain areas of the pump current, as shown by FIG. 2 a.
  • the switch 9 is closed, so that the laser light power is stabilized by changing the pump current with a closed control loop. Again, the emitted laser power is measured in the outcoupled beam.
  • the curve of FIG. 2b results. In all areas this shows a substantially smaller width than the curve of FIG. 2a, which means that the emitted laser light is emitted essentially uniformly and without short-term fluctuations.
  • a laser output power which is at least substantially constant over the resonator round trip time is obtained.
  • Amplifier media can be used.
  • Y3AI5O12 should be mentioned as another example.
  • the invention thus opens up a number of new fields of application, for example in material processing, e.g. drilling
  • Laser with a decoupling means for emitting a laser power dependent on at least one parameter that can be influenced and a mode coupling means for coupling a plurality of the modes of the resonator characterized in that a detection means for detecting a quantity related to the laser power and a parameter changing means for changing the at least one Parameter is provided depending on the size related to the laser power.
  • the parameter changing means is designed to change the parameter so that the emitted laser power is evened out, in particular averaged over a resonator cycle time.
  • the parameter changing means is designed to equalize the output power averaged over a resonator cycle time to better than 10%, preferably better than 5%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laser mit einem Auskopplungsmittel zur Emission einer von zumindest einem beeinflussbaren Parameter abhängigen Laserleistung und einem Modenkopplungsmittel zur Kopplung einer Vielzahl der laserfähigen Moden des Resonators. Hierbei ist vorgesehen, dass ein Erfassungsmittel (7) zur Erfassung einer auf die emittierte Laserleistung bezogenen Grösse und ein Parameterveränderungsmittel (8) zur Veränderung des zumindest einen Parameters im Ansprechen auf die erfasste Grösse vorgesehen ist.

Description

Stärkungsmedium nicht so schnell wieder zugeführt wird, wie sie bei Durchlaufen der Lichtwelle entzogen wird, kann es zu einem pulsartigen Laserbetrieb kommen. Ein solcher Makropuls tritt frühestens dann auf, wenn wieder genügend Energie aus dem Verstärkungsmedium abgerufen werden kann.
Oftmals ist es nun gewünscht, besonders kurze Lichtimpulse zu emittieren. Dies kann erreicht werden, wenn möglichst viele Moden nahezu gleichzeitig auftreten und sich so überlagern, daß der gewünschte kurze Puls erhalten wird.
Erreicht werden kann dies durch die sog. Modenkopplung, bei der dafür gesorgt wird, daß, wenn eine erste der Resonatormoden sich aufzubauen beginnt, dies auch bei anderen der Fall ist. Praktisch kann dazu z.B. ein Element im Resonator vorgesehen werden, welches je nach der Stärke des einfallenden Lichtes unterschiedlich stark absorbiert oder reflektiert. Ein bekanntes derartiges Element ist ein sog. sättigbarer Halbleiter-Absorberspiegel, vgl. U. Keller, K.J. Weingarten, F.X. Kärtner, D. Kopf, B. Braun, I.D. Jung, R. Fluck, C. Hön- ninger, N. Matuschek und J. Aus der Au „Semiconductor Sa- turable Absorber Mirrors (SESAM s) for Femtosecond to Nanose- cond Pulse Generation in Solid-State-Lasers, IEEE Journ. of selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 2, No.3, Sept. 1996, S. 435. Die Reflektivität dieses Elementes steigt an, wenn das auftreffende Licht intensiver wird. Ein solches Element im Resonator hat zur Folge, daß immer dann, wenn die zu einer ersten Resonatormode gehörige Lichtwelle besonders stark reflektiert wird, dies auch für andere Resonatormoden der Fall ist. Man sagt deshalb, die Resonatormoden seien gekoppelt und spricht demgemäß von Modenkopplung. Für viele Anwendungen ist nun problematisch, daß es bei herkömmlichen Lasern zu einer Reihe von Störungen oder Beeinträchtigungen und/oder Instabilitäten kommen kann. Dazu gehören das sogenannte Güte-Schalten (Q-Switching, d.h. Ausbil- düng von Makropulsen) , Relaxationsoszillationen, Spiking
(Schaltinstabilitäten) . Hierbei kommt es insbesondere zu einer sehr starken Fluktuation der mittleren Laserleistung. Solche Störungen können unter bestimmten Betriebsbedingugenn auftreten, z.B. bei bestimmten Pumpleistungen. Die Fluktuati- on besitzt typisch Frequenzen im Bereich zwischen 10kHz und einigen Megahertz. Die Fluktuationen können zudem auch nichtperiodisch auftreten, sondern unregelmäßig, was besonders störend ist. Die kurzfristig sehr starken Intensitäten im Resonator können zudem die resonatorinternen oder andere Komponenten zerstören bzw. deren Lebensdauer verkürzen.
