DE102004008854A1 - Laser system, has control device which disconnects Q-switch when gain threshold of laser-active disk is reached for the first time - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einer laseraktiven Scheibe, einer Anregungsquelle zur Erzeugung eines angeregten Zustandes der laseraktiven Scheibe, einem Resonator, in dem die Scheibe angeordnet ist und in dem ein optisches Strahlungsfeld die Scheibe mehrfach durchsetzend so rückgekoppelt wird, dass aus dem Resonator ein Laserstrahl auskoppelbar ist, dessen Frequenzspektrum nur eine einzige Mode enthält. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Güteschaltung eines derartigen Lasersystems.The The invention relates to a laser system with a laser-active disk, an excitation source for generating an excited state of laser-active disk, a resonator in which the disk is arranged is and in which an optical radiation field the disk several times enforced so fed back is that from the resonator, a laser beam can be decoupled, whose Frequency spectrum contains only a single mode. The invention further relates a method of Q-switching such a laser system.
Eine
Scheibe als laseraktives Medium ist beispielsweise aus der
Soll nun ein solcher Scheibenlaser anstatt im Dauerstrichbetrieb in einem gütegeschalteten Pulsbetrieb betrieben werden, ist es nicht möglich, diese vorteilhaften Eigenschaften des Scheibenlasers aufrechtzuerhalten. Im Vergleich zum Dauerstrichbetrieb kann der gepulste Betrieb nur mit einem breiten Spektrum durchgeführt werden, ein sogenannter Single-Frequency-Betrieb ist somit nicht möglich. Ferner kann eine Pulsenergie erhalten werden, die zur Zerstörung der Scheibe führen kann.Should now such a disk laser instead of continuous wave operation in one Q-switched Pulsed operation, it is not possible to use these advantageous Maintain properties of the disk laser. Compared For continuous wave operation, pulsed operation can only be achieved with a broad spectrum carried out be a so-called single-frequency operation is not possible. Furthermore, a pulse energy can be obtained, which leads to the destruction of Lead disc can.
Nachdem vorstehende Probleme in dem Artikel „Q-switched Yb:YAG thin disk laser" von I. Johannsen, S. Erhard und A. Giesen (OSA TOPS, Vol. 50, advanced solid-state lasers, S. 191-196, 2001) beschrieben wurden, wird dort als Ausweg ein regenerativer Verstärkeraufbau vorgeschlagen.After this The above problems in the article "Q-switched Yb: YAG thin disk laser "by I. Johannsen, S. Erhard and A. Giesen (OSA TOPS, Vol. 50, advanced solid-state lasers, pp. 191-196, 2001) is there as a way out a regenerative amplifier construction proposed.
Diese vorgeschlagene regenerative Verstärkung erfordert allerdings einen wesentlich komplizierteren Aufbau des Lasersystems. So umfasst das Lasersystem effektiv zwei Scheibenlaser. Der erste Scheibenlaser wird cw betrieben und bestimmt als Seed-Laser die Frequenz des gepulsten zweiten Scheibenlasers, der als regenerativer Verstärker arbeitet.These However, proposed regenerative reinforcement requires a much more complicated structure of the laser system. So includes the laser system effectively has two disk lasers. The first disk laser cw is operated and determines the frequency of the pulsed as a seed laser second disk laser, which works as a regenerative amplifier.
Aus
der
Deshalb
wird in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist folglich, einen Scheibenlaser dahingehend zu verbessern, dass bei gleichbleibend unkompliziertem optischen Aufbau ein gütegeschalteter Einmodenbetrieb in einfacher Weise realisiert werden kann. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zur Güteschaltung des verbesserten Scheibenlasers anzugeben.task Accordingly, the present invention is a disk laser to improve that while maintaining uncomplicated optical Set up a Q-switched Single mode operation can be realized in a simple manner. Further The object is to provide a method of Q-switching the improved Specify disc laser.
