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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

Laser system, has control device which disconnects Q-switch when gain threshold of laser-active disk is reached for the first time Download PDF

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DE102004008854A1
DE102004008854A1 DE200410008854 DE102004008854A DE102004008854A1 DE 102004008854 A1 DE102004008854 A1 DE 102004008854A1 DE 200410008854 DE200410008854 DE 200410008854 DE 102004008854 A DE102004008854 A DE 102004008854A DE 102004008854 A1 DE102004008854 A1 DE 102004008854A1
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Abstract

The laser system has an excitation source for exciting a laser-active disk (2) arranged in a resonator which outputs a laser beam (5) with a single longitudinal mode. A Q-switch (8) is provided in the resonator. A control device (9) is provided for switching the Q-switch. The control device disconnects the Q-switch when a gain threshold of the laser active disk is reached for the first time. An independent claim is included for a method of Q-switching a laser system.

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 EP 0 632 551 bekannt. Die dort beschriebene vorteilhafte Ausführung in Form einer möglichst dünnen Scheibe erlaubt, einen solchen Scheibenlaser mit einfachen optischen Mitteln so aufzubauen, dass er in einem Dauerstrichbetrieb, auch mit cw-Betrieb (continuous wave) bezeichnet, in einem Grundmode (TEM00) und mit nur einer einzige Longitudinalmode anschwingt.A disk as a laser-active medium is for example from the EP 0 632 551 known. The described there advantageous embodiment in the form of a thin disc as possible to build such a disk laser with simple optical means so that it in a continuous wave operation, also with cw operation (continuous wave) referred to, in a basic mode (TEM 00 ) and with only a single longitudinal mode starts.

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 US 4,197,513 ist ein aktiv gütegeschalteter Einmodenlaser bekannt. Bei dem dort beschriebenen Lasersystem, das ohne Seed-Laser auskommt, erfolgt die Güteschaltung in zwei Schritten, um bei hoher Ausgangsleistung einem longitudinalen Einmodenbetrieb zu erzeugen. Bei einem dort als bekannt vorausgesetzten Verfahren, dem zweistufigen Güteschalten, wird der Güteschalter in zwei Stufen geöffnet. Zuerst wird nur auf das Niveau des Schwellenwertes für Lasertätigkeit geschaltet und anschließend wird in einem zweiten Schritt der Güteschalter vollständig geöffnet, um den Verstärkungspuls maximal werden zu lassen. Der zweite Schritt erfolgt nach der ersten auftretenden Spitze der Relaxationsoszillation bei einsetzender Lasertätigkeit. Dieses Verfahren funktioniert allerdings nicht zufriedenstellend bei Hochleistungs-Festkörperlasern, um einen longitudinalen Einmodenbetrieb zu erhalten.From the US 4,197,513 is an actively Q-switched single-mode laser known. In the laser system described there, which does not require a seed laser, the Q-switching takes place in two steps in order to produce a longitudinal single-mode operation at high output power. When there is a known procedure known as the two-stage Q-switching, the Q-switch is opened in two stages. First, only the level of the lasing threshold is switched, and then, in a second step, the Q-switch is fully opened to maximize the amplification pulse. The second step takes place after the first occurring peak of the relaxation oscillation when laser action begins. However, this method does not work satisfactorily with high power solid state lasers to achieve single mode longitudinal operation.

Deshalb wird in der US 4,197,513 vorgeschlagen, in dem ersten Schritt das relativ hohe Verlustniveau des Güteschalters solange zu halten, bis sich eine Mode stabilisiert hat. Erst dann wird in einem zweiten Schritt der Güteschalter vollständig geöffnet. Dazu wird die optische Strahlungsleistung in dem Resonator überwacht und ein Signal für jede Spitze der Relaxationsoszillation erzeugt. Eine Triggerschaltung schaltet in den verlustfreien Zustand, sobald die zweite oder eine andere nachfolgende Spitze der Relaxationsoszillation registriert wird, weil bei der ersten Spitze kein stabiler Einmodenbetrieb des Lasersystems erhalten wird.That is why in the US 4,197,513 proposed to hold in the first step, the relatively high level of loss of the Q-switch until a mode has stabilized. Only then, in a second step, the Q-switch is fully opened. For this purpose, the optical radiation power in the resonator is monitored and a signal is generated for each peak of the relaxation oscillation. A trigger circuit switches to the lossless state as soon as the second or another subsequent peak of the relaxation oscillation is registered because no stable single-mode operation of the laser system is obtained at the first peak.

