[go: up one dir, main page]

WO2013185792A1 - Kurzpuls - laser mit verstärker und einstellbarer pulsfolge - Google Patents

Kurzpuls - laser mit verstärker und einstellbarer pulsfolge Download PDF

Info

Publication number
WO2013185792A1
WO2013185792A1 PCT/EP2012/004375 EP2012004375W WO2013185792A1 WO 2013185792 A1 WO2013185792 A1 WO 2013185792A1 EP 2012004375 W EP2012004375 W EP 2012004375W WO 2013185792 A1 WO2013185792 A1 WO 2013185792A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
pulse
short
control unit
pulses
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/004375
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang SCHÜSSLBAUER
Hans Amler
Josef Thumbs
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.)
Photon Energy GmbH
Original Assignee
Photon Energy 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 Photon Energy GmbH filed Critical Photon Energy GmbH
Priority to KR1020147034611A priority Critical patent/KR20150008904A/ko
Priority to JP2015516472A priority patent/JP2015519757A/ja
Priority to DE112012006506.9T priority patent/DE112012006506B4/de
Priority to US14/407,103 priority patent/US9640939B2/en
Publication of WO2013185792A1 publication Critical patent/WO2013185792A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/10015—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by monitoring or controlling, e.g. attenuating, the input signal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/10023—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors
    • H01S3/1003—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors tunable optical elements, e.g. acousto-optic filters, tunable gratings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1022—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping
    • H01S3/1024—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping for pulse generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2316—Cascaded amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0085—Modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094076—Pulsed or modulated pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/1001—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by controlling the optical pumping

