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DE10107510A1 - Coupling seed laser pulses into light amplifier, involves dividing stimulation period into sections of duration greater than specific recovery time, less than twice specific recovery time - Google Patents

Coupling seed laser pulses into light amplifier, involves dividing stimulation period into sections of duration greater than specific recovery time, less than twice specific recovery time

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Publication number
DE10107510A1
DE10107510A1 DE2001107510 DE10107510A DE10107510A1 DE 10107510 A1 DE10107510 A1 DE 10107510A1 DE 2001107510 DE2001107510 DE 2001107510 DE 10107510 A DE10107510 A DE 10107510A DE 10107510 A1 DE10107510 A1 DE 10107510A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
seed laser
time
laser pulses
light amplifier
coupling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE2001107510
Other languages
German (de)
Inventor
Gerrit Herbst
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HERBST, GERRIT, 12526 BERLIN, DE
Original Assignee
FIMEA GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FIMEA GmbH filed Critical FIMEA GmbH
Priority to DE2001107510 priority Critical patent/DE10107510A1/en
Publication of DE10107510A1 publication Critical patent/DE10107510A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/23Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2325Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

The method involves dividing a laser medium (4) stimulation period into time sections whose duration is greater than a specific recovery time and less than twice the specific recovery time of the laser medium of a laser amplifier. At least two seed pulses are coupled into the light amplifier in a stimulation period so that no more than one seed laser pulse is coupled in during a time section.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einkopplung von seed-Laserpulsen in Lichtverstärker, welches ins­ besondere genutzt werden kann beim Einsatz resonator­ spiegelloser Laseranordnungen zur Materialbearbeitung.The invention relates to a method for coupling of seed laser pulses in light amplifiers, which ins special can be used when using resonator mirrorless laser arrangements for material processing.

Für die schädigungsfreie Materialbearbeitung mit Laser­ strahlung werden homogene ultrakurze Pulse eingesetzt. Zur Erzeugung leistungsstarker Ultrakurzpulslaserstrah­ lung werden die in speziellen Lasersystemen erzeugten energieschwachen Pulse als seed-Pulse in Laser­ verstärkeranordnungen eingeführt. Solche Anordnungen sind dadurch gekennzeichnet, daß ihnen die für Laser­ anordnungen typischen Resonatorspiegel fehlen. Sie können alleine keine Laserstrahlung emittieren. Die in dem Lasermedium gespeicherte Energie (angeregtes Laser­ medium) bleibt nur eine Zeitlang erhalten und wird nur zu einem sehr kleinen Teil in Photonenenergie (ASE) umgewandelt. Die Anregungsdauer ta stellt eine für das Lasermedium typische Konstante dar. Fig. 1 zeigt ein typisches Energie-Zeit-Diagramm eines aktivierten Lasermediums. Homogeneous ultra-short pulses are used for damage-free material processing with laser radiation. In order to generate powerful ultra-short pulse laser radiation, the low-energy pulses generated in special laser systems are introduced as seed pulses in laser amplifier arrangements. Such arrangements are characterized in that they lack the resonator mirrors typical of laser arrangements. You cannot emit laser radiation alone. The energy stored in the laser medium (excited laser medium) is only retained for a time and is only converted to a very small part into photon energy (ASE). The excitation period t a represents a typical constant for the laser medium. FIG. 1 shows a typical energy-time diagram of an activated laser medium.

Schickt man Photonen einer bestimmten Energie in solch ein angeregtes Lasermedium, so generieren diese Photonen weitere Photonen mit identischen Eigen­ schaften. Der Photonenstrom (seed-Puls) wird verstärkt. Die Eigenschaften des seed-Strahles bleiben dabei erhalten. Eine solche Eigenschaft kann beispielhaft ein sehr kurzer (ultrakurzer) Impuls sein.If one sends photons of a certain energy in such generate an excited laser medium Photons are other photons with identical properties companies. The photon current (seed pulse) is amplified. The properties of the seed beam remain receive. Such a property can be an example be a very short (ultra-short) pulse.

Die Energieausbeute aus dem Lasermedium ist bei solchen Anordnungen aber begrenzt.The energy yield from the laser medium is such Orders but limited.

Ist die (konstante) Anregungsdauer des Lasermediums sehr viel größer als die Pulslänge des seed-Strahles, so kann der verstärkte Impuls mindestens ein weiteres mal durch das Lasermedium geführt werden, was zu einer weiteren Verstärkung führt. Die Strahlrückführung wird z. B. über Spiegel realisiert.Is the (constant) excitation time of the laser medium much larger than the pulse length of the seed beam, so the amplified impulse can at least one more times through the laser medium, resulting in a leads to further reinforcement. The beam return is z. B. realized via mirror.