Problematisch ist dies vor allem bei passiv kontinuierlich modengekoppelten Lasern, Lasern mit resonatorinterner Frequenzverschiebung und/oder resonatorinterner Frequenzverdopp- lung und/oder Laser, bei welchen nur jeder n.-te Puls ausgekoppelt wird, der dabei eine n-fach erhöhte Pulsenergie besitzt; letztgenannte Laser werden als „Cavity-dumped"-Laser bezeichnet.
Oftmals führen diese Fluktuationen, d.h. die fehlende oder ungenügende Möglichkeit, in einem technisch relevanten Bereich hinreichend zu stabilisieren, dazu, daß die Verwendung der Laser, d.h. Lasersysteme, eng begrenzt ist, Anwendungen gänzlich verschlossen bleiben und/oder bestimmte Laser nicht in bestimmten Betriebsarten wie mit Dauerstrich bzw. modengekoppeltem Dauerstrich (cw mode locking) betrieben werden können. Erwähnenswert sind beispielsweise Anwendungen bei der Nachrichtenübertragung, bei der Materialbearbeitung, bei der optischen Abtastung (Sampling) usw., die bislang zumindest zum Teil verschlossen bleiben.
Im Gegenzug gibt es Anwendungen, bei welchen gewünscht wird, Pulse mit besonders hoher Impulsleistung aus dem Laser auszukoppeln.
Weitere Probleme treten auf, wenn die zeitliche Abfolge der Einzelpulse insbesondere in gütegeschalteten (Q-switched) La- sersystemen stabil gehalten werden soll.
Es finden sich im Stand der Technik verschiedene, jeweils aber nur als ungenügend zu erachtende Ansätze, den vorstehenden Probleme zu begegnen.
So wird von U. Keller in „Semiconductor nonlinearities for solid-state laser mode-locking and Q-switching" (Nonlinear Optics in Semiconductors II and Semimetals, Vol. 59, 211-285, 1999) ein Beispiel gegeben, wie sich durch kontrollierte Gü- teschaltung aus dem Pulszug eines modengekoppelten Lasers eine maximale Energie auskoppeln lassen soll.
Weiter wurde versucht, verschiedene der die Laseremission mitbestimmenden Parameter so zu wählen, daß sich die Laser, d.h. Lasersysteme wenigstens in bestimmten Bereichen der zur Verfügung stehenden Pumpleistung stabil kontinuierlich modengekoppelt betreiben lassen. Es wurden dazu u.a. die Lasermaterialien, Verstärkungsmedien, Absorbersysteme, Lasermoden- Querschnitte usw. variiert. Verwiesen wird z.B. auf E.R. Tho- en, E.M. Koontz, M.Joschko, P. Langlois, T.R. Schibli, F.X. Kärtner, E.P. Ippen, L.A. Kolodziejski in „Two-photon absorp- tion in semiconductor saturable absorber mirrors", Appl. Phys. Lett. 74, 3927-3929, 1999', die spezielle nichtlineare Absorberelemente betreffen.