Definitions

  • the invention relates to a short-pulse laser, in particular for generating laser pulses in the ps range for use in industrial and scientific environment.
  • the invention is concerned with the desire for the most accurate adjustment of the pulse energy while maintaining high efficiency.
  • the switch-on and switch-off process for setting laser pulses of given energy is a problem.
  • energy is stored in the active media of the amplifier systems. This stored energy leads to a strong increase in the energy of the first amplified laser pulses when the amplifier is again rushed by the laser pulses from the seed laser oscillator after the end of the break in operation, although the laser pulses from the seed laser oscillator have a constant energy.
  • a solution known today of the problem addressed provides for the amplifier chain to be operated continuously with a pulse train of fixed, adjustable repetition frequency, which leads to a pulse train of laser pulses of constant energy. These laser pulses are subsequently modulated or switched on and off with a suitable optical switch, in particular by means of an electro-optical or acousto-optical modulator (EOM, AOM).
  • EOM electro-optical or acousto-optical modulator
  • the invention is therefore based on the object of specifying a short-pulse laser, which allows the most efficient possible operation of a precise setting of the pulse energy of the laser pulses.
  • a short-pulse laser is provided with a seed laser oscillator, with a controllable pulse picker for coupling a laser pulse or a sequence of laser pulses and with an amplifier unit connected downstream of the pulse picker for amplifying the coupled-out laser pulses, wherein the amplifier unit at least a first amplifier stage and a controllable first Pump laser comprises, and further comprising a control unit which is adapted to control the Pulspicker and / or the first pump laser to reach a predetermined energy of the post-amplified laser pulses.
  • the invention provides to modulate the power of a pulse picker between the seed laser oscillator and the amplifier unit and / or the power of the amplifier unit by a corresponding control of the pulse picker and / or the first pump laser. Both by a corresponding control of the pulse picker and the pump laser, it is possible to influence or change the energy of the decoupled from the seed laser oscillator laser pulse so that the amplified laser pulse has the desired predetermined pulse energy.
  • the invention makes it possible to take into account the stored energy in the active medium of the amplifier unit in the activation of the pulse picker and / or the first pump laser, so that just after a shutdown of the decoupled laser pulses, ie after a break in operation, when restarting the first amplified laser pulses have the desired pulse energy. It is not necessary, therefore Operate amplifier unit during the pauses with a decoupled pulse train from the seed laser oscillator.
  • the invention also makes it possible, by means of the specified control, to generate a pulse train with laser pulses of respectively predetermined, freely selected pulse energy.
  • the control parameters required taking into account the physical data or the respective operating state of the active media and / or the optical switch or pulse picker can, for example, be stored in a non-volatile memory or obtained by means of a correspondingly deposited functional relationship.
  • the seed laser oscillator may in particular be designed as a mode-locked solid-state laser or as a mode-locked fiber laser.
  • suitable seed pulse sources are also conceivable.
  • the invention is not fixed to a specific pulse picker or optical switch. Basically, all optical switches are suitable, which allow with appropriate control of a modulation of the energy of the decoupled laser pulse.
  • the pulse picker is preferably an acousto-optic modulator, wherein the control unit is set up to adjust the RF signal driving the acousto-optic modulator, in particular to change the amplitude and / or the frequency of the RF signal.
  • the energy of the decoupled laser pulse can be set in a relatively simple manner predictable.
  • the first pump laser is a laser diode
  • the control unit to a control of the laser diode driving signal, in particular to a PWM clocking (pulse width modulation) of a voltage applied to the laser diode supply voltage is set up.
  • PWM clocking pulse width modulation
  • the amplifier unit comprises a second amplifier stage with a second controllable pump laser, wherein the control unit is additionally arranged to drive the second pump laser to achieve a predetermined energy of the post-amplified laser pulses.
  • the second pump laser is a laser diode
  • the control unit is arranged to control the signal driving the laser diode, in particular to a PWM clocking of a supply voltage applied to the laser diode.
  • control unit is set up to derive a start signal from the pulse repetition frequency of the seed laser oscillator, to connect a first delay time to the start signal, to apply a second delay time to a trigger signal and to decouple a predetermined laser pulse energy or to decouple a sequence of desired laser pulses of predetermined energy Start control phase of the pulse picker with the delayed start signal and a control phase of the or each pump laser each with a delayed trigger signal.
  • the control phase of the pulse picker is synchronized to the pulse sequence of the seed laser oscillator, so that after the corresponding first delay time, a laser pulse or a sequence of laser pulses is coupled out of the pulse train synchronously.
  • the driver signal for the Pulspicker such as the RF signal for an acousto-optic modulator, modulated in amplitude accordingly.
  • a single pulse as well as a permanently programmable sequence of individual pulses with desired energy can be coupled out for amplification.
  • the control phases of the pump laser are with corresponding second delay tion times coupled to an external trigger signal.
  • the interaction of first and second delay time ensures that the pump energy is already introduced into the active medium before the coupling out of the laser pulse and the passage of the amplifier unit with lead time, so that the desired amplification occurs when passing through.
  • the booster unit is operated during pauses of operation, i. in times without decoupled seed laser pulses, operated at constant energy, so that the active media are kept at a set temperature.
  • the energy of the pump laser light is raised. For example, in the case of laser diodes, this is done by increasing the on-time (voltage is applied) within a PWM clock phase of the supply voltage.
  • control unit is set up to determine the first delay time coupled to the pulse sequence of the seed laser oscillator, taking into account a lead time of the amplifier unit necessary for achieving the required energy of the amplified laser pulse. Thereby reference is made to the storable in the respective amplifier medium energy.
  • pump energy is already introduced into the amplifier unit before the laser pulse is decoupled from the seed laser oscillator for amplification after the first delay time for amplification.
  • control unit is further configured to additionally take into account the PWM clock signal of the supply voltage of a laser diode used as a pump laser for determining the first delay time from the preprocessing time.
  • a next possible start time of the control phase of the laser diodes is determined (ie, the second delay time) and the necessary first delay time determined with the addition of the intended Vprlaufzeit.
  • the necessary parameters and relationships for determining the delay and lead times required for a particular pulse configuration are taking into account the physical data or the respective operating state of the active media and / or the optical switch or Pulspickers preferred - as already mentioned - deposited in a non-volatile memory or are obtained from a corresponding deposited functional relationship.