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

1 – eine schematische Skizze eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lasersystems; 1 A schematic sketch of a first embodiment of the laser system according to the invention;

2 – eine schematische Skizze eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lasersystems; 2 A schematic sketch of a second embodiment of the laser system according to the invention;

3 – eine grafische Darstellung der Verstärkung und der Ausgangsleistung im Zeitverlauf. 3 - A graph of gain and output over time.

1 zeigt in einer schematischen Skizze ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lasersystems. Dargestellt ist der einfachste Aufbau, ein linearer Laserresonator mit einem hoch reflektierenden und teildurchlässigen Spiegel. 1 shows a schematic sketch of a first embodiment of the laser system according to the invention. Shown is the simplest structure, a linear laser resonator with a highly reflective and partially transparent mirror.

Der erfindungsgemäße Resonator umfasst als laseraktives Medium eine laseraktive Scheibe 2, beispielsweise ein plättchenförmiger Yb:YAG-Kristall. Die Scheibe 2 ist mit der Rückseite, die auch als Spiegel mit hoher Reflexion dient, an einer Kühleinrichtung 1 angeordnet. Die Kühleinrichtung 1 ist ein Kühlfinger oder ein Peltierelement, wobei die Temperatur der Scheibe 2 auf einem bestimmten Sollwert gehalten wird, dessen Abweichungen weniger als etwa 0,1 °C betragen. Der laseraktiven Scheibe 2 gegenüberliegend angeordnet ist ein Auskoppelspiegel 3, sodass ein optisches Strahlungsfeld 4 zwischen den beiden (End-)Spiegeln 2, 3 des Resonators in sich abgebildet wird. Die Innenseite des Auskoppelspiegels 3, d.h. die zur Resonator hingewandte Seite, ist leicht konkav gekrümmt, um einen Laserbetrieb in einem Grundmode (TEM00) zu erreichen, wobei der Durchmesser des Modenvolumens der laseraktiven Scheibe durch die Größe eines Pumplichtflecks definiert wird. Mit der Ziffer 5 wird das ausgekoppelte Strahlungsfeld, also das mit dem Lasersystem erzeugte Laserlicht, bezeichnet.The resonator according to the invention comprises a laser-active disk as the laser-active medium 2 For example, a platy Yb: YAG crystal. The disc 2 is with the back, which also serves as a mirror with high reflection, on a cooling device 1 arranged. The cooling device 1 is a cold finger or a Peltier element, wherein the temperature of the disc 2 is maintained at a certain set point whose deviations are less than about 0.1 ° C. The laser-active disc 2 arranged opposite is a Auskoppelspiegel 3 so that an optical radiation field 4 between the two (end) mirrors 2 . 3 of the resonator is imaged in itself. The inside of the Auskoppelspiegel 3 , that is, the side facing the resonator, is slightly concavely curved to achieve laser operation in a fundamental mode (TEM 00 ) Diameter of the mode volume of the laser-active disk is defined by the size of a pump light spot. With the numeral 5 is the decoupled radiation field, that is, the laser light generated by the laser system referred to.

Die laseraktive Scheibe 2 wird von einer geeigneten Anregungsquelle angeregt, die der Übersicht halber nicht dargestellt wird. Die Anregungsquelle oder Pumpeinrichtung kann beispielsweise ein Diodenlaser sein, welcher ein in die Scheibe 2 einfallendes Pumpstrahlungsfeld erzeugt, das vorzugsweise auf die laseraktive Scheibe 2 fokussiert ist und dessen nicht absorbierter Anteil mehrfach auf die gleiche Stelle der Scheibe refokussiert wird.The laser-active disc 2 is excited by a suitable excitation source, which is not shown for clarity. The excitation source or pumping means may be, for example, a diode laser which is inserted into the disc 2 incident pumping radiation field generated, preferably on the laser-active disc 2 is focused and its unabsorbed portion is repeatedly refocussed to the same location of the disc.