Ein bei den genannten Ansätzen ungelöstes Problem besteht aber darin, daß nur in einem eingeschränkten Parameterbereich der Systeme eine Stabilisierung erzielt werden kann; dies kann sowohl beim Einschalten und/oder Hochfahren des Lasers als auch bei dessen längerfristigem Betrieb stören.
Überdies beschränken etwa die vorgeschlagenen Absorptionsprozesse, etwa durch 2-Photonen-Absorption, die maximal erreichbare Pulsenergie: Die Absorber sind sehr starken Beanspruchungen ausgesetzt und die Lebensdauer ist durch die auftretende starke Sättigung, die mit der Deposition großer Lei- stungen im Material einhergeht, begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe findet sich in unabhängiger Form in den Ansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den ünteransprüchen.
Gemäß einem ersten wesentlichen Aspekt der Erfindung wird so- mit bei einem Laser mit einem Auskopplungsmittel zur Emission einer von zumindest einem beeinflußbaren Parameter abhängigen Laserleistung und einem Modenkopplungsmittel zur Kopplung einer Vielzahl der laserfähigen Moden des Resonators vorgeschlagen, daß ein Erfassungsmittel zur Erfassung einer auf die Laserleistung, insbesondere auf die emittierte Laserleistung bezogenen Größe, und ein Parameterveränderungsmittel zur Veränderung des zumindest einen Parameters im Ansprechen auf die erfaßte Größe vorgesehen ist.
5 Auf die beanspruchte Weise lassen sich selbst hochfrequente Fluktuationen kontrollieren. Es wird damit erstmals erkannt, daß sich bei Lasersystemen der genannten Art schnelle Insta- bilitäten, insbesondere die Güteschaltungs-Instabilität, das Spiking und die Relaxationsoszillationen durch Kopplung der Laser-Ausgangsleistung auf den Netto-Laser-Gewinn regeln lassen. Dies gilt für sehr breite Betriebsbereiche; diese sehr breiten Betriebsbereiche begannen zumindest in wesentlichen praktischen Ausführungsbeispielen der Erfindung an oder wenigstens dicht an der Laserschwelle und erstreckten sich, insbesondere kontinuierlich, bis hin zu signifikanten Laserleistungen, bei welchen sowohl die emittierte Leistung als auch die zugeführte Pumpleistung ein Vielfaches der jeweili- gen Leistung dicht oberhalb der Laserschwelle war.
Die Erfindung erlaubt höhere Repetitionsraten als zuvor. Zudem können Pulsenergieen im kontinuierlich modengekoppelten Betrieb höher als zuvor gewählt werden, da die Strahlquer- schnitte im Verstärkungsmedium und/oder auf dem sättigbaren Absorber größer gewählt werden können, ohne daß unerwünschte Güteschaltungen befürchtet werden müssen.
Für eine praktische Umsetzung der Erfindung wird vorgeschla- gen, einen die intern umlaufende und/oder die ausgekoppelte Laserleistung beeinflussenden Parameter zu verändern. Ein wesentlicher Vorteil ist, daß dazu in vielen existierenden Systemen gar keine bzw. keine signifikanten Änderungen des optischen Aufbaus bzw. des Resonators erforderlich sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß sich dergestalt sowohl eine
Stabilisierung der Laserleistung erzielen läßt als auch, wenn anstelle einer gegenkoppelnd wirkenden Parameterveränderung
6 der Parameter mitkoppelnd verändert wird, eine gezielte Destabilisierung erreichen läßt. Es sei erwähnt, daß sich die Veränderung des Parameters auch dazu verwenden läßt, einen Modenkopplungsprozeß herbeizuführen, indem dem Parameterver- änderungsmittel ein geeigneter Auslöseimpuls zugeführt wird.