  • a short-pulse laser is provided with a pulsed laser diode for generating a laser pulse or a sequence of laser pulses and with an amplifier unit downstream of the pulsed laser diode for amplifying the decoupled laser pulses, wherein the amplifier unit comprises at least one amplifier stage and a controllable first pump laser, wherein further Control unit is arranged, which is adapted to control the pulsed laser diode and / or the first pump laser to reach a predetermined energy of the post-amplified laser pulses.
  • the seed laser oscillator is replaced by a pulsed laser diode which serves as a seed laser source.
  • a pulse picker can be dispensed with because its functionality is provided by the pulsed laser diode as such.
  • the control of the pulsed laser diode to achieve a predetermined energy of the amplified laser pulses is done via an adjustment of the amplitude of the current driving the laser diode.
  • the pulsed laser diode is designed as a so-called gain-switched laser diode.
  • the triggering of the pulsed laser diode and the triggering of the control phases of the or each pump laser is preferably derived directly from an external trigger signal.
  • the presently described second variant is based on the same basic inventive idea as the first variant. Instead of the pulse picker, the pulsed laser diode is directly driven to adapt the pulse energy.
  • the second variant is with all the above advantageous embodiments the first variant can be combined or further developed, which do not relate to a Pulspicker.
  • FIG. 1 shows schematically the basic structure of a short-pulse laser with an energy control of the coupled-out laser pulses, as well
  • Fig. 2-4 different signal sequences to explain a power control of a single pulse, a freely programmable pulse train and a defined pulse train.
  • the illustrated short-pulse laser 1 comprises a seed laser oscillator 2 from whose continuous pulse train 4 individual laser pulses or sequences of laser pulses or pulse sequences can be coupled out by means of a pulse picker.
  • a pulse picker To amplify the decoupled laser pulses, one or more amplifier stages 5, 6 are provided, which can be realized, for example, as a fiber amplifier or solid-state amplifier.
  • the seed laser oscillator 2 is given, for example, as a mode-locked solid-state laser, with a correspondingly mirrored end mirror being provided for coupling out the laser pulses.
  • a saturable absorber is provided in the laser oscillator.
  • a laser-active solid for example, a Nd: YV0 4 crystal is used.
  • the saturable absorber is, for example, a suitable semiconductor material such as InGaAs.
  • the seed laser oscillator 2 provides pulses with a pulse length of 10 ps to 1 ns and a pulse energy in the sub-nJ range.
  • the pulse repetition rate of the seed laser oscillator 2 is exemplified by 65 MHz.
  • Pulspicker 4 an acousto-optic modulator (AOM) is used.
  • AOM acousto-optic modulator
  • RF signal By means of an RF signal, acoustic waves are generated in such a modulator at which laser pulses are diffracted and thereby decoupled.
  • Pulse sequences with a pulse repetition rate between 0 Hz (single pulse) and 20 MHz can be decoupled via the pulse picker 4.
  • the decoupled pulses can be pre-amplified in the first amplifier stage 5 to about 500 nJ. After passing through the second amplifier stage 6, a pulse energy of up to 1 mJ can be achieved.
  • the short-pulse laser 1 has a control unit 10.
  • the control unit 10 is in this case connected control technology with the seed laser oscillator 2, with the acousto-optical modulator 7 of the pulse picker 4 and with the laser diodes 8, 9 of the first amplifier stage 5 and the second amplifier stage 6.
  • a central microcontroller 12 receives from the seed laser oscillator 2 a synchronization signal (SYNC), which is derived directly from the pulse sequence of the laser oscillator.
  • SYNC synchronization signal
  • the acousto-optic modulator 7 of the pulse picker 4 is activated for targeted coupling out of laser pulses.
  • the energy of the decoupled laser pulse is controlled by a corresponding amplitude modulation of the RF signal.
  • the laser diodes 8 and 9 of the amplifier stages 5, 6 are each driven by means of a modulated voltage signal (PWM diode 1, PWM diode 2).
  • the pump power introduced by the laser diodes 8, 9 into the respective amplifier unit and thus the respective amplification factor is controlled in the voltage signal by a clocked variation of the duty cycle (PWM clocking).
  • PWM clocking a clocked variation of the duty cycle
  • the decoupling of a laser pulse or a sequence of laser pulses is carried out on an external request 14.
  • Each of the control signals is in terms of its position or phase 15, 17, 19 and its amplitude 16, 18, 20 adjustable.
  • the setting parameters for the delay times, phases and amplitudes of the respective control signals determined on the basis of stored tables or functional relationships ensure that the laser pulse decoupled from the pulse picker 4 has the predetermined energy after passing through the amplifier units 5, 6.
  • specific energies can be assigned to the individual laser pulses themselves in a sequence of pulses.
  • the generation of pulse sequences with freely programmable energies is possible.
  • the pulse train 30 of the seed laser oscillator 2 is used as a central synchronization signal or master clock 21, the pulse train 30 of the seed laser oscillator 2 is used. Accordingly, the synchronization signal 21 has a pulse repetition rate corresponding to the frequency of 65 MHz.
  • an external trigger signal 22 the output of a laser pulse with a predetermined energy or a sequence of laser pulses, each with predetermined energy is requested.
  • the trigger signal 22 to a positive high level 32.
  • the decoupling of a laser pulse or a sequence of laser pulses is effected by means of an RF signal 23 which is applied to the acousto-optical modulator 7 of the pulse picker 4 (see FIG. 1).
  • a corresponding burst signal 33 is generated, that is, a time-limited amplitude-modulated RF signal.
  • the carrier frequency is 260 MHz, which corresponds to four times the frequency of the synchronization signal 21.
  • the burst signal 33 can be synchronized comparatively easily to a laser pulse to be coupled out.
  • the modulated voltage signals 24 and 25 are shown, which abut the laser diodes 8, 9 of the amplifier stages 5, 6. It is their PWM clocking, so the clocked variation of the duty cycle, visible.
  • lead times T1 and T2 for the first amplifier stage 5 and second amplifier stage 6 are determined as a function of the desired pulse energy.
  • the storable pump energies are taken into account.
  • the delay times D11 and D12 which are still required for switching on the corresponding control phases 34, 35 of the laser diodes 8, 9 are also determined.
  • the control phases 34, 35 the duty cycle of the voltage signal within a PWM cycle is increased to introduce pump energy.
  • the laser diodes 8, 9 are operated at a reduced voltage (the turn-on times are reduced) in order to keep the amplifier units 5, 6 at a desired temperature.
  • first delay times D01 and D02 are determined, the phase position and the start time for a burst signal 33 for coupling out the still to be amplified laser pulse specify.
  • the first delay times D01 and D02 are in this case coupled via the synchronization signal 21 directly to the pulse sequence 30 of the seed laser oscillator 2.
  • the burst signal 33 can accordingly be generated synchronously with a laser pulse 30 to be coupled out of the seed laser oscillator 2.
  • the laser diodes 8, 9 at the end of the second delay times D11, D12 in FIG. 2 according to FIG Control phases 34, 35 each operated with a supply voltage increased by extending the turn-on.
  • the burst signal 33 determined on the basis of the first delay times D01, D02 a single laser pulse is coupled out of the pulse sequence 30 and predictably amplified via the pump energy stored in the amplifier stages 5, 6. This results in a decoupled single pulse with the desired energy.
  • the voltage signals 24, 25 are operated with a corresponding PWM pattern in such a way that a sequence of pulses is decoupled with respectively freely programmed energy.
  • a sequence of burst signals synchronized in each case to the pulse sequence 30 is generated, the amplitude of which is modulated differently.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