Zu beachten ist, daß das Volumen des Lasermediums, wenn es von einem seed-Puls besucht wurde, eine gewisse Zeit benötigt, um einen Energieausgleich mit seiner angereg­ ten Umgebung zu erreichen. Unterhalb dieser Zeit, der Erholungszeit te, ist eine effektive Verstärkung des Laserstrahles in diesem Volumen nicht möglich.It should be noted that the volume of the laser medium, when it was visited by a seed pulse, takes a certain time to achieve energy balance with its excited environment. Below this time, the recovery time t e , an effective amplification of the laser beam in this volume is not possible.

Im ultrakurzpuls UV-Strahlungsbereich sind solche Ver­ stärker auf der Basis von Excimerlasersysteme bekannt. Um eine möglichst hohe Verstärkung der seed-Pulse zu erreichen, werden dabei bis zu drei seed-Strahldurch­ gänge durch die Lasertube realisiert. Das entspricht drei Verstärkerstufen. Die Beschreibung eines solchen Verfahrens und der erforderlichen Vorrichtung ist von S. Szatmári et al. in Appl. Phys. B, Lasers and Optics, 63, (1996) 463-466 enthalten. Man erhält einen gegenüber dem seed-Strahl verstärkten Laserstrahl. Die maximale Energie des Laserstrahles ist abhängig von der Sättigungsenergiedichte des Lasermediums und von dem effektiven Strahlquerschnitt. Eine off-axis Strahlführung durch das Lasermedium ermöglicht die räumliche Trennung der einzelnen, zeitlich aufeinander folgenden Strahlen (vgl. Fig. 3).In the ultrashort UV radiation range, such Ver are more known on the basis of excimer laser systems. In order to achieve the highest possible amplification of the seed pulses, up to three seed beam passes are implemented through the laser tube. This corresponds to three amplifier stages. The description of such a method and the required device is given by S. Szatmári et al. in Appl. Phys. B, Lasers and Optics, 63, (1996) 463-466. A laser beam is obtained which is stronger than the seed beam. The maximum energy of the laser beam depends on the saturation energy density of the laser medium and on the effective beam cross section. Off-axis beam guidance through the laser medium enables the spatial separation of the individual beams which follow one another in time (cf. FIG. 3).

Alle bisherigen Verfahren weisen aber erhebliche Nachteile auf. Insbesondere wird bisher stets nur ein verstärkter Ausgangsstrahl innerhalb der Anregungsdauer ta erzeugt. Dies verlängert natürlich die Einsatzzeiten bei der Materialbearbeitung. Ein weiterer Nachteil, der aus dieser Verfahrensweise erwächst, ist, daß ein großer Teil der Energie des angeregten Lasermediums nicht genutzt wird.However, all previous methods have considerable disadvantages. In particular, only one amplified output beam has so far been generated within the excitation period t a . Of course, this extends the operating times for material processing. Another disadvantage that arises from this procedure is that a large part of the energy of the excited laser medium is not used.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung der Effektivität der geseedeten Verstärkerlaser bei der Anwendung, die Verkürzung der Bearbeitungszeiten sowie die Erhöhung der Energieausbeute bei geseedeten Verstärkerlasern auf Volumenlaserbasis (z. B. Gaslaser).The object of the present invention is to increase the Effectiveness of the seeded amplifier lasers at Application, shortening processing times as well the increase in energy yield in seeded Amplifier lasers based on volume lasers (e.g. gas lasers).

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.This object is achieved by the Features in the characterizing part of claim 1 in Interaction with the features in the generic term. Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims included.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei dem Verfahren zur optimierten Einkopplung von Ultrakurzpuls-seed-Laserpulsen in einen ein Lasermedium 4 umfassenden Lichtverstärker, wobei das Lasermedium 4 durch eine Anregungsdauer ta und eine spezifische Erholzeit te charakterisiert ist und die Anregungsdauer ta solcherart in eine Anzahl von Zeitabschnitten tv geteilt ist, daß für jeden Zeitabschnitt gilt:
A particular advantage of the invention is that in the method for the optimized coupling of ultrashort pulse seed laser pulses into a light amplifier comprising a laser medium 4 , the laser medium 4 being characterized by an excitation time t a and a specific recovery time t e and the excitation time t a is divided into a number of time periods t v in such a way that the following applies to each time period:

te ≦ tv < 2.te,
t e ≦ t v <2.t e ,

innerhalb der Anregungsdauer ta mindestens zwei seed- Laserpulse derart in den Lichtverstärker eingekoppelt werden, daß während eines Zeitabschnitts tv höchstens ein seed-Laserpuls eingekoppelt wird und bei einseiti­ ger Einkopplung der seed-Laserpulse in den Licht­ verstärker, d. h. bei Einkopplung in die Seite a des Lichtverstärkers allein bzw. bei Einkopplung in die Seite b des Lichtverstärkers allein, mindestens zwei seed-Laserpulse in direkt aufeinanderfolgenden Zeit­ abschnitten eingekoppelt werden oder bei beidseitiger Einkopplung der seed-Laserpulse in den Lichtverstärker, d. h. bei Einkopplung eines seed-Laserpulses in die Lichtverstärkerseite der Auskopplung des diesem seed- Laserpuls vorangehenden seed-Laserpulses, die Einkopplung erst nach Verstreichen einer Zeit ≧ te nach der vollständigen Auskopplung des vorangehenden seed- Laserpulses erfolgt.Within the excitation period t a, at least two seed laser pulses are coupled into the light amplifier in such a way that at most one seed laser pulse is coupled in during a time period t v , and amplifiers with one-sided coupling of the seed laser pulses into the light, that is to say when coupled into the side a of the light amplifier alone or if it is coupled into the side b of the light amplifier alone, at least two seed laser pulses are coupled in directly successive periods, or if the seed laser pulses are coupled on both sides into the light amplifier, i.e. if a seed laser pulse is coupled into the light amplifier side the decoupling of the seed laser pulse preceding this seed laser pulse, the coupling takes place only after a time ≧ t e has elapsed after the complete decoupling of the preceding seed laser pulse.

Ein charakteristisches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Gesamtstrahlführung unter dem Gesichts­ punkt eines optimierten Zeitregimes angeordnet wird. Damit wird eine maximale Anzahl von Strahldurchläufen realisiert. Dieses Verfahren - die Erhöhung der Anzahl der (energiegesättigten) Einzelimpulse innerhalb der Anregungsdauer ta - erlaubt es, die Gesamtenergie­ ausbeute aus dem Lasermedium zu erhöhen. Gleichzeitig werden mehrere (gesättigte) räumlich und zeitlich getrennte Ausgangsimpulse erzeugt. Jeder einzelne Ausgangsimpuls kann dann einem speziellen Verwendungs­ zweck zugeführt werden. Begrenzender Faktor ist in erster Linie - neben der Anregungsdauer ta (siehe Fig. 1) - die Erholungszeit te des Lasermediums 4. Die zwingend erforderte Berücksichtigung der Erholungszeit te bei der Erzeugung verstärkter Ausgangsimpulse macht die erfindungsgemäße Taktung der Einkopplung der seed- Laserpulse notwendig.A characteristic feature of the invention is that the overall beam guidance is arranged from the point of view of an optimized time regime. A maximum number of beam passes is thus realized. This method - increasing the number of (energy-saturated) individual pulses within the excitation period t a - allows the total energy yield from the laser medium to be increased. At the same time, several (saturated) spatially and temporally separate output pulses are generated. Each individual output pulse can then be fed to a special purpose. The limiting factor is - in addition to the excitation time t a (see FIG. 1) - the recovery time t e of the laser medium 4 . The mandatory consideration of the recovery time t e when generating amplified output pulses makes it necessary to clock the coupling of the seed laser pulses according to the invention.

Ein weiteres Kriterium ist die notwendige räumliche Trennung der Einzelstrahlen außerhalb des Lasermediums.Another criterion is the necessary spatial Separation of the individual beams outside the laser medium.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is based on at least partially shown in the figures Embodiments are explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 charakteristisches Energie-Zeit-Diagramm eines Lasermediums Fig. 1 characteristic energy-time diagram of a laser medium

Fig. 2 Energie-Zeit-Diagramm eines Lasermediums unter Annahme einer Anregungsdauer von ta = 25 ns und einer Erholungszeit von te = 3 ns Fig. 2 energy-time diagram of a laser medium assuming an excitation time of t a = 25 ns and a recovery time of t e = 3 ns

Fig. 3 Strahlführung zur dreifachen Verstärkung eines seed-Pulses in off-axis-Anordnung Fig. 3 beam guidance for triple amplification of a seed pulse in an off-axis arrangement