Letzteres ist vorteilhaft insbesondere zur Verstärkung einer Güteschaltungsinstabilität. Diese gezielte Beeinflussung der Güteschaltungsinstabilität kann herangezogen werden, um die großen, durch Güteschaltung erzeugbaren Pulse zu bestimmten Zeiten zu emittieren. So kann unter Zuhilfenahme eines etwa quarzstabilisierten Signalgenerators eine stabile Repetiti- onsrate erhalten werden. Die Generatorsignale und die erfaßte, für die Laserleistung repräsentative Größe werden dabei bevorzugt addiert. Es können wesentlich höhere Pulsenergieen und/oder Repetitionsraten als herkömmlich üblich erreicht werden.
In einem besonders bevorzugten Beispiel ist der oder einer der die ausgekoppelte Laserleistung beeinflussenden Parameter die Pumpleistung. Hier kann die Parameterbeeinflussung, insbesondere der Regelung, besonders einfach und durch eine im wesentlichen rein elektronische Veränderungen herkömmlicher Lasersysteme umgesetzt werden. Insbesondere bei diodengepump- ten Lasersystemen ist diese Variante daher besonders einfach umsetzbar, weil hier nur der an die Laserpumpdioden gespeiste Pumpstrom verändert werden muß. In alternativer Weise kann eine Verlustmodulation erfolgen, d.h. es wird ein Verlustmodulator innerhalb des Resonators vorgesehen und dessen Ver- lust im Ansprechen auf die erfaßte Größe verändert.
Es ist möglich und bevorzugt, wenn das Parameterveränderungsmittel dazu ausgebildet ist, den Parameter so zu verändern,
7 daß sich die emittierte und nicht nur die intern im Resonator umlaufende Laserleistung vergleichmäßigt.
Dabei kann in einer bevorzugten Variante die Regelung derart erfolgen, daß das Parameterveränderungsmittel die über zumindest eine Resonatorumlaufzeit gemittelte Ausgangsleistung vergleichmäßigt. Dies ist auch dann möglich, wenn die Regelung vergleichsweise langsam arbeitet, insbesondere langsam im Vergleich zur Resonatorumlaufzeit, etwa, weil zur Erfas- sung der auf die Laserleistung bezogenen Größe ein langsames und damit quasi integrierendes Photoelement verwendet wird. Es wird dann ein Mittel zur Integration und/oder Mittelung schneller Variationen der auf die Laserleistung bezogenen Größe vorgesehen, wobei das Parameterveränderungsmittel dann dazu ausgebildet ist, den Parameter im Ansprechen auf die gemittelte und/oder integrierte Größe zu verändern.
Es ist möglich und bevorzugt, die Leistung auf weniger als 5 bis 10% der ohne Stabilisierung auftretenden Variationen zu stabilisieren. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde eine Stabilisierung auf deutlich -besser als 1% erzielt.
Der Parameter kann auf verschiedene Weise im Ansprechen auf die Abweichung der erfaßten Größe von einer Sollgröße verändert werden. Möglich sind insbesondere der Abweichung linear entsprechende Veränderungen; alternativ können etwa PID- Proportional, integral und/oder differential-) Verhalten realisiert werden und/oder es kann eine nichtlineare Veränderung erzielt werden.
In einer bevorzugten Variante erfolgt die Modenkopplung passiv, etwa über ein leistungsabhängig absorbierendes und/oder reflektierendes Element im Resonator. Insbesondere kann z.b ein zumindest partiell sättigbarer Absorber vorgesehen sein.
Es ist möglich, daß der Resonator einen resonatorinternen Frequenzverdoppler aufweist und/oder daß ein Verlustmodulator vorgesehen ist, dessen Verlust der oder einer der veränderbaren Parameter ist. Ein solcher Verlustmodulator kann insbesondere mechanisch, akustisch, optisch und/oder elektroop- tisch modulierbar sein. Das Vorsehen eines Verlustmodulators ist bei jenen Lasersystemen besonders bevorzugt, bei welchen die Pumpleistung nicht auf besonders einfache Weise variiert werden kann.
Bei dem Laser kann es sich um ein System handeln, welches oh- ne Veränderung des zumindest einen Parameters im Ansprechen auf die erfaßte Größe ein „Spiking-Verhalten" aufweist und/oder das für „Cavity-dumping" ausgelegt ist.