Die Möglichkeit, dass mehrere longitudinalen Moden im Verstärkungsprofil der laseraktiven Scheibe 2 liegen und gleichzeitig oszillieren können, bzw. dass zwar nur eine Mode oszilliert, aber durch eine Verschiebung der relativen Lage von Verstärkungsprofil und Resonatormoden die Laseremission zu einer anderen Mode „springen" kann, ist für viele, insbesondere spektroskopische, Anwendungen sehr störend. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, die Oszillation durch Wellenlängen bzw. Moden selektierende Elemente im Resonator auf eine einzelne Mode zu beschränken. Damit nur eine Mode in dem Resonator anschwingt, also ein longitudinaler Einmodenbetrieb sich aufbaut, sind in dem Strahlengang des optischen Strahlungsfeldes 4 mindestens ein Etalon 6 und ein unter Brewsterwinkel stehendes, doppelt brechendes Filter 7 (Lyot-Filter) vorgesehen, der auch als Polarisator wirkt.The possibility that several longitudinal modes in the gain profile of the laser-active disk 2 and that although only one mode oscillates, but that the laser emission can "jump" to another mode due to a shift in the relative position of the gain profile and resonator modes, for many, in particular spectroscopic, applications is very disturbing In some cases it is expedient to limit the oscillation by wavelength or mode-selecting elements in the resonator to a single mode, so that only one mode resonates in the resonator, ie a single-mode longitudinal mode builds up, in the beam path of the optical radiation field 4 at least one etalon 6 and a Brewster angle double refractive filter 7 (Lyot filter) provided, which also acts as a polarizer.

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 5 im Pulsbetrieb zu ermöglichen, wird eine Gütemodulation (Q-switch) durchgeführt. Dazu wird in dem Resonator ein Güteschalter 8, beispielsweise ein akustooptischer Kristall, eingebracht, mit dem die Verluste in dem Resonator und damit seine Güte zeitlich gesteuert werden kann.For higher peak powers of the emitted laser light 5 in pulse mode, a quality modulation (Q-switch) is performed. For this purpose, a Q-switch is in the resonator 8th , For example, an acousto-optic crystal introduced, with which the losses in the resonator and thus its quality can be controlled in time.

Im erfindungsgemäßen Fall wird der Güteschalter in einem gesperrten Zustand so betrieben, dass er für einen geringen Anteil des optischen Strahlungsfeldes 4 durchlässig ist. Abhängig von der Pumpleistung der Anregungsquelle und der in der Wiederholzeit zu erreichenden Verstärkung wird der Anteil so eingestellt, dass es zu einem Anwachsen des optischen Strahlungsfeldes 4 kommt, wenn die Verstärkung der laseraktiven Scheibe 2 gerade ausreichend groß ist, um die wesentlich durch den Güteschalter 8 verursachten hohen Resonatorverluste zu kompensieren. Bei diesem viele Resonatorumlaufzeiten dauernden Vorgang wird die Mode mit den geringsten Verlusten bevorzugt.In the case of the invention, the Q-switch is operated in a locked state so that it is responsible for a small portion of the optical radiation field 4 is permeable. Depending on the pumping power of the excitation source and the gain to be achieved in the repetition time, the proportion is adjusted such that there is an increase in the optical radiation field 4 comes when the gain of the laser active disk 2 just big enough to pass the key through the Q-switch 8th caused to compensate for high resonator losses. In this process, which takes many resonator cycle times, the mode with the least losses is preferred.

Die zeitliche Steuerung des Güteschalters 8 erfolgt durch eine Ansteuerelektronik 9. Hinsichtlich der Art der Kopplung des geringen Anteils 10 aus dem optischen Strahlungsfeld 4 wurde im Zusammenhang mit den bisherigen Erläuterungen keine näheren Angaben gemacht. Dieses vorteilhafte Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Anteil 10 von einem Frontseitenreflex des Lyot-Filters 7 stammt, das unter Brewsterwinkel in dem Strahlengang des optischen Strahlungsfeldes 4 steht. Eine alternative oder ergänzende Möglichkeit für ein optisches Signal 10 für einen Detektor 11 ist jeder Reflex von anderen optischen Komponenten in dem Resonator oder ein kleiner Teil des ausgekoppelten Laserstrahls 5.The timing of the Q-switch 8th done by a control electronics 9 , As regards the nature of the coupling of the low proportion 10 from the optical radiation field 4 No details were given in connection with the previous explanations. This advantageous embodiment provides that the proportion 10 from a frontal reflex of the Lyot filter 7 which comes under Brewster angle in the beam path of the optical radiation field 4 stands. An alternative or complementary possibility for an optical signal 10 for a detector 11 is any reflection from other optical components in the resonator or a small portion of the decoupled laser beam 5 ,