Beschreibung
KUR PULS - LASER MIT VERSTÄRKER UND EINSTELLBARER PULSFOLGE
Die Erfindung betrifft einen Kurzpuls-Laser, insbesondere zur Erzeugung von Laserpulsen im ps-Bereich zur Anwendung im industriellen und wissenschaftlichen Umfeld. Die Erfindung beschäftigt sich dabei mit dem Wunsch nach einer möglichst genauen Einstellung der Pulsenergie bei gleichzeitig hoher Wirtschaftlichkeit.
In industriellen Anlagen ist es erforderlich, einen Kurzpuls-Laser während eines Bearbeitungsprozesses an- und abzuschalten. Insbesondere wird dies beispielsweise beim Beschriften oder Bearbeiten von Werkstücken erforderlich. Dazu müssen in der Regel einzelne Laserpulse getriggert werden, oder aber es muss eine Serie von Laserpulsen möglichst konstanter oder individuell programmierbarer Pulsenergie abgerufen werden.
Bei einem kontinuierlich gepumpten Verstärkersystem stellt der Ein- und Ab- schaltprozess zur Einstellung von Laserpulsen vorgegebener Energie ein Problem dar. Während der Betriebspausen, also in Phasen von nicht ausgeblendeten Laserpulsen des Seed-Laseroszillators, wird in den aktiven Medien der Verstärkersysteme Energie gespeichert. Diese gespeicherte Energie führt zu einer starken Überhöhung der Energie der ersten verstärkten Laserpulse, wenn der Verstärker nach dem Ende der Betriebspause wieder von Laserpulsen aus dem Seed- Laseroszillator durcheilt wird, obgleich die Laserpulse aus dem Seed- Laseroszillator eine konstante Energie aufweisen.
Eine heute bekannte Lösung des angesprochenen Problems sieht vor, die Verstärkerkette mit einem Pulszug fester, einstellbarer Wiederholfrequenz kontinuierlich zu betreiben, was zu einem Pulszug aus Laserpulsen konstanter Energie führt. Diese Laserpulse werden nachfolgend mit einem geeigneten optischen Schalter, insbesondere mittels eines elektrooptischen oder akustooptischen Modulators (EOM, AOM), moduliert bzw. an- und abgeschaltet.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Nachteiligerweise führt der kontinuierliche Betrieb des Kurzpuls-Lasers zu unerwünscht hohen Betriebskosten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kurzpuls-Laser anzugeben, der bei möglichst wirtschaftlichem Betrieb eine möglichst genaue Einstellung der Pulsenergie der Laserpulse ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einer ersten Variante durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Demnach ist ein Kurzpuls-Laser mit einem Seed- Laseroszillator, mit einem steuerbaren Pulspicker zum Auskoppeln eines Laserpulses oder einer Sequenz von Laserpulsen und mit einer dem Pulspicker nachgeschalteten Verstärkereinheit zum Verstärken der ausgekoppelten Laserpulse vorgesehen, wobei die Verstärkereinheit wenigstens eine erste Verstärkerstufe und einen steuerbaren ersten Pumplaser umfasst, und wobei weiter eine Steuereinheit umfasst ist, die eingerichtet ist, den Pulspicker und/oder den ersten Pumplaser zum Erreichen einer vorgegebenen Energie der nachverstärkten Laserpulse zu steuern.
Mit anderen Worten sieht die Erfindung vor, die Leistung eines Puls-Pickers zwischen dem Seed-Laseroszillator und der Verstärkereinheit und/oder die Leistung der Verstärkereinheit durch eine entsprechende Steuerung des Puls-Pickers und/oder des ersten Pumplasers zu modulieren. Sowohl durch eine entsprechende Ansteuerung des Pulspickers als auch des Pumplasers wird es möglich, die Energie des aus dem Seed-Laseroszillators ausgekoppelten Laserpulses so zu beeinflussen bzw. zu verändern, dass der verstärkte Laserpuls die gewünschte vorgegebene Pulsenergie aufweist. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, bei der Ansteuerung des Pulspickers und/oder des ersten Pumplasers die gespeicherte Energie im aktiven Medium der Verstärkereinheit zu berücksichtigen, so dass gerade nach einem Abschalten der ausgekoppelten Laserpulse, also nach einer Betriebspause, beim Wiedereinschalten auch die ersten verstärkten Laserpulse die gewünschte Pulsenergie aufweisen. Es ist demnach nicht notwendig, die Verstärkereinheit während der Betriebspausen mit einem ausgekoppelten Pulszug aus dem Seed-Laseroszillator zu betreiben.
Insbesondere ermöglicht es die Erfindung aber auch, durch die angegebene Steuerung einen Pulszug mit Laserpulsen jeweils vorgegebener frei gewählter Pulsenergie zu erzeugen. Die unter Berücksichtigung der physikalischen Daten oder des jeweiligen Betriebszustandes der aktiven Medien und/oder des optischen Schalters bzw. Pulspickers erforderlichen Steuerparameter können beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher hinterlegt oder mittels eines entsprechend hinterlegten funktionalen Zusammenhangs gewonnen werden.
Der Seed-Laseroszillator kann insbesondere als ein modengekoppelter Festkörperlaser oder als ein modengekoppelter Faserlaser ausgebildet sein. Auch sind prinzipiell andere geeignete Seed-Pulsquellen vorstellbar.
Die Erfindung ist nicht auf einen bestimmten Pulspicker bzw. optischen Schalter festgelegt. Grundsätzlich eignen sich alle optischen Schalter, die mit entsprechender Ansteuerung einer Modulation der Energie des ausgekoppelten Laserpulses erlauben. Bevorzugt ist der Pulspicker ein akustooptischer Modulator, wobei die Steuereinheit zu einer Einstellung des den akustooptischen Modulator treibenden HF-Signals, insbesondere zu einer Änderung der Amplitude und/oder der Frequenz des HF-Signals, eingerichtet ist. Über die Amplitude und/oder die Frequenz des HF-Signals kann die Energie des ausgekoppelten Laserpulses in relativ einfacher Art und Weise vorhersagbar eingestellt werden.
Weiter bevorzugt ist der erste Pumplaser eine Laserdiode, wobei die Steuereinheit zu einer Steuerung des die Laserdiode treibenden Signals, insbesondere zu einer PWM-Taktung (Pulsweitenmodulation) einer an der Laserdiode anliegenden Versorgungsspannung, eingerichtet ist. Durch eine entsprechende PWM-Taktung der Versorgungsspannung wird die Energie der Laserstrahlung des Pumplasers unmittelbar beeinflusst, wodurch die Pulsenergie des verstärkten Laserpulses einstellbar bzw. vorhersagbar wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Verstärkereinheit eine zweite Verstärkerstufe mit einem zweiten steuerbaren Pumplaser, wobei die Steuereinheit zusätzlich eingerichtet ist, den zweiten Pumplaser zum Erreichen einer vorgegebenen Energie der nachverstärkten Laserpulse anzusteuern. Hierdurch wird eine zusätzliche Möglichkeit zur Einstellung der Pulsenergie des Laserpulses gegeben.
Bevorzugt ist auch der zweite Pumplaser eine Laserdiode, wobei die Steuereinheit zu einer Steuerung des die Laserdiode treibenden Signals, insbesondere zu einer PWM-Taktung einer an der Laserdiode anliegenden Versorgungsspannung, eingerichtet ist.
Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit eingerichtet, aus der Pulswiederholfrequenz des Seed-Laseroszillators ein Startsignal abzuleiten und dem Startsignal eine erste Verzögerungszeit aufzuschalten, einem Triggersignal eine zweite Verzögerungszeit aufzuschalten und zur Auskopplung eines gewünschten Laserpulses vorgegebenen Energie oder zur Auskopplung einer Sequenz von gewünschten Laserpulsen jeweils vorgegebener Energie eine Steuerphase des Pulspickers mit dem verzögerten Startsignal und eine Steuerphase des oder jeden Pumplasers jeweils mit einem verzögerten Triggersignal zu starten.