Beansprucht wird auch ein Verfahren zur Stabilisierung eines Lasers mit einem Modenkopplungsmittel zur Kopplung einer Vielzahl der laserfähigen Moden des Resonators und einem Erfassungsmittel zur Erfassung einer auf die emittierte Laserleistung bezogenen Größe und ein Parameterveränderungsmittel zur Veränderung des zumindest einen Parameters im Ansprechen auf die erfaßte Größe vorgesehen ist, mit den Schritten, daß eine für die emittierte Laserleistung repräsentative Größe erfaßt und die Laserleistung derart durch Veränderung des zumindest einen Parameters geregelt wird, daß sich die emit- tierte Laserleistung vergleichmäßigt.
Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der
Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt:
9 Fig. 1 eine erfindungsgemäße Laseranordnung Fig. 2 eine Auftragung der emittierten Laserleistung gegen die zugeführte Pumpleistung mit und ohne erfindungs- gemäße Stabilisierung.
Nach Fig. 1 umfaßt ein allgemein mit 1 bezeichneter Laser 1 einen durch Spiegel 2, 3, 4 gebildeten Resonator und ein Verstärkungsmedium 5, welches durch ein Pumpmittel 6 gepumpt wird. Weiter umfaßt der Laser 1 ein Erfassungsmittel 7 zur Erfassung einer auf die Laserleistung bezogenen Größe und ein Parameterveränderungsmittel 8 zur Veränderung zumindest eines die Laserleistung beeinflussenden Parameters in Abhängigkeit von der auf die Laserleistung bezogenen Größe.
Der Spiegel 2 ist als für das Laserlicht mit ca. 2% teilweise lichtdurchlässige und für das Pumplicht aus dem Pumpmittel 6 transparente Verspiegelung auf dem Verstärkungsmedium 5 aufgebracht und dient so als Ausgangskoppler, über den ein Teil der sich im Resonator aufbauenden Lichtwellen ausgekoppelt und seiner Verwendung zugeführt werden kann.
Der Spiegel 3 ist ein sphärischer dielektrischer Spiegel. Dieser Spiegel weist eine Reflexion von etwa 99,9% auf. Die sphärische Krümmung des dielektrischen Spiegels 3 ist so gewählt, daß sich stabile Resonatormoden bilden können.
Der Endspiegel 4 ist ein sättigbarer Absorberspiegel, der der Modenkopplung dient. Die Umlaufzeit durch den Resonator (Roundtrip-time) beträgt etwa 10ns.
10 Das Verstärkungsmedium 5 ist durch einen Nd: YV04~Kristall gebildet. Die Fluoreszenz-Lebenszeit des Laserkristalls beträgt etwa lOOμs.
Das Pumpmittel 6 umfaßt eine Reihe von (Halbleiterlaser-
)pumpdioden 6a, die dazu ausgebildet sind, Licht durch eine Fokussierlinse 6b, eine dichroitische Platte 6c und den Auskoppelspiegel 2 fokussiert auf den das Verstärkungsmedium 5 bildenden Nd: YVθ4-Kristall einzustrahlen. Die dichroitische Platte 6c steht dabei schräg im Strahl und ist so gewählt, daß das Pumplicht hindurchtritt und das Laserlicht reflektiert wird.
Erfindungsgemäß ist nun als Erfassungsmittel 7 einer für die im Resonator vorhandene Laserleistung ein Photodetektor 7 vorgesehen, auf den ein Teil des wenigen, durch den dielektrischen Spiegel tretenden Lichtes eingestrahlt wird. Das Ausgangssignal aus dem Photodetektor 7 wird über einen Versuchszwecken dienenden Schalter 9 an eine Signalkonditionie- rung gespeist. Diese umfasst eingangs einen Signalverstärker 8a, dessen Ausgang an ein PID-Glied 8b geführt ist, um im Ansprechen auf eine Abweichung des vom Signalverstärker 8a verstärkten Signals von einer gleichfalls an das PID-Glied 8b gespeisten Sollgröße ein Parameterveränderungssignal auszu- gegben, das einen der Abweichung proportionalen, einen die
Abweichung integrierenden und einen einer zeitlichen Änderung der Abweichung entsprechenden Anteil umfaßt.