Der Detektor 11 wandelt das empfangende optische Signal 10 in einen elektronischen Triggerimpuls 12 um, der an die Ansteuerelektronik 9 weitergeleitet wird. Diese verarbeitet den elektronischen Triggerimpuls 12 und schaltet den Güteschalter 8 durch Veränderung eines Steuersignals 13 frei. Mit anderen Worten, bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes des optischen Signals 10, also bei einem bestimmten Schwellenwert der Verstärkung in dem Resonator, wird der wie vorstehend beschrieben gesperrte Güteschalter 8 vollständig geöffnet. Dann wird das zuvor bereits langsam angewachsene optische Strahlungsfeld 4 mit geringen Verlusten rückgekoppelt und so effizient bei jedem Durchgang durch die laseraktive Scheibe 2 zu einem Riesenimpuls verstärkt.The detector 11 converts the receiving optical signal 10 into an electronic trigger pulse 12 in order to the control electronics 9 is forwarded. This process the electronic trigger pulse 12 and turns on the Q-switch 8th by changing a control signal 13 free. In other words, upon reaching a certain threshold of the optical signal 10 That is, at a certain threshold of amplification in the resonator, the Q-switch is disabled as described above 8th fully open. Then the previously already slowly grown optical radiation field 4 fed back with low losses and so efficiently with each pass through the laser-active disk 2 reinforced to a giant impulse.

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 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laserverstärkersystems in einer schematischen Skizze dargestellt, das im Vergleich zum ersten Beispiel aus 1 erweitert ist. Gleiche und gleichwirkende Teile sind mit denselben Bezugsziffern versehen und deren Erklärungen werden zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen an dieser Stelle weggelassen.In the 2 a second embodiment of the laser amplifier system according to the invention is shown in a schematic sketch, compared to the first example of 1 is extended. The same and equivalent parts are given the same reference numbers and their explanations are omitted to avoid unnecessary repetition at this point.

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 4 auf diskrete Werte ein. Longitudinale Resonatormoden sind nur möglich, wenn die optische Weglänge in dem Resonator zwischen den beiden Spiegeln 2, 3 ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge (λ/2) beträgt. Ein optimaler Betrieb erfordert, dass eine solche Wellenlänge mit dem Maximum des Verstärkungsspektrums der laseraktiven Scheibe übereinstimmt, wobei dieses mit der wellenlängenabhängigen Transmission der modenselektierenden optischen Elemente in dem Resonator moduliert ist. Dabei ist die genaue Übereinstimmung der Frequenz einer Resonatormode mit einem Transmissionsmaximum des Etalons mit dem kleinsten freien Spektralbereich die bekannte „Achillesferse" des Resonatoraufbaus. Eine typische optische Länge des Resonator von etwa 500 mm bedeutet nämlich, dass benachbarte Moden sich nur um ein ppm in ihrer Frequenz unterscheiden. Soll während einer längeren Betriebszeit ein Modensprung des Lasers sicher verhindert werden, muss die relative Frequenzveränderung von Etalon- und Resonatormode kleiner als 10-7 sein.The advantage of the extension is a reduction of the high demands on the precision of the adjustment and the stability of the structure with regard to the maintenance of the optimal resonance condition. The boundary condition of a standing wave in the resonator restricts the possible frequency spectrum of the radiation field 4 to discrete values. Longitudinal resonator modes are only possible if the optical path length in the resonator is between the two mirrors 2 . 3 is an integer multiple of half the wavelength (λ / 2). Optimal operation requires that such wavelength coincide with the maximum of the gain spectrum of the laser active slice, which is modulated with the wavelength dependent transmission of the mode selecting optical elements in the resonator. In this case, the exact match of the frequency of a resonator mode with a transmission maximum of the etalon with the smallest free spectral range is the well-known "Achilles heel" of the resonator structure If the mode jump of the laser is to be reliably prevented during a longer operating time, the relative frequency change of the etalon and the resonator mode must be less than 10 -7 .