Mit anderen Worten wird die Steuerphase des Pulspickers auf die Pulsfolge des Seed-Laseroszillators synchronisiert, so dass nach der entsprechenden ersten Verzögerungszeit ein Laserpuls oder eine Sequenz von Laserpulsen aus dem Pulszug synchron ausgekoppelt wird. Dabei wird beispielsweise das Treibersignal für den Pulspicker, wie beispielsweise das HF-Signal für einen akustooptischen Modulator, in seiner Amplitude entsprechend moduliert. Insbesondere ist dabei darauf zu achten, dass die Breite des zur Auskopplung jeweils modulierten HF- Signals, welches bevorzugt durch ein Burst-Signal gegeben ist, kürzer ist als der Abstand zwischen den Laserpulsen des Pulszugs des Seed-Laseroszillators. Dadurch kann ein Einzelpuls ebenso wie eine fest programmierbare Abfolge von Einzelpulsen mit gewünschter Energie zur Nachverstärkung ausgekoppelt werden. Die Steuerphasen der Pumplaser sind mit entsprechenden zweiten Verzöge- rungszeiten an ein externes Triggersignal gekoppelt. Über das Zusammenspiel aus erster und zweiter Verzögerungszeit wird erreicht, dass die Pumpenergie vor dem Auskoppeln des Laserpulses und dem Durchlaufen der Verstärkereinheit mit Vorlaufzeit bereits in das aktive Medium eingebracht ist, so dass beim Durchlaufen die gewünschte Verstärkung auftritt.
Bevorzugt wird die Verstärkereinheit während der Betriebspausen, d.h. in den Zeiten ohne ausgekoppelte Seed-Laserpulse, mit konstanter Energie betrieben, so dass die aktiven Medien auf einer Solltemperatur gehalten werden. In den Steuerphasen wird die Energie des Pumplaserlichts angehoben. Beispielsweise geschieht dies im Falle von Laserdioden durch eine Erhöhung der Einschaltdauer (Spannung liegt an) innerhalb einer PWM-Taktphase der Versorgungsspannung.
Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit eingerichtet, die an die Pulsfolge des Seed-Laseroszillators gekoppelte erste Verzögerungszeit unter Berücksichtigung einer zum Erreichen der geforderten Energie des verstärkten Laserpulses notwendigen Vorlaufzeit der Verstärkereinheit zu ermitteln. Dadurch wird Bezug auf die in dem jeweiligen Verstärkermedium speicherbare Energie genommen. Während der Vorlaufzeit wird in die Verstärkereinheit bereits Pumpenergie eingebracht, ehe der Laserpuls nach der ersten Verzögerungszeit zur Verstärkung aus dem Seed-Laseroszillator ausgekoppelt wird.
Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit weiter dazu eingerichtet, zur Ermittlung der ersten Verzögerungszeit aus der Vorlaufzeit zusätzlich das PWM-Taktsignal der Versorgungsspannung einer als Pumplaser eingesetzten Laserdiode zu berücksichtigen. Mit anderen Worten wird nach Erhalt des externen Triggersignals anhand des PWM-Taktsignals ein nächstmöglicher Startzeitpunkt der Steuerphase der Laserdioden ermittelt (also die zweite Verzögerungszeit) und unter Hinzufügung der vorgesehenen Vprlaufzeit die notwendige erste Verzögerungszeit ermittelt.
Die notwendigen Parameter und Zusammenhänge zur Ermittlung der für eine bestimmte Pulskonfiguration erforderlichen Verzögerungs- und Vorlaufzeiten sind unter Berücksichtigung der physikalischen Daten oder des jeweiligen Betriebszustandes der aktiven Medien und/oder des optischen Schalters bzw. Pulspickers bevorzugt - wie bereits erwähnt - in einem nichtflüchtigen Speicher hinterlegt oder werden aus einem entsprechend hinterlegten funktionalen Zusammenhang gewonnen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß in einer zweiten Variante durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Demnach ist ein Kurzpuls-Laser mit einer gepulsten Laserdiode zum Erzeugen eines Laserpulses oder einer Sequenz von Laserpulsen und mit einer der gepulsten Laserdiode nachgeschalteten Verstärkereinheit zum Verstärken der ausgekoppelten Laserpulse vorgesehen, wobei die Verstärkereinheit wenigstens eine Verstärkerstufe und einen steuerbaren ersten Pumplaser umfasst, wobei weiter eine Steuereinheit umfasst ist, die eingerichtet ist, die gepulste Laserdiode und/oder den ersten Pumplaser zum Erreichen einer vorgegebenen Energie der nachverstärkten Laserpulse zu steuern.
Mit anderen Worten ist vorliegend der Seed-Laseroszillator durch eine gepulste Laserdiode ersetzt, die als eine Seed-Laserquelle dient. Im Falle einer gepulsten Laserdiode kann ein Pulspicker entfallen, da seine Funktionalität durch die gepulste Laserdiode als solche bereitgestellt wird. Die Steuerung der gepulsten Laserdiode zum Erreichen einer vorgegebenen Energie der nachverstärkten Laserpulse geschieht über eine Einstellung der Amplitude des die Laserdiode treibenden Stroms. Insbesondere ist die gepulste Laserdiode als eine sogenannten Gain- Switched-Laserdiode ausgebildet.
Die Triggerung der gepulsten Laserdiode und die Triggerung der Steuerphasen des oder jeden Pumplasers wird bevorzugt unmittelbar von einem externen Triggersignal abgeleitet.
Die vorliegend beschriebene zweite Variante beruht auf derselben grundlegenden erfinderischeren Idee wie die erste Variante. Anstelle des Pulspickers wird unmittelbar die gepulste Laserdiode zu einer Anpassung der Pulsenergie angesteuert. Die zweite Variante ist mit allen vorbeschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen der ersten Variante kombinier- bzw. weiterbildbar, die sich nicht auf einen Pulspicker beziehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch eine Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 : schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines Kurzpuls-Lasers mit einer Energiesteuerung der ausgekoppelten Laserpulse, sowie
Fig. 2 - 4: verschiedene Signalfolgen zur Erläuterung einer Energiesteuerung eines Einzelpulses, einer frei programmierbaren Pulsfolge und eines definierten Pulszuges.
Aus Fig. 1 wird schematisch der grundsätzliche Aufbau eines Kurzpuls-Lasers 1 mit einer Energiesteuerung der ausgekoppelten Laserpulse ersichtlich. Der dargestellte Kurzpuls-Laser 1 umfasst einen Seed-Laseroszillator 2, aus dessen kontinuierlichem Pulszug mittels eines Pulspickers 4 einzelne Laserpulse oder Abfolgen von Laserpulsen bzw. Pulssequenzen ausgekoppelt werden können. Zur Verstärkung der ausgekoppelten Laserpulse ist eine oder mehrere Verstärkerstufen 5,6 vorgesehen, die beispielsweise als Faserverstärker oder Festkörperverstärker realisiert sein können.
Der Seed-Laseroszillator 2 ist beispielsweise als ein modengekoppelter Festkörperlaser gegeben, wobei zur Auskopplung der Laserpulse ein entsprechend ver- spiegelter Endspiegel vorgesehen ist. Zur Pulserzeugung ist im Laseroszillator ein sättigbarer Absorber vorgesehen. Als laseraktiver Festkörper ist beispielsweise ein Nd:YV04-Kristall eingesetzt. Der sättigbare Absorber ist beispielsweise ein geeignetes Halbleitermaterial wie InGaAs. Der Seed-Laseroszillator 2 liefert beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1.064 nm Pulse mit einer Pulslänge von 10 ps bis 1 ns und einer Pulsenergie im sub-nJ-Bereich. Die Pulswiederholungsrate des Seed-Laseroszillators 2 beträgt beispielhaft 65 MHz. Als Pulspicker 4 ist ein akustooptischer Modulator (AOM) eingesetzt. Mittels eines HF-Signals werden in einem solchen Modulator akustische Wellen erzeugt, an denen Laserpulse gebeugt und dadurch ausgekoppelt werden. Über den Pulspicker 4 können Pulssequenzen mit einer Pulswiederholungsrate zwischen 0 Hz (Einzelpuls) und 20 MHz ausgekoppelt werden. Die ausgekoppelten Pulse können in der ersten Verstärkerstufe 5 auf etwa 500 nJ vorverstärkt werden. Nach dem Durchlaufen der zweiten Verstärkerstufe 6 kann eine Pulsenergie von bis zu 1 mJ erzielt werden. Als Pumplaser sowohl für die erste Verstärkerstufe 5 als auch für die zweite Verstärkerstufe 6 sind Laserdioden 8, 9 eingesetzt.
Zur Auskopplung von Einzelpulsen vorgegebener Energie oder einer Abfolge von Einzelpulsen jeweils vorgegebener Energie weist der Kurzpuls-Laser 1 eine Steuereinheit 10 auf. Die Steuereinheit 10 ist hierbei steuerungstechnisch mit dem Seed-Laseroszillator 2, mit dem akustooptischen Modulator 7 des Pulspickers 4 sowie mit den Laserdioden 8, 9 der ersten Verstärkerstufe 5 und der zweiten Verstärkerstufe 6 verbunden.