Das Ausgangssignal aus dem PID-Glied 8b wird an einen Addie- rer 8c gespeist, wo es zu einer gewünschten Stellgröße addiert wird, die für einen eingestellten Pumpstrom repräsentativ ist. Das Ausgangssignal aus dem Addierer 8c wird an einen
11 Stromverstärker 8d gespeist, der die Laser-Pumpdioden 6a speist.
Der Laser der vorliegenden Erfindung wird betrieben wie folgt:
Zunächst wird bei geöffnetem Schalter 9 ein gewünschter Pumpstrom eingestellt und die emittierte Laserleistung im ausgekoppelten Strahl gemessen. Wird der Pumpstrom variiert, so ergeben sich in bestimmten Bereichen des Pumpstroms sehr große Variationen, wie durch Fig. 2 a dargestellt.
Nun wird der Schalter 9 geschlossen, so daß die Laserlichtleistung durch Veränderung des Pumpstromes mit einer ge- schlossenen Regelschleife stabilisiert wird. Wiederum wird die emittierte Laserleistung im ausgekoppelten Strahl gemessen. Es ergibt sich bei Variation des Pumpstromes die Kurve von Fig.2b. Diese zeigt in allen Bereichen eine wesentlich geringere Breite als die Kurve von Fig. 2a, was bedeutet, daß das emittierte Laserlicht im wesentlichen gleichmäßig und ohne kurzfristige Fluktuationen emittiert wird. Insbesondere wird eine über die Resonatorumlaufzeit gemittelt zumindest im wesentlichen konstante Laserausgangsleistung erhalten.
Es ei erwähnt, daß die Erfindung keinesfalls nur auf Laser mit dem lediglich beispielhaft angegebenen Verstärkungsmedium Nd:YVθ4 beschränkt ist. Vielmehr ist sie mit allen möglichen
Verstärkermedien einsetzbar. Erwähnt sei dabei insbesondere Y3AI5O12 als weiteres Beispiel.
Die Erfindung eröffnet somit eine Reihe von neuen Anwendungsgebieten, etwa bei der Materialbearbeitung, z.B. dem Bohren
12 bzw. Laserbrennen von Löchern, der Nachrichtenübertragung, beim Signal-Sampling, d.h. Signalabtastung usw.
13 Patentansprüche
1. Laser mit einem Auskopplungsmittel zur Emission einer von zumindest einem beeinflußbaren Parameter abhängigen Laserleistung und einem Modenkopplungsmittel zur Kopplung einer Vielzahl der Moden des Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erfassungsmittel zur Erfassung einer auf die Laserleistung bezogenen Größe und ein Parameterveränderungsmittel zur Veränderung des zumindest einen Parameters in Abhängigkeit von der auf die Laserleistung bezogenen Größe vorgesehen ist.
2. Laser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Parameterveränderungsmittel dazu aus- gebildet ist, den Parameter so zu verändern, daß sich die emittierte Laserleistung vergleichmäßigt, insbesondere zumindest über eine Resonatorumlaufzeit gemittelt.
3. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Parameterveränderungsmittel dazu ausgebildet ist, die Ausgangsleistung über Zeiten im Bereich einer Resonatorumlaufzeit zu vergleichmäßigen.
4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Parameterveränderungsmittel dazu ausgebildet ist, die Ausgangsleistung gemittelt über eine Resonatorumlaufzeit auf besser als 10%, bevorzugt besser als 5% zu vergleichmäßigen.
5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel zur Integration und/oder Mittelung schneller Variationen der auf die Laserleistung bezogenen Größe vorgesehen ist und das Parameter-
14

Claims

Veränderungsmittel dazu ausgebildet ist, den Parameter im Ansprechen auf die gemittelte und/oder integrierte Größe zu verändern.