Um dies zu erreichen, erfasst der Photo-Detektor 11 zusätzlich die Intensität des optischen Signals 10 und erzeugt ein von der Intensität bzw. Energie abhängiges elektronisches Signal 14, das an eine zweite Ansteuerelektronik gesendet wird. Wenn die Resonatorlänge optimal auf die Emissionsfrequenz eingestellt ist, erreicht die Intensität des optischen Signals 10 den größten Wert. Dementsprechend verarbeitet die zweite Ansteuerelektronik 15 das empfangene elektronische Signal 14 und erzeugt ein Stellsignal 16, um eine Stellvorrichtung 17 anzusteuern. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Stellvorrichtung 17 an dem Auskoppelspiegel 3 angeordnet, um diesen zu verschieben, damit das maximale Signal und damit ein stabiler Einmodenbetrieb beibehalten wird. Eine die Resona torlänge verändernde Stellvorrichtung 17 ist bevorzugt mit einem Piezo-Element realisiert. Aber jede andere feinjustierbare Verstelleinrichtung für die optische Länge des Resonators kann alternativ verwendet werden. Ohne Veränderung des Funktionsprinzips kann die erforderliche Übereinstimmung beispielsweise auch durch Anpassung der Temperatur der laseraktiven Scheibe 2 und/oder der Temperatur oder Verkippung des Etalons erreicht werden.To achieve this, the photo detector captures 11 additionally the intensity of the optical signal 10 and generates an intensity-dependent electronic signal 14 , which is sent to a second control electronics. When the resonator length is optimally set to the emission frequency, the intensity of the optical signal reaches 10 the greatest value. Accordingly, the second drive electronics processed 15 the received electronic signal 14 and generates a control signal 16 to an adjusting device 17 head for. In this embodiment, the adjusting device 17 at the Auskoppelspiegel 3 arranged to shift it, so that the maximum signal and thus a stable single-mode operation is maintained. A Resona torlänge changing adjusting device 17 is preferably realized with a piezoelectric element. But any other finely tunable optical cavity length adjustment device may alternatively be used. Without changing the operating principle, the required match, for example, by adjusting the temperature of the laser-active disk 2 and / or the temperature or tilt of the etalon.

3 ist eine grafische Wiedergabe der Verstärkung und der Ausgangsleistung des Lasersystems aus den 1 und 2 im Zeitverlauf, um das Prinzip der Güteschaltung zu erläutern. In diesem Graf zeigt die Linie 18 den zeitlichen Verlauf der Verstärkung innerhalb der laseraktiven Scheibe. Der zeitliche Verlauf der Ausgangsleistung des Lasersystems wird mit der Linie 19 wiedergegeben. Für beide grafischen Linien 18, 19 ist die Abszisse die Zeitachse. 3 is a graphical representation of the gain and output power of the laser system from the 1 and 2 over time to explain the principle of Q-switching. In this count shows the line 18 the time course of the amplification within the laser-active disk. The time course of the output power of the laser system is with the line 19 played. For both graphic lines 18 . 19 the abscissa is the time axis.

Damit es in dem Lasersystem tatsächlich zu einem Anschwingen einer Resonatormode kommt, muss ein entsprechendes kleines optisches Strahlungsfeld 4 beim Durchlaufen der Scheibe 2 eine Verstärkung erfahren, die mindestens die Resonatorverluste ausgleicht. Solange der Güteschalter 8 (aus den 1, 2) sperrt, führt ein konstantes optisches Pumpen durch die Anregungsquelle zu einem Anstieg der Verstärkung 18 in der laseraktiven Scheibe 2. Im Gegensatz zu einer üblichen Güteschaltung sind bei dem erfindungsgemäßen Lasersystem die Verluste des gesperrten Güteschalters nur so hoch eingestellt, dass ab einem Zeitpunkt t0 die Verstärkung die Verluste übersteigt, zuerst für die Mode, die durch die modenselektierenden optischen Elemente im Resonator begünstigt wird. Die geringe Netto-Verstärkung führt zu einem Anschwingen dieser Mode. Zum Zeitpunkt t, überschreitet das ansteigende Signal der Verstärkung, das von dem Photo-Detektor 11 (1, 2) erfasst wird, erstmalig eine Triggerschwelle s1. Der Güteschalter wird daraufhin für eine kurze Zeit freigeschaltet. Die Verluste in dem Resonator sinken sehr schnell ab und die dann voll wirksame Verstärkung führt zum Aufbau eines großen Impulses aus der vorhandenen Mode. Dadurch wird die Inversion der laseraktiven Scheibe 2 abgebaut und die Verstärkung sinkt unter den Wert, der für die Selbsterregung notwendig ist. Dann schaltet die Steuereinrichtung 9 (1, 2) den Güteschalter 8 erneut in den gesperrten Zustand.In order for a resonator mode to actually resonate in the laser system, a corresponding small optical radiation field must be used 4 when passing through the disc 2 experience a gain that compensates at least the resonator losses. As long as the Q-switch 8th (from the 1 . 2 ), constant optical pumping by the excitation source results in an increase in gain 18 in the laser-active disk 2 , In contrast to a conventional Q-switching, in the laser system according to the invention the losses of the Q-switch are set only so high that from a time t 0 the gain exceeds the losses, first for the mode favored by the mode-selecting optical elements in the resonator. The low net gain leads to an oscillation of this mode. At time t, the rising signal of the gain exceeding that of the photo-detector exceeds 11 ( 1 . 2 ), for the first time a trigger threshold s 1 . The Q-switch will then be activated for a short time. The losses in the resonator sink very rapidly and then the fully effective gain leads to the build-up of a large pulse from the existing mode. This will cause inversion of the laser active disk 2 degraded and the gain falls below the value that is necessary for the self-excitation. Then turn on control device 9 ( 1 . 2 ) the Q-switch 8th again in the locked state.