Zur Ermittlung der jeweiligen Steuerparameter ist ein zentraler Mikrocontroller 12 umfasst. Dazu erhält der Mikrocontroller 12 vom Seed-Laseroszillator 2 ein Synchronisationssignal (SYNC), welches aus der Pulsfolge des Laseroszillators unmittelbar abgeleitet ist. Durch Modulation des HF-Signals (HF AOM) wird der akustooptische Modulator 7 des Pulspickers 4 zur gezielten Auskopplung von Laserpulsen angesteuert. Dabei wird die Energie des ausgekoppelten Laserpulses durch eine entsprechende Amplitudenmodulation des HF-Signals gesteuert. Die Laserdioden 8 und 9 der Verstärkerstufen 5, 6 werden jeweils mittels eines modulierten Spannungssignals (PWM Diode 1 , PWM Diode 2) getrieben. Die von den Laserdioden 8, 9 in die jeweilige Verstärkereinheit eingebrachte Pumpleistung und damit der jeweilige Verstärkungsfaktor wird im Spannungssignal durch eine getaktete Variation der Einschaltdauer (PWM Taktung) gesteuert. Die Auskopplung eines Laserpulses oder einer Abfolge von Laserpulsen erfolgt auf eine externe Anfrage 14. Jedes der Steuersignale ist hinsichtlich seiner Lage bzw. Phase 15, 17, 19 und seiner Amplitude 16, 18, 20 einstellbar. Durch die anhand von gespeicherten Tabellen oder funktionalen Zusammenhängen ermittelten Einstellparameter für die Verzögerungszeiten, Phasen und Amplituden der jeweiligen Steuersignale wird erreicht, dass der vom Pulspicker 4 ausgekoppelte Laserpuls nach Durchlaufen der Verstärkereinheiten 5, 6 die vorgegebene Energie aufweist. Gleiches gilt entsprechend für eine Abfolge von Pulsen. Insbesondere können in einer Abfolge von Pulsen den einzelnen Laserpulsen selbst jeweils spezifische Energien zugeordnet werden. Mithin ist die Erzeugung von Pulssequenzen mit frei programmierbaren Energien möglich.
In den Fig. 2 bis 4 ist das grundlegende Konzept zur Energiesteuerung der ausgekoppelten Laserpulse für einen Kurzpuls-Lasern 1 entsprechend Fig. 1 anhand von jeweils 5 Signalabfolgen nochmals verdeutlicht. Fig. 2 zeigt hierbei die Steuerung zur Auskopplung eines Einzelpulses gewünschter Energie. In Fig. 3 ist die Steuerung zur Auskopplung einer Abfolge von Pulsen jeweils beliebig vorgegebener Energie dargestellt. In Fig. 4 ist die Steuerung zur Auskopplung einer Abfolge von Pulsen mit kontinuierlich ansteigender Energie verdeutlicht.
Als zentrales Synchronisationssignal oder Master Clock 21 dient die Pulsfolge 30 des Seed-Laseroszillators 2. Entsprechend weist das Synchronisationssignal 21 eine der Pulswiederholungsrate entsprechende Frequenz von 65 MHz auf. Durch ein externes Triggersignal 22 wird die Ausgabe eines Laserpulses mit vorgegebener Energie oder einer Abfolge von Laserpulsen mit jeweils vorgegebener Energie angefordert. Zur Anforderung weist das Triggersignal 22 einen positiven High- Pegel 32 auf. Die Auskopplung eines Laserpulses oder einer Abfolge von Laserpulsen geschieht mittels eines HF-Signals 23, welches dem akustooptischen Modulator 7 des Pulspickers 4 (siehe Fig. 1 ) anliegt. Dazu wird ein entsprechendes Burst-Signal 33 erzeugt, also ein zeitlich begrenztes in der Amplitude moduliertes HF-Signal. Die Trägerfrequenz beträgt hierbei 260 MHz, was der vierfachen Frequenz des Synchronisationssignals 21 entspricht. Hierdurch kann das Burst- Signal 33 vergleichsweise einfach auf einen auszukoppelnden Laserpuls synchronisiert werden. Weiter sind die modulierten Spannungssignale 24 und 25 dargestellt, die den Laserdioden 8, 9 der Verstärkerstufen 5, 6 anliegen. Es wird deren PWM-Taktung, also die getaktete Variation der Einschaltdauer, ersichtlich. Ausgehend von der positiven Flanke eines High-Pegels 32 im Triggersignal 22 werden abhängig von der gewünschten Pulsenergie Vorlaufzeiten T1 und T2 für erste Verstärkerstufe 5 bzw. zweite Verstärkerstufe 6 ermittelt. Über die Vorlaufzeiten T1 , T2 werden beispielsweise unter Einbeziehung der Fluoreszenzlebensdauer der Verstärkermedien die speicherbaren Pumpenergien berücksichtigt. Unter Berücksichtigung der PWM-Taktsignale 24, 25 werden weiter die jeweils zum Einschalten der entsprechenden Steuerphasen 34, 35 der Laserdioden 8, 9 noch erforderlichen Verzögerungszeiten D11 und D12 ermittelt. In den Steuerphasen 34, 35 wird zur Einbringung von Pumpenergie die Einschaltdauer des Spannungssignals innerhalb eines PWM-Taktes vergrößert. In den Betriebspausen, also außerhalb der Steuerphasen 34, 35, werden die Laserdioden 8, 9 mit einer verringerten Spannung (die Einschaltzeiten sind reduziert) betrieben, um die Verstärkereinheiten 5, 6 auf einer Solltemperatur zu halten.
Abhängig von den notwendigen Vorlaufzeiten T1 , T2 und den nötigen Verzögerungszeiten D11 , D12 zum Ändern des PWM-Signals werden des weiteren erste Verzögerungszeiten D01 und D02 ermittelt, die die Phasenlage und den Startzeitpunkt für ein Burst-Signal 33 zum Auskoppeln des noch zu verstärkenden Laserpulses angeben. Die ersten Verzögerungszeiten D01 und D02 sind hierbei über das Synchronisationssignal 21 unmittelbar an die Pulsabfolge 30 des Seed- Laseroszillators 2 gekoppelt. Das Burst-Signal 33 kann dementsprechend synchron zu einem auszukoppelnden Laserpuls 30 des Seed-Laseroszillators 2 erzeugt werden.
Durch Einstellen der ersten Verzögerungszeiten D01 , D02, der zweiten Verzögerungszeiten D11 , D12 und der Vorlaufzeiten T1 , T2 wird schließlich erreicht, dass mittels des Burst-Signals 33 ein Laserpuls geeigneter Energie derart ausgekoppelt wird, dass er in den nachfolgenden Verstärkerstufen 5, 6 die gewünschte Verstärkung auf die angeforderte Endenergie erfährt.
Für einen einzelnen Laserpuls vorgegebener Energie werden gemäß Fig. 2 die Laserdioden 8, 9 nach Ablauf der zweiten Verzögerungszeiten D11 , D12 in ihren Steuerphasen 34, 35 jeweils mit einer durch Verlängerung der Einschaltzeiten erhöhten Versorgungsspannung betrieben. Mittels des anhand der ersten Verzögerungszeiten D01 , D02 festgelegten Burst-Signals 33 wird ein einzelner Laserpuls aus der Pulsabfolge 30 ausgekoppelt und über die in den Verstärkerstufen 5, 6 gespeicherte Pumpenergie vorhersagbar verstärkt. Es resultiert ein ausgekoppelter Einzelpuls mit der gewünschten Energie.
Gemäß Fig. 3 werden die Spannungssignale 24, 25 mit einem entsprechenden PWM-Muster derart betrieben, dass eine Abfolge von Pulsen mit jeweils frei programmierter Energie ausgekoppelt wird. Zur Auskopplung wird eine Folge von jeweils auf die Pulsabfolge 30 synchronisierten Burst-Signalen 33 erzeugt, deren Amplitude unterschiedlich moduliert ist.
In Fig. 4 werden in den Steuerphasen 34, 35 der Laserdioden 8, 9 die Einschaltzeiten der PWM-Taktung kontinuierlich erhöht. Ebenfalls wird in einer Abfolge von Burst-Signalen 33 deren Amplitude kontinuierlich erhöht. Es resultiert eine ausgekoppelte Abfolge von Laserpulsen, deren Energie gesteuert kontinuierlich zunimmt.
Bezugszeichenliste
1 Kurzpuls-Laser
2 Seed-Laseroszillator
4 Pulspicker
5 erste Verstärkerstufe
6 zweite Verstärkerstufe
7 AOM
8 erste Laserdiode9 zweite Laserdiode 10 Steuereinheit
12 Mikrocontroller
14 externe Anfrage
15 Lage HF-Signal
16 Amplitude HF-Signal
17. 19 Lage PWM
18. 20 Amplitude PWM
21 Synchronisationssignal (Master Clock)
22 externes Triggersignal
23 HF-Signal AOM
24 PWM Diode 1 , erste Verstärkerstufe
25 PWM Diode 2, zweite Verstärkerstufe 30 Abfolge von Pulsen
32 High-Pegel
33 Burst
34 Steuerphase
35 Steuerphase
D01 , D02 erste Verzögerungszeit
D11 , D12 zweite Verzögerungszeit
T1 , T2 Vorlaufzeit