Fig. 4 Einteilung der aktiven Phase eines Lasermediums in Zeitabschnitte (Sektoren) von der Länge der Erholungszeit te (Anregungsdauer: ta = 25 ns, Erholungszeit: te = 3 ns) Fig. 4 division of the active phase of a laser medium in time sections (sectors) on the length of recovery time t e (excitation duration: t a = 25 ns, relaxation time: t e = 3 ns)

Tabelle 1 bis 7: Darstellung verschiedener Möglich­ keiten der zeitlichen und räumlichen Vertei­ lung im Lichtverstärker der eingekoppelten seed-Laserpulse (innerhalb der Anregungsdauer ta)Tables 1 to 7: Representation of different possibilities of the temporal and spatial distribution in the light amplifier of the coupled seed laser pulses (within the excitation period t a )

Am Beispiel eines Excimerlasers werden verschiedene Ausführungsvarianten des Verfahrens demonstriert. Using the example of an excimer laser, various Variants of the method demonstrated.  

Die Erholzeit te des Lasermediums 4 (Gasgemisch) in der Laser-Tube 5 wird beispielhaft mit te = 3 ns angegeben. Die Anregungsdauer ta beläuft sich beispielhaft auf ta = 25 ns. Daraus ergibt sich - unter Hinzunahme der Fig. 1 - ein Zeitdiagramm nach Fig. 2.The recovery time t e of the laser medium 4 (gas mixture) in the laser tube 5 is given as an example with t e = 3 ns. The excitation period t a is, for example, t a = 25 ns. This results - with the addition of FIG. 1 - in a time diagram according to FIG. 2.

Das Zeitdiagramm für die Lasermediumanregung kann auf der Zeitachse in einzelne Sektoren unterteilt werden. Die Sektorenlänge entsprechen der (Energie-)Erholzeit te des Lasermediums 4 (Fig. 4). Die einzelnen Sektoren können jeweils mit einem seed-Laserpuls belegt werden.The time diagram for laser medium excitation can be divided into individual sectors on the time axis. The sector length corresponds to the (energy) recovery time t e of the laser medium 4 ( FIG. 4). The individual sectors can each be assigned a seed laser pulse.

Im folgenden werden die jeweilige Belegung der Sektoren für einzelne Strahlführungsvarianten erläutert und schematisch in Tabellen dargestellt. Anhand Fig. 3 soll eine Erklärung der Tabellen erfolgen:
In Zeile zwei (Durchgang) ist angegeben, wie oft ein seed-Laserpuls das Lasermedium 4 durchlaufen hat. Das in Fig. 3 dargestellte Beispiel nutzt nur einen seed- Laserpuls, der jedoch dreimal in das Lasermedium 4 eingeleitet wird, somit werden in der Tabelle für seed- Laserpuls eins die entsprechenden Durchgänge 1 bis 3 angegeben.
In the following the respective occupancy of the sectors for individual beam routing variants are explained and shown schematically in tables. An explanation of the tables is to be given on the basis of FIG. 3:
Line two (pass) shows how often a seed laser pulse has passed through the laser medium 4 . The example shown in FIG. 3 uses only one seed laser pulse, which, however, is introduced three times into the laser medium 4 , so the corresponding runs 1 to 3 are given in the table for seed laser pulse one.

Zeile drei (Stahl Nr.) gibt die Nummer des im entspre­ chenden Intervall eingekoppelten seed-Laserpulses an. Das in Fig. 3 dargestellte Beispiel nutzt nur einen seed-Laserpuls und einen Ausgangspuls (s. Tabelle 1). Die beigefügten Bezeichnungen bedeuten hierbei:
V: Vorverstärkerdurchlauf,
H: Hauptverstärkung, Endverstärkung (meist gesättigt).
Line three (steel number) indicates the number of the seed laser pulse coupled in the corresponding interval. The example shown in FIG. 3 uses only a seed laser pulse and an output pulse (see Table 1). The attached designations mean:
V: preamp pass,
H: main gain, final gain (mostly saturated).