6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Parameterveränderungsmittel dazu ausgebildet ist, den Parameter im Ansprechen auf die Abweichung der erfaßten Größe von einer Sollgröße zu verändern.
7. Laser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Parameterveränderungsmittel dazu ausgebildet ist, den Parameter mit proportionalem, diffe- rentiellem und/oder integralem Verhalten bezogen auf die Abweichung der erfaßten Größe von einer Sollgröße zu verändern.
8. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modenkopplung passiv erfolgt.
9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß ein leistungsabhängig absorbierendes und/oder reflektierendes Element vorgesehen ist.
10. Laser nach dem vorhergehenden Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß als absorbierendes und/oder reflektierendes Element ein zumindest partiell sättigbarer Absorber vorgesehen ist.
11. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Parameter die zugeführte Pumpleistung ist.
15
12. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß ein resonatorinterner Frequenzverdoppler vorgesehen ist.
13. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verlustmodulator vorgesehen ist, dessen Verlust als veränderbarer Parameter insbesondere mechanisch, akustisch, optisch und/oder elektrooptisch modulierbar ist.
14. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Erfassungsmittel zur Erfassung der auf die emittierte Laserleistung zumindest ein lichtempfindliches Element vorgesehen ist.
15. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ohne Veränderung des zumindest einen Parameters im Ansprechen auf die erfaßte Größe „Spiking-Verhalten" aufweist.
16. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche , worin ein Lasermedium verwendet wird, welches Lebensdauern in einem oder dem oberen Niveau aufweist, die zumindest 1 μs, bevorzugt zumindest lOμs, insbesondere über 50μsec. beträgt.
17. Laser mit einem Auskopplungsmittel zur Emission einer von zumindest einem beeinflußbaren Parameter abhängigen Laserleistung und einem Mittel für cavity-dumping, dadurch gekennzeichnet, daß ein Erfassungsmittel zur Er- fassung einer auf die emittierte Laserleistung bezogenen Größe und ein Parameterveränderungsmittel zur Veränderung des zumindest einen Parameters im Ansprechen auf die erfaßte Größe vorgesehen ist.
16
18. Vorrichtung für einen Laser mit einem Aus opplungsmittel zur Emission einer von zumindest einem beeinflußbaren Parameter abhängigen Laserleistung und einem Modenkopp- lungsmittel zur Kopplung einer Vielzahl der Moden des
Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest eine Signalleitung zum Führen eines mit einem Erfassungsmittel zur Erfasssung einer auf die Laserleistung bezogenen Größe gewonnenen Signals und ein Vorga- bemittel zur Vorgabe einer Veränderung des zumindest einen Parameters in Abhängigkeit von dem Signal auf der Signalleitung aufweist.
19. Verfahren zur Stabilisierung eines Lasers mit einem Modenkopplungsmittel zur Kopplung einer Vielzahl der Moden des Resonators und einem Erfassungsmittel zur Erfassung einer auf die emittierte Laserleistung bezogenen Größe und ein Parameterveränderungsmittel zur Veränderung des zumindest einen Parameters im Ansprechen auf die erfaßte Größe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine für die emittierte Laserleistung repräsentative Größe erfaßt und die Laserleistung derart durch Veränderung des zumindest einen Parameters geregelt wird, daß sich die emittierte Laserleistung vergleichmäßigt.
20. Verfahren zur Initiierung der Modenkopplung in einem Laser mit einem Modenkopplungsmittel zur Kopplung einer Vielzahl der Moden des Resonators und einem Erfassungsmittel zur Erfasssung einer auf die emittierte Laserleistung bezogenen Größe und ein Parameterveränderungsmit- tel zur Veränderung des zumindest einen Parameters im
Ansprechen auf die erfaßte Größe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch insbesondere impulsartige Ver-
17 änderung zumindest des zumindest einen Parameters eine Modenkopplung initiiert wird.
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