Claims

Ansprüche
1. Kurzpuls-Laser (1 ) mit einem Seed-Laseroszillator (2), mit einem steuerbaren Pulspicker (4) zum Auskoppeln eines Laserpulses oder einer Sequenz von Laserpulsen und mit einer dem Pulspicker (4) nachgeschalteten Verstärkereinheit (5, 6) zum Verstärken der ausgekoppelten Laserpulse, wobei die Verstärkereinheit (5, 6) wenigstens eine erste Verstärkerstufe (5) und einen steuerbaren ersten Pumplaser (8) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass weiter eine Steuereinheit (10) umfasst ist, die eingerichtet ist, den Pulspicker (4) und/oder den ersten Pumplaser (8) zum Erreichen einer vorgegebenen Energie der nachverstärkten Laserpulse zu steuern.
2. Kurzpuls-Laser (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Pulspicker (4) ein akustooptischer Modulator (AOM) ist, wobei die Steuereinheit (10) zu einer Einstellung des den akustooptischen Modulator (AOM) treibenden HF-Signals (23), insbesondere zu einer Änderung der Amplitude und/oder der Frequenz des HF-Signals (23), eingerichtet ist.
3. Kurzpuls-Laser (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pumplaser eine Laserdiode (8) ist, wobei die Steuereinheit (10) zu einer Steuerung des die Laserdiode (8) treibenden Signals (24), insbesondere zu einer PWM-Taktung einer an der Laserdiode (8) anliegenden Versorgungsspannung, eingerichtet ist.
3. Kurzpuls-Laser (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinheit eine zweite Verstärkerstufe (6) mit einem zweiten steuerbaren Pumplaser (z.B. 9) umfasst, wobei die Steuereinheit (10) zusätzlich eingerichtet ist, den zweiten Pumplaser (z.B. 9) zum Erreichen einer vorgegebenen Energie der nachverstärkten Laserpulse anzusteuern.
5. Kurzpuls-Laser (1 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Pumplaser eine Laserdiode (9) ist, wobei die Steuereinheit (10) zu einer Steuerung des die Laserdiode (9) treibenden Signals (25), insbesondere zu einer PWM-Taktung einer an der Laserdiode (9) anliegenden Versorgungsspannung, eingerichtet ist.
6. Kurzpuls-Laser (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, aus der Pulswiederholfrequenz (21 ) des Seed-Laseroszillators (2) ein Startsignal abzuleiten und dem Startsignal eine erste Verzögerungszeit (D01 , D02) aufzuschalten, einem Triggersignal (23) eine zweite Verzögerungszeit (D11 , D12) aufzuschalten und zur Auskopplung eines gewünschten Laserpulses vorgegebener Energie oder zur Auskopplung einer Sequenz von gewünschten Laserpulsen jeweils vorgegebener Energie eine Steuerphase (33) des Pulspickers (4) mit dem verzögerten Startsignal und eine Steuerphase (34, 35) des oder jeden Pumplasers (z.B. 8, 9) jeweils mit einem verzögerten Triggersignal zu starten.
7. Kurzpuls-Laser (1 ) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, die Verstärkereinheit (z.B. 5) zwischen den Steuerphasen (34, 35) des oder jeden Pumplasers (z.B. 8) mit konstanter steuerbarer Energie zu betreiben.
8. Kurzpuls-Laser (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, die Steuerparameter für den Pumplaser (z.B. 8) und/oder den oder jeden Pumplaser (z.B. 8, 9) mittels gespeicherten Tabellen oder funktionalen Zusammenhängen zu ermitteln.
9. Kurzpuls-Laser (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, die erste Verzögerungszeit (D01 , D02) aus einer zum Erreichen der geforderten Energie des Laserpulses notwendigen Vorlaufzeit (T1 , T2) der oder jeder Verstärkerstufe (8, 9) zu ermitteln.
10. Kurzpuls-Laser (1 ) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) eingerichtet ist, zur Ermittlung der ersten Verzögerungszeit (D01 , D02) aus der Vorlaufzeit (T1 , T2) die Periodendauer der PWM-Taktung der Versorgungsspannung einer für die oder jede Verstärkerstufe (5, 6) als Pumplaser herangezogenen Laserdiode (8, 9) zu berücksichtigen.
11. Kurzpuls-Laser (1 ) mit einer gepulsten Laserdiode zum Erzeugen eines Laserpulses oder einer Sequenz von Laserpulsen und mit einer der gepulsten Laserdiode nachgeschalteten Verstärkereinheit (5, 6) zum Verstärken der ausgekoppelten Laserpulse, wobei die Verstärkereinheit (5, 6) wenigstens eine Verstärkerstufe (5) und einen steuerbaren ersten Pumplaser (8) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass weiter eine Steuereinheit (10) umfasst ist, die eingerichtet ist, die gepulste Laserdiode und/oder den ersten Pumplaser (8) zum Erreichen einer vorgegebenen Energie der nachverstärkten Laserpulse zu steuern.
12. Kurzpuls-Laser (1 ) nach Anspruch 11 ,
der nach einem der Ansprüche 3, 4, 5, 7 oder 8 weitergebildet ist.
PCT/EP2012/004375 2012-06-12 2012-10-19 Kurzpuls - laser mit verstärker und einstellbarer pulsfolge Ceased WO2013185792A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020147034611A KR20150008904A (ko) 2012-06-12 2012-10-19 증폭기와 조정 가능한 펄스 시퀀스를 갖는 단 펄스 레이저
JP2015516472A JP2015519757A (ja) 2012-06-12 2012-10-19 増幅器および調整可能なパルスシーケンスを備えた短パルスレーザ
DE112012006506.9T DE112012006506B4 (de) 2012-06-12 2012-10-19 Kurzpuls-Laser
US14/407,103 US9640939B2 (en) 2012-06-12 2012-10-19 Short pulse laser with amplifier and adjustable pulse sequence

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012011454.0 2012-06-12
DE102012011454 2012-06-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013185792A1 true WO2013185792A1 (de) 2013-12-19

Family

ID=47172584

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/004375 Ceased WO2013185792A1 (de) 2012-06-12 2012-10-19 Kurzpuls - laser mit verstärker und einstellbarer pulsfolge

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9640939B2 (de)
JP (1) JP2015519757A (de)
KR (1) KR20150008904A (de)
DE (1) DE112012006506B4 (de)
WO (1) WO2013185792A1 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014017568A1 (de) * 2014-11-30 2016-06-02 Edgewave Gmbh Frei triggerbare Laseranordnung aus Master-Oszillator und Leistungsverstärker
DE102015104084A1 (de) * 2015-03-02 2016-09-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Reduktion der Pulsrepetitionsfrequenz eines gepulsten Lasersystems
US9640939B2 (en) 2012-06-12 2017-05-02 Photon Energy Gmbh Short pulse laser with amplifier and adjustable pulse sequence
DE102016212928B3 (de) * 2016-07-14 2017-09-07 Trumpf Laser Gmbh Verfahren zur Erzeugung eines Laserpulses und Anordnung zur Erzeugung eines Treiberansteuersignals
CN111609942A (zh) * 2020-05-12 2020-09-01 浙江理工大学 基于mzm强度调制的飞秒激光脉冲同步提取装置和方法
US20200350739A1 (en) * 2018-01-18 2020-11-05 Trumpf Laser Gmbh Methods and laser systems for generating amplified pulse-on-demand output laser pulses