In Zeile vier (Laserseite) enthält die Angabe, in welche Seite des Lichtverstärkers der jeweilige seed- Laserpuls eingekoppelt wird. In dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel wird der seed-Laserpuls eins im ersten Intervall auf der Seite a des Lichtverstärkers eingekoppelt, danach wird der seed-Laserpuls durch ein Spiegelsystem 3 umgelenkt und nach zwei nicht genutzten Intervallen im vierten Intervall in die Seite b des Lichtverstärkers eingekoppelt. Nun erfolgt der zweite Durchgang durch das Lasermedium 4. Die Verzögerung von zwei Intervallen zwischen dem erneuten Einkoppeln wird durch das Spiegelsystem 3 realisiert. Nach Durchlaufen des Lasermediums 4 trifft der seed-Laserpuls erneut auf ein Spiegelsystem 3 und wird dort umgelenkt, um zum dritten Male in den Lichtverstärker (auf der Verstärker-Seite a) eingekoppelt zu werden. Allerdings wird in diesem Falle nur ein Intervall (das fünfte) ungenutzt gelassen.Line four (laser side) contains the information into which side of the light amplifier the respective seed laser pulse is coupled. In the example shown in Fig. 3, the seed laser pulse one is injected in the first interval on the side a of the light amplifier, then the seed laser pulse is deflected by a mirror system 3 and after two unused intervals in the fourth interval in the side b of the Light amplifier coupled. The second pass through the laser medium 4 now takes place. The delay of two intervals between the new coupling is realized by the mirror system 3 . After passing through the laser medium 4 , the seed laser pulse hits a mirror system 3 again and is deflected there in order to be coupled into the light amplifier (on the amplifier side a) for the third time. In this case, however, only one interval (the fifth) is left unused.

Eine Unterschreitung der Sektorenzeit für einzelne seed-Laserpulse ist nicht sinnvoll, eine Zeitvariation nach oben ist aber zugelassen (Verlängerung von Totzeit). Sie kann bei bestimmten Strahlführungsanord­ nungen (Strahlführungslängen) notwendig sein. Die danach folgenden Zeitstrukturen verschieben sich dann um diesen Betrag nach hinten (diese Verschiebungen werden hier nicht dargestellt). Solche Verlängerung ist aber stets kleiner 3 ns, sonst wird der Sektor als Totzeit deklariert.Sector shortfall for individual seed laser pulse does not make sense, a time variation upwards is permitted (extension of Dead time). It can be arranged with certain beam guidance (beam length) may be necessary. The the following time structures then shift backwards by this amount (these shifts are not shown here). Such extension is but always less than 3 ns, otherwise the sector is considered Dead time declared.

Die (oben erwähnte und in Fig. 3 dargestellte) off-axis Anordnung mit quasi Aufweitung des Laservolumens (Erhöhung der Strahlenergie des seed-Laserpulses) soll beibehalten werden. Solch ein Zeitregime würde theore­ tisch acht möglichen Strahldurchläufen entsprechen. Da die Anfangsflanke der Anregungsenergie (Sektor 0) im Lasermedium nicht sinnvoll genutzt werden kann und weil der Hochspannungsschalter im Laser technologisch bedingt einen Jitter besitzt, sind (im erwähnten Beispiel) maximal sieben Durchläufe realistisch.The off-axis arrangement (mentioned above and shown in FIG. 3) with quasi widening of the laser volume (increase in the beam energy of the seed laser pulse) is to be retained. Such a time regime would theoretically correspond to eight possible beam runs. Since the starting edge of the excitation energy (sector 0) cannot be used sensibly in the laser medium and because the high-voltage switch in the laser has a jitter due to technological reasons, a maximum of seven runs (in the example mentioned) are realistic.

Die örtliche Trennung der Einzel-seed-Laserpulse wird durch unterschiedliche off-axis Anordnungen der seed- Laserpulse beim Durchgang durch das Lasermedium 4 gewährleistet. Die Entfernung vom Laserausgang, an der die räumlichen Trennung der Einzelstrahlen vollständig erfolgt ist, hängt neben dem off-axis-Winkel auch von der Strahldivergenz ab.The spatial separation of the single-seed laser pulses is ensured by different off-axis arrangements of the seed laser pulses as they pass through the laser medium 4 . The distance from the laser output, at which the spatial separation of the individual beams has been completed, depends not only on the off-axis angle but also on the beam divergence.

Je nach geforderter seed-Laserpuls-Energie (Ausgangs­ strahl) und verfügbarer seed-Energie wird hier nur ein einmaliger Durchgang (eine Verstärkerstufe) oder ein zweimaliger Durchgang (zwei Verstärkerstufen) betrach­ tet. Dabei werden nur die maximale Energieausbeute über das Zeitregime betrachtet (maximale seed-Laserpuls- Anordnung). Eine Verminderung der Einzel-seed- Laserpulse ist leicht möglich.Depending on the required seed laser pulse energy (output beam) and available seed energy is only one here one pass (one amplifier stage) or one two pass (two amplifier stages) considered tet. Only the maximum energy yield is exceeded considered the time regime (maximum seed laser pulse Arrangement). A decrease in single-seed Laser pulses are easily possible.