Claims (6)

Lasersystem mit: – einer laseraktiven Scheibe (2), – einer Anregungsquelle zur Erzeugung eines angeregten Zustandes der laseraktiven Scheibe (2), und – einem Resonator, in dem die Scheibe (2) angeordnet ist und in dem ein optisches Strahlungsfeld (4) die Scheibe (2) mehrfach durchsetzend so rückgekoppelt wird, dass aus dem Resonator ein Laserstrahl (5) mit einer einzigen longitudinalen Mode auskoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Güteschalter (8) in dem Resonator und eine Steuereinrichtung (9) zum Schalten des Güteschalters (8) vorgesehen sind, wobei die Steuereinrichtung (9) den Güteschalter (8) bei einem erstmaligen Erreichen eines Schwellenwertes der Verstärkung (18) der laseraktiven Scheibe (2) freischaltet.Laser system with: - a laser-active disk ( 2 ), - an excitation source for generating an excited state of the laser-active disc ( 2 ), and - a resonator in which the disc ( 2 ) is arranged and in which an optical radiation field ( 4 ) the disc ( 2 ) is repeatedly fed back so that from the resonator a laser beam ( 5 ) is decoupled with a single longitudinal mode, characterized in that a Q-switch ( 8th ) in the resonator and a control device ( 9 ) for switching the Q-switch ( 8th ) are provided, wherein the control device ( 9 ) the Q-switch ( 8th ) upon first reaching a threshold value of the gain ( 18 ) of the laser-active disk ( 2 ) unlocks. Lasersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen optischen Detektor (11), der einen Anteil (10) des optischen Strahlungsfeldes (4) oder des Laserstrahls (5) erfasst und mindestens ein Ausgabesignal (12) erzeugt.Laser system according to claim 1, characterized by an optical detector ( 11 ), which has a share ( 10 ) of the optical radiation field ( 4 ) or the laser beam ( 5 ) and at least one output signal ( 12 ) generated. Lasersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (9) ein erstes Ausgabesignal (12) des optischen Detektors (11) verarbeitet und in Abhängigkeit von dem ersten Ausgabesignal (12) den Güteschalter (8) schaltet.Laser system according to claim 2, characterized in that the control device ( 9 ) a first output signal ( 12 ) of the optical detector ( 11 ) and in response to the first output signal ( 12 ) the Q-switch ( 8th ) switches. Lasersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen linearen Aufbau des Resonators.Laser system according to one of the preceding claims by a linear structure of the resonator. Lasersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine weitere Steuereinrichtung (15), die ein zweites Ausgabesignal (14) des optischen Detektors (11) verarbeitet und eine die Resonatorlänge des Lasersystems verändernde Stellvorrichtung (17) in Abhängigkeit des zweiten Ausgabesignals (14) ansteuert.Laser system according to one of Claims 2 to 4, characterized by a further control device ( 15 ), which outputs a second output signal ( 14 ) of the optical detector (1 1 ) and a the resonator length of the laser system changing adjusting device ( 17 ) in response to the second output signal ( 14 ). Verfahren zur Güteschaltung eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Güteschalter (8) bei einem erstmaligen Erreichen eines Schwellenwertes einer Verstärkung (18) eines optischen Strahlungsfeldes (4) von einer ersten Steuereinrichtung (9) freigeschaltet wird.A method of Q-switching a laser system according to any one of claims 1 to 5, wherein a Q-switch ( 8th ) upon first reaching a threshold value of a gain ( 18 ) of an optical radiation field ( 4 ) from a first control device ( 9 ) is unlocked.
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