Der Vorschlag zur Lösung dieser Aufgabe umfasst ein Lasersystem mit einer laseraktiven Scheibe, mit einer Anregungsquelle zur Erzeugung eines angeregten Zustandes der laseraktiven Scheibe und mit einem Resonator, in dem die Scheibe angeordnet ist und in dem ein optisches Strahlungsfeld die Scheibe mehrfach durchsetzend so rückgekoppelt wird, dass aus dem Resonator ein Laserstrahl auskoppelbar ist, dessen Frequenzspektrum nur eine longitudinale Mode enthält, und ein Verfahren zur Güteschaltung des Lasersystems. Erfindungsgemäß ist zusätzlich ein Güteschalter in dem Resonator und eine Steuereinrichtung zum kontrollierten Schalten des Güteschalters vorgesehen.Of the Proposal for a solution this object comprises a laser system with a laser-active disk, with an excitation source for generating an excited state the laser-active disk and with a resonator in which the disk is arranged and in which an optical radiation field the disc repeatedly enforced so fed back is that from the resonator, a laser beam can be decoupled, whose Frequency spectrum contains only one longitudinal mode, and a method of Q-switching of the laser system. In addition, according to the invention Q-switch in the resonator and a controller for controlled switching of the Q-switch intended.
Im Sperrzustand wird der Güteschalter derart angesteuert, dass er einstellbar hohe Resonatorverluste verursacht. Aufgrund kontinuierlichen Pumpens durch die Anregungsquelle steigt die Besetzung des angeregten Zustandes der laseraktiven Scheibe. Erreicht die damit verbundene Verstärkung der Scheibe erstmals einen Schwellenwert, der die hohen Resonatorverluste gerade kompensiert, setzt die Lasertätigkeit ein. Dann wird der Güteschalter komplett geöffnet, was die Aus kopplung eines Riesenimpulses aus dem Resonator erlaubt. Sowohl bei der einsetzenden Lasertätigkeit vor dem Öffnen als auch beim Aufbau des Riesenimpulses unmittelbar danach begünstigen die speziellen Eigenschaften einer Scheibe als dünnes Verstärkungsmedium auf einem Resonatorspiegel das Anschwingen des Lasers mit einer einzigen longitudinalen Mode. Dabei treten die vorstehend beschriebenen Probleme nicht auf und folglich ist ein Warten auf eine Modenstabilisierung bei abklingender Relaxationszeit nicht erforderlich.In the off state, the Q-switch is controlled in such a way that it can adjustably cause high resonator losses. Due to continuous pumping by the excitation source, the occupation of the excited state of the laser-active disk increases. If the associated gain of the disk reaches a threshold value for the first time, which just compensates for the high resonator losses, the laser action begins. Then the Güteschalter kom opened, which allows the coupling of a giant pulse from the resonator. Both in the onset of laser action prior to opening and in the build-up of the giant impulse immediately thereafter, the special properties of a disk as a thin gain medium on a resonator mirror favor the oscillation of the laser in a single longitudinal mode. In this case, the problems described above do not occur and consequently waiting for a mode stabilization with decreasing relaxation time is not required.
Das vorgeschlagene Lasersystem weist einen einfachen und unkomplizierten Aufbau eines kontinuierlich betriebenen Scheibenlasers auf. Aufgrund der vorgeschlagenen Güteschaltung kann das erfindungsgemäße Lasersystem in einem Pulsbetrieb mit kontrollierbar großen Pulsenergien betrieben werden und die Zerstörung der laseraktiven Scheibe wird sicher vermieden.The proposed laser system has a simple and straightforward Structure of a continuously operated disk laser on. by virtue of the proposed quality circuit can the laser system according to the invention operated in a pulsed operation with controllable large pulse energies become and the destruction the laser-active disc is safely avoided.
In vorteilhafter Weise ist bei einem erfindungsgemäßen Lasersystem ein optischer Detektor vorgesehen, der einen Anteil des optischen Strahlungsfeldes erfasst und mindestens ein Ausgabesignal erzeugt. Die mehreren Ausgabesignale können beispielsweise Informationen enthalten, ob und wann ein bestimmter Wert des Strahlungsfeldes erreicht wird oder in Relation zur Energie eines Laserpulses stehen. Diese Ausgabesignale stehen zur Steuerung des Lasersystems zur Verfügung.In Advantageously, in a laser system according to the invention is an optical Detector provided a portion of the optical radiation field detected and generates at least one output signal. The multiple output signals for example Information includes whether and when a certain value of the radiation field is reached or in relation to the energy of a laser pulse. These output signals are available for controlling the laser system.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinrichtung vorgesehen, ein erstes Ausgabesignal des optischen Detektors zu verarbeiten, um den Güteschalter zu schalten. Diese Steuereinrichtung spricht an, wenn das von dem optischen Detektor erfasste Strahlungsfeld erstmalig einen bestimmten kleinen Wert aufgrund der dann in dem Resonator geringer Güte vorhandenen kleinen Nettoverstärkung erreicht. Wird dieser Schwellenwert erreicht, schaltet die Steuereinrichtung die Güteschalter frei, d.h. dieser wird vollständig geöffnet und durchlässig. Das erste Ausgabesignal betrifft einen bestimmten Zeitpunkt. Diese Ausgestaltung der Steuereinrichtung gewährleistet die erfindungsgemäße Güteschaltung des Lasersystems.In a preferred embodiment of Present invention, the control device is provided, a process first output signal of the optical detector to the Q-switch to switch. This controller responds when that of the For the first time, the optical field detected a specific radiation field small value due to the then present in the resonator low quality small net reinforcement reached. If this threshold is reached, the controller switches the Q-switches free, i. this one will be complete open and permeable. The first output signal relates to a specific time. This embodiment the controller ensures the Q-switching according to the invention of the laser system.
Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Lasersystem einen linearen Aufbau des Resonators auf. Andere Aufbauweisen, beispielsweise mit einem gefalteten oder ringförmigen Verlauf des Strahlenfeldes sind prinzipiell auch möglich, benötigen jedoch einen komplizierteren Aufbau mit einer Vielzahl von Spiegeln mit zusätzlichen Resonatorverlusten. Der lineare Aufbau hingegen gewährleistet einen kurzen Resonatoraufbau mit wenigen optischen Mitteln.Prefers has the laser system according to the invention a linear structure of the resonator. Other structures, for example with a folded or annular Course of the radiation field are in principle also possible, but require one more complicated structure with a variety of mirrors with additional Resonator losses. The linear structure, however, ensures a short resonator structure with few optical means.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine weitere Steuereinrichtung vorgesehen, die ein zweites Ausgabesignal des optischen Detektors verarbeitet und eine die Länge des linearen Resonators verändernde Stellvorrichtung ansteuert. Das zweite Ausgabesignal des optischen Detektors ist proportional zum Zeitintegral des Strahlungsfeldes über die Dauer eines Laserpulses bzw. zur Pulsenergie. Maximale Pulsenergie wird erreicht, wenn die Resonatorlänge so eingestellt wird, dass die Wellenlänge des Lasers genau mit dem Maximum der Transmission von modenselektierenden optischen Elementen im Resonator und dieses mit dem Maximum des spektralen Verstärkungsprofils der laseraktiven Scheibe übereinstimmt. Auf diese Weise wird die Resonatorbedingung optimal erfüllt. Dadurch kann das Laserverstärkersystem über längere Zeit stabil in einer einzigen longitudinalen Mode betrieben werden.In a further advantageous embodiment of the present invention a further control device is provided which has a second output signal the optical detector is processed and the length of the linear resonator changing Actuator controls. The second output signal of the optical Detector is proportional to the time integral of the radiation field over the Duration of a laser pulse or pulse energy. Maximum pulse energy is achieved when the resonator length is adjusted so that the wavelength of the laser exactly with the maximum of the transmission of mode-selective optical elements in the resonator and this with the maximum of spectral gain profile the laser active disk coincides. In this way the resonator condition is optimally fulfilled. Thereby can the laser amplifier system for a long time be operated stably in a single longitudinal mode.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen infollowing The present invention will become apparent from the detailed description two embodiments in conjunction with the attached Drawings closer explained. These show in
Der
erfindungsgemäße Resonator
umfasst als laseraktives Medium eine laseraktive Scheibe
Die
laseraktive Scheibe
Die
Möglichkeit,
dass mehrere longitudinalen Moden im Verstärkungsprofil der laseraktiven
Scheibe
Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel der Resonator linear ausgebildet ist, ist auch ein anderer Aufbau denkbar, beispielsweise gefaltet oder in einer geschlossenen geometrischen Form, die als Ringresonator bezeichnet wird. Was den kontinuierlichen Einmodenbetrieb betrifft, so sind Ringlaser mit nur in einer Richtung umlaufenden Welle als vorteilhaft bekannt, weil das „spatial hole burning" in dem Verstärkungsmedium vermieden werden kann. Allerdings erfordert dies die Verwendung einer optischen Diode in dem Resonator und einen relativ komplexen Aufbau. Scheibenlaser mit einer laseraktiven Scheibe, deren Rückseite als Spiegel in dem Resonator wirkt, verhalten sich ähnlich vorteilhaft, weil alle stationä ren Resonatormoden bei Reflexion an einem Spiegel immer einen Wellenknoten aufweisen, also an der Rückseite der Scheibe sich hinsichtlich „spatial hole burning" nicht unterscheiden. Wenn es durch die vorteilhafte Verwendung einer möglichst dünnen Scheibe mit einem möglichst kleinen laseraktiven Volumen und einem angepassten kurzen Resonator nicht