Eine Verstärkerstufe (einmaliger Durchgang des seed- Laserpulses durch das Lasermedium 4):
An amplifier stage (one pass of the seed laser pulse through the laser medium 4 ):

  • 1. seed-Laserpulseingänge von einer Seite - seed- Laserpulsausgänge auf der gegenüberliegenden Seite des Lichtverstärkers (vgl. Tabelle 2).
    Hier sind maximal sechs seed-Laserpulse sinnvoll (sechs erforderliche Zeitintervalle à 3 ns).
    1. Seed laser pulse inputs from one side - seed laser pulse outputs on the opposite side of the light amplifier (see Table 2).
    A maximum of six seed laser pulses make sense here (six required time intervals of 3 ns each).
  • 2. seed-Laserpulseingänge von zwei Seiten - seed-Laser­ pulsausgänge auf der jeweils gegenüberliegenden Seite des Lichtverstärkers.
    Hier sind maximal sechs seed-Laserpulse möglich (sieben erforderliche Zeitintervalle à 3 ns). Der Seitenwechsel (über Spiegelsysteme 3) der seed- Laserpulse soll nur einmal erfolgen; nach der Hälfte der seed-Laserpulse. Ein Seitenwechsel erfordert mindestens 3 ns Zeitverlust (vgl. Tabelle 3). Diese Anordnung besitzt gegenüber der vorhergehenden den Vorteil der leichter zu realisierenden räumlichen Trennung der Ausgangspulse.
    2. Seed laser pulse inputs from two sides - seed laser pulse outputs on the opposite side of the light amplifier.
    A maximum of six seed laser pulses are possible here (seven required time intervals of 3 ns each). The change of sides (via mirror systems 3 ) of the seed laser pulses should only take place once; after half of the seed laser pulses. A page change requires at least 3 ns loss of time (see Table 3). Compared to the previous one, this arrangement has the advantage of easier spatial separation of the output pulses.

Zwei Verstärkerstufen (zweimaliger Durchgang des seed- Laserpulses oder eines Teils des seed-Laserpulses - nach Strahlteilung - durch das Lasermedium 4):
Two amplifier stages (two passes of the seed laser pulse or part of the seed laser pulse - after beam splitting - through the laser medium 4 ):

  • 1. seed-Laserpulseingänge von einer Seite - seed- Laserpulsausgänge auf der gleichen Seite des Licht­ verstärkers.
    Hier sind maximal vier Ausgangsimpulse möglich. Für die erste Verstärkerstufe können sowohl ein (sechs erforderliche Zeitintervalle à 3 ns; vgl. Tabelle 4) als auch zwei (sieben erforderliche Zeitintervalle à 3 ns; vgl. Tabelle 5) Anfangs-seed- Laserpulse zur Anwendung kommen.
    Bei der Variante mit nur einem seed-Laserpuls wird dieser nach dem ersten Passieren des Lasermediums 4 in vier Einzelstrahlen aufgespaltet und durch unter­ schiedliche Laufzeiten zwischen den nunmehr vorhan­ denen Einzel-seed-Laserpulsen das notwendige Zeitregime (3 ns Abstand) vor den weiteren Durchgängen aufgebaut. Bei zwei seed-Laserpulsen wird jeder seed-Laserpuls nach dem ersten Durchgang in zwei Strahlen aufgespaltet. Die Teilung erfolgt vorteilhaft bei einem quadratischen Strahlquer­ schnitt durch eine Strahlteilerplatte und bei einem rechteckigem Strahlquerschnitt (Seitenverhältnis 2 : 1) mittels eines Strahlteilerspiegels.
    Nach Strahlumkehrung durchlaufen die Einzel-seed- Laserpulse nun das Lasermedium 4 in der anderen Richtung.
    1. Seed laser pulse inputs from one side - seed laser pulse outputs on the same side of the light amplifier.
    A maximum of four output pulses are possible here. For the first amplifier stage, both one (six required time intervals of 3 ns; see Table 4) and two (seven required time intervals of 3 ns; see Table 5) start seed laser pulses can be used.
    In the variant with only one seed laser pulse, it is split into four individual beams after the first passage through the laser medium 4 and the necessary time regime (3 ns interval) is built up before the further passes by using different transit times between the now existing single-seed laser pulses , With two seed laser pulses, each seed laser pulse is split into two beams after the first pass. The division takes place advantageously in a square beam cross section through a beam splitter plate and in a rectangular beam cross section (aspect ratio 2: 1) by means of a beam splitter mirror.
    After beam reversal, the single-seed laser pulses now run through the laser medium 4 in the other direction.
  • 2. seed-Laserpulseingänge von einer Seite - seed- Laserpulsausgänge auf beiden Seiten des Licht­ verstärkers.
    Auch hier sind maximal vier Ausgangsimpulse möglich. Die erste Verstärkerstufe als auch die Zeitinter­ valle sind wie unter 1. zu betrachten. Veränderungen sind nur in der zweiten Verstärkerstufenanordnung zu sehen. Nach Strahlumkehrung durchlaufen nunmehr nur die zeitlich gesehen beiden ersten Einzel-seed- Laserpulse das Lasermedium 4 in der anderen Richtung, die beiden letzten seed-Laserpulse für die Verstärkung werden außen am Lasermedium 4 vorbei­ geführt und von der Seite der seed-Laserpulse der ersten Verstärkerstufe eingekoppelt. Das Gesamtzeit­ intervall bleibt erhalten (vgl. Tabelle 6).
    2. Seed laser pulse inputs from one side - seed laser pulse outputs on both sides of the light amplifier.
    A maximum of four output pulses are also possible here. The first amplifier stage and the time intervals are to be considered as under 1. Changes can only be seen in the second amplifier stage arrangement. After beam reversal, only the first two single-seed laser pulses in terms of time pass through the laser medium 4 in the other direction, the last two seed laser pulses for the amplification are passed outside the laser medium 4 and from the side of the seed laser pulses of the first amplifier stage coupled. The total time interval is retained (see Table 6).
  • 3. seed-Laserpulseingänge von einer Seite - seed- Laserpulsausgänge auf der gegenüberliegenden Seite b des Lichtverstärkers.
    Hier sind jeweils drei seed-Laserpulse bzw. Ausgangsimpulse sinnvoll. Es gibt bei dieser Variante keinen Totsektor. Dazu müssen die seed- Laserpulse nach dem ersten Durchgang an dem Laservolumen vorbei auf die Eingangsseite des Lasers geführt werden (vgl. Tabelle 7).
    3. seed laser pulse inputs from one side - seed laser pulse outputs on the opposite side b of the light amplifier.
    Three seed laser pulses or output pulses are useful here. There is no dead sector in this variant. To do this, the seed laser pulses must be guided past the laser volume to the input side of the laser after the first pass (cf. Table 7).

Zur Optimierung der Energieausbeute, ist es erfor­ derlich, den seed-Laserpuls jeweils in Hinblick auf Strahlquerschnitt, Energiedichte und Strahldivergenz für die folgende Verstärkerstufe anzupassen. Zur Minimierung von refraktiven Elementen in der Strahlführung ist es vorteilhaft, die für die Strahl­ umlenkung erforderlichen Spiegel 3 gegebenenfalls mit einer gekrümmten Oberfläche auszuführen. Die Krümmung kann dabei über eine als auch über zwei Achsen erfolgen und konkav oder konvex sein.To optimize the energy yield, it is necessary to adapt the seed laser pulse in terms of beam cross-section, energy density and beam divergence for the following amplifier stage. To minimize refractive elements in the beam guidance, it is advantageous to design the mirrors 3 required for the beam deflection, if necessary with a curved surface. The curvature can take place via one or two axes and can be concave or convex.

Die Beispiele beziehen sich auf die maximale Anzahl der Strahldurchgänge bei Anregungsdauer von ta = 25 ns und einer Erholungszeit von te = 3 ns. Eine Verringerung der Strahldurchgänge gegenüber den beispielhaft angege­ benen berührt die Patentanmeldung nicht.The examples relate to the maximum number of beam passes with an excitation time of t a = 25 ns and a recovery time of t e = 3 ns. A reduction in the beam passages compared to the examples given does not affect the patent application.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier darge­ stellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisie­ ren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. The invention is not limited to the Darge here presented embodiments. Rather, it is possible by combining and modifying the means mentioned and features to realize other design variants ren without departing from the scope of the invention.  

Tabellen 1-7 Tables 1-7

Tabelle 1 Table 1

Tabelle 2 Table 2

Tabelle 3 Table 3

Tabelle 4 Table 4

Tabelle 5 Table 5

Tabelle 6 Table 6

Tabelle 7 Table 7

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Eingangsstrahl (einfallender seed-Puls)
Input beam (incoming seed pulse)

22

Ausgangsstrahl
output beam

33

Umlenkspiegel
deflecting

44

Lasermedium
laser medium

55

Laser-Tube
a Seite der Laser-Tube
b die der Seite a gegenüberliegende Seite der Laser-Tube
Laser Tube
a side of the laser tube
b the side of the laser tube opposite side a

Claims (12)