direkt gelingt, den Betrieb in einer einzigen longitudinalen Mode zu erzielen, kann dieser durch den Einsatz weniger modenselektierender optischer Elemente in dem Resonator erreicht werden.Even though in this embodiment the resonator is linear, is also another structure conceivable, for example, folded or in a closed geometric Form, which is called a ring resonator. What the continuous one-mode operation is concerned, ring lasers are circulating with only in one direction Wave known to be advantageous because the "spatial hole burning" in the gain medium can be avoided. However, this requires the use an optical diode in the resonator and a relatively complex one Construction. Disk laser with a laser-active disk, whose back acting as a mirror in the resonator behave similarly advantageous because all stationary ren resonator modes always have a wave node when reflected on a mirror, So at the back of the disk with regard to "spatial not burning differ. If it is by the advantageous use of a possible thin Slice with one as possible small laser-active volume and an adapted short resonator not directly succeed in operating in a single longitudinal Fashion can achieve this by using less mododeelektierender optical elements can be achieved in the resonator.
Um
höhere
Spitzenleistungen des emittierten Laserlichts
Im
erfindungsgemäßen Fall
wird der Güteschalter
in einem gesperrten Zustand so betrieben, dass er für einen
geringen Anteil des optischen Strahlungsfeldes
Die
zeitliche Steuerung des Güteschalters
Der
Detektor
Obwohl das in dem linearen Resonator umlaufende intensive Strahlungsfeld eine linear polarisierte Welle bildet, die in Schwingungsknoten keine Verstärkung erfährt und deshalb zu „spatial hole burning" in dem Verstärkungsmedium führt, wird über die gesamte Pulsdauer keine andere Mode soweit begünstigt, dass sie mit der zu Beginn des Pulses vorhandenen einzelnen Mode konkurrieren kann, wenn eine dünne Scheibe verwendet wird. Zum Beispiel hat sich eine Scheibendicke von 250 μm als hinreichend dünn erwiesen. Bei einer Laserwellenlänge von etwa 1 μm entspricht dies etwa 500 Knoten. Das erfordert bereits im cw-Betrieb eine sorgfältige Auswahl der die Wellenlänge bzw. Moden selektierenden optischen Elemente, eine präzise Justage und einen thermisch stabilen gekapselten Resonatoraufbau, insbesondere bei einer Resonatorlänge von etwa 500 mm. Mit dem vorgestellten Verfahren zur Güteschaltung kann die in dem Dauerstrichbetrieb erreichte spektrale Qualität mit einer einzigen longitudinalen Mode auch im Pulsbetrieb erhalten werden.Although the intense radiation field circulating in the linear resonator forms a linearly polarized wave, which does not undergo amplification in vibration nodes and therefore leads to "spatial hole burning" in the amplification medium, is over the entire pulse duration favors no other mode to the extent that it can compete with the single mode present at the beginning of the pulse when a thin slice is used. For example, a slice thickness of 250 μm has proven to be sufficiently thin. At a laser wavelength of about 1 μm, this corresponds to about 500 knots. This already requires careful selection of the optical elements which select the wavelength or modes in the cw mode, precise adjustment and a thermally stable, encapsulated resonator structure, in particular with a resonator length of about 500 mm. With the presented Q-switching method, the spectral quality achieved in continuous wave mode can be obtained in a single longitudinal mode even in pulsed mode.
In
der
Der
Vorteil der Erweiterung besteht in einer Verminderung der hohen
Anforderungen an die Präzision
der Justage und die Stabilität
des Aufbaus hinsichtlich der Einhaltung der optimalen Resonanzbedingung.
Die Randbedingung einer stehenden Welle in dem Resonator schränkt das
mögliche
Frequenzspektrum des Strahlungsfeldes
Um
dies zu erreichen, erfasst der Photo-Detektor
Damit
es in dem Lasersystem tatsächlich
zu einem Anschwingen einer Resonatormode kommt, muss ein entsprechendes
kleines optisches Strahlungsfeld
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