1. Verfahren zur optimierten Einkopplung von Ultrakurzpuls-seed-Laserpulsen in einen ein Lasermedium (4) umfassenden Lichtverstärker, wobei
das Lasermedium (4) durch eine Anregungsdauer ta und eine spezifische Erholzeit te charakterisiert ist und die Anregungsdauer ta solcherart in eine Anzahl von Zeitabschnitten tv geteilt ist, daß für jeden Zeitabschnitt gilt: te ≦ tv < 2.te,
innerhalb der Anregungsdauer ta mindestens zwei seed-Laserpulse derart in den Lichtverstärker eingekoppelt werden, daß während eines Zeit­ abschnitts tv höchstens ein seed-Laserpuls eingekoppelt wird und
  • a) bei einseitiger Einkopplung der seed- Laserpulse in den Lichtverstärker, d. h. bei Einkopplung in die Seite (a) des Licht­ verstärkers allein bzw. bei Einkopplung in die Seite (b) des Lichtverstärkers allein, mindestens zwei seed-Laserpulse in direkt aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten ein­ gekoppelt werden oder
  • b) bei beidseitiger Einkopplung der seed- Laserpulse in den Lichtverstärker, d. h. bei Einkopplung eines seed-Laserpulses in die Lichtverstärkerseite der Auskopplung des diesem seed-Laserpuls vorangehenden seed- Laserpulses, die Einkopplung erst nach Verstreichen einer Zeit ≧ te nach der vollständigen Auskopplung des vorangehenden seed-Laserpulses erfolgt.
1. A method for the optimized coupling of ultrashort pulse seed laser pulses into a light amplifier comprising a laser medium ( 4 ), wherein
the laser medium ( 4 ) is characterized by an excitation time t a and a specific recovery time t e and the excitation time t a is divided into a number of time periods t v in such a way that the following applies for each time period: t e ≦ t v <2.t e .
at least two seed laser pulses are coupled into the light amplifier within the excitation period t a such that at most one seed laser pulse is coupled in during a period of time t v and
  • a) with one-sided coupling of the seed laser pulses into the light amplifier, ie with coupling into the side (a) of the light amplifier alone or with coupling into the side (b) of the light amplifier alone, at least two seed laser pulses in directly successive periods be coupled or
  • b) when the seed laser pulses are coupled into the light amplifier on both sides, ie when a seed laser pulse is coupled into the light amplifier side of the coupling of the seed laser pulse preceding this seed laser pulse, the coupling only after a time ≧ t e has passed after the complete coupling of the preceding seed laser pulse.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zeitabschnitte tv von gleicher Länge sind.2. The method according to claim 1, characterized in that all time segments t v are of the same length. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Zeitabschnitt tv keine Einkopplung erfolgt.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that there is no coupling in the first time period t v . 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die seed-Laserpulse in einer off-axis-Strahlführung eingekoppelt werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the seed laser pulses in an off-axis beam guidance be coupled. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der seed-Laserpulse innerhalb der Anregungsdauer ta mehrmals eingekoppelt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the seed laser pulses is coupled several times within the excitation period t a . 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einkoppeln in das Lasermedium und/oder nach Verlassen des Lasermediums eine Strahlteilung von seed-Laserpulsen erfolgt. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that before coupling into the laser medium and / or after Leaving the laser medium a beam split of seed laser pulses occur.   7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang der seed-Laserpulse durch Spiegel beeinflußt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the beam path of the seed laser pulses through mirrors being affected. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der seed-Laserpulse durch Spiegel beeinflußt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the transit time of the seed laser pulses through mirrors being affected. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß Spiegel eine gekrümmte Oberfläche aufweisen.9. The method according to any one of claims 7 or 8, characterized in that Mirrors have a curved surface. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung über eine Achse oder über zwei Achsen ausgeführt ist.10. The method according to claim 9, characterized in that the curvature over one axis or over two axes is executed. 11. verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um konkav oder konvex gekrümmte Spiegel­ oberflächen handelt.11. The method according to one of claims 9 or 10, characterized in that it is concave or convex curved mirrors surfaces. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß verstärkte seed-Laserpulse den Lichtverstärker innerhalb der Anregungsdauer ta auf verschiedenen Seiten verlassen.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that amplified seed laser pulses leave the light amplifier within the excitation period t a on different sides.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5303254A (en) * 1991-04-15 1994-04-12 Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschafen E.V. Transversely discharge-pumped gas laser

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Non-Patent Citations (1)

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Title
Lambda Physik Firmenschrift Lambda Highlights, No. 44, Mai 1994, S. 3-5 *

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