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10216063B2 (en) * 2015-10-06 2019-02-26 Ipg Photonics Corporation Single pass laser amplifier with pulsed pumping
US9570877B1 (en) * 2015-12-31 2017-02-14 Lumentum Operations Llc Gain control for arbitrary triggering of short pulse lasers
KR101787483B1 (ko) * 2016-02-16 2017-10-18 주식회사 이오테크닉스 레이저 펄스 제어 장치 및 레이저 펄스 제어 방법
DE102016122705B3 (de) * 2016-11-24 2018-03-29 Trumpf Scientific Lasers Gmbh + Co. Kg Verfahren zur anregung eines kristalls einer pockels-zelle und verstärkungseinheit
CN107579427B (zh) * 2017-09-30 2021-01-26 西安卓镭激光技术有限公司 一种产生不同激光脉宽的方法及激光器
CN109244821B (zh) * 2018-11-08 2020-12-29 深圳市杰普特光电股份有限公司 激光器及激光生成方法
MX2021007145A (es) 2018-12-19 2021-11-03 Seurat Tech Inc Sistema de fabricacion aditiva utilizando un laser modulado de pulsos para impresion bidimensional.
CN113131324A (zh) * 2020-01-14 2021-07-16 苏州曼德特光电技术有限公司 超快激光器实现首脉冲抑制的方法
CN113765652B (zh) * 2020-06-02 2022-04-12 科大国盾量子技术股份有限公司 激光脉冲生成系统及方法及量子密钥分发系统
CN112531451A (zh) * 2020-11-02 2021-03-19 深圳市圭华智能科技有限公司 一种激光器时间域同步控制系统
CN113675708A (zh) * 2021-08-19 2021-11-19 西安明曜光声信息技术有限公司 一种工业超短脉冲激光器
FR3148374A1 (fr) * 2023-05-05 2024-11-08 Lucibel Sa Dispositif de traitement par photothérapie
CN116845681B (zh) * 2023-08-28 2023-11-21 北京卓镭激光技术有限公司 一种补偿外触发信号抖动的脉冲泵浦激光器及补偿方法
CN117477334A (zh) * 2023-11-23 2024-01-30 苏州贝林激光有限公司 超快激光器基于自由触发脉冲输出的装置及其控制方法
KR102878747B1 (ko) * 2024-10-24 2025-10-31 주식회사 블루타일랩 셔터프리 펨토초 레이저 시스템
KR102878805B1 (ko) * 2024-11-21 2025-10-30 주식회사 블루타일랩 희생 펄스를 이용한 펄스 증폭 제어 시스템 및 방법
CN120016272B (zh) * 2025-02-24 2025-11-14 武汉光至科技有限公司 一种脉冲激光器频率控制装置及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050225846A1 (en) * 2004-03-31 2005-10-13 Imra America, Inc. Method and apparatus for controlling and protecting pulsed high power fiber amplifier systems
US20060191884A1 (en) * 2005-01-21 2006-08-31 Johnson Shepard D High-speed, precise, laser-based material processing method and system
EP2363927A2 (de) * 2010-03-02 2011-09-07 Omron Corporation Laserverarbeitungsvorrichtung

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7838794B2 (en) * 1999-12-28 2010-11-23 Gsi Group Corporation Laser-based method and system for removing one or more target link structures
JP4708109B2 (ja) * 2005-07-22 2011-06-22 芝浦メカトロニクス株式会社 ファイバレーザ装置
JP5458513B2 (ja) * 2008-06-18 2014-04-02 株式会社ニコン 種光発生装置、光源装置及びその調整方法、光照射装置、露光装置、並びにデバイス製造方法
DE102009011599B4 (de) * 2009-03-08 2023-06-07 Keming Du Oszillator-Verstärker-Anordnungen mit Amplituden-Einstellung
JP2012079966A (ja) * 2010-10-04 2012-04-19 Miyachi Technos Corp ファイバレーザ加工装置及び励起用レーザダイオード電源装置
DE112012006506B4 (de) 2012-06-12 2017-10-26 Photon Energy Gmbh Kurzpuls-Laser
WO2015006867A1 (en) * 2013-07-16 2015-01-22 Attodyne, Inc. Laser control system and method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050225846A1 (en) * 2004-03-31 2005-10-13 Imra America, Inc. Method and apparatus for controlling and protecting pulsed high power fiber amplifier systems
US20060191884A1 (en) * 2005-01-21 2006-08-31 Johnson Shepard D High-speed, precise, laser-based material processing method and system
EP2363927A2 (de) * 2010-03-02 2011-09-07 Omron Corporation Laserverarbeitungsvorrichtung

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9640939B2 (en) 2012-06-12 2017-05-02 Photon Energy Gmbh Short pulse laser with amplifier and adjustable pulse sequence
DE102014017568A1 (de) * 2014-11-30 2016-06-02 Edgewave Gmbh Frei triggerbare Laseranordnung aus Master-Oszillator und Leistungsverstärker
DE102014017568B4 (de) * 2014-11-30 2016-12-29 Edgewave Gmbh Master-Oszillator-Leistungsverstärker
DE102015104084A1 (de) * 2015-03-02 2016-09-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Reduktion der Pulsrepetitionsfrequenz eines gepulsten Lasersystems
EP3266077B1 (de) * 2015-03-02 2023-05-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Reduktion der pulsrepetitionsfrequenz eines gepulsten lasersystems
DE102016212928B3 (de) * 2016-07-14 2017-09-07 Trumpf Laser Gmbh Verfahren zur Erzeugung eines Laserpulses und Anordnung zur Erzeugung eines Treiberansteuersignals
US11444426B2 (en) 2016-07-14 2022-09-13 Trumpf Laser Gmbh Methods for producing a laser pulse and devices for producing a driver control signal
US20200350739A1 (en) * 2018-01-18 2020-11-05 Trumpf Laser Gmbh Methods and laser systems for generating amplified pulse-on-demand output laser pulses
US11735884B2 (en) * 2018-01-18 2023-08-22 Trumpf Laser Gmbh Methods and laser systems for generating amplified pulse-on-demand output laser pulses
CN111609942A (zh) * 2020-05-12 2020-09-01 浙江理工大学 基于mzm强度调制的飞秒激光脉冲同步提取装置和方法
CN111609942B (zh) * 2020-05-12 2021-06-04 浙江理工大学 基于mzm强度调制的飞秒激光脉冲同步提取装置和方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20150180197A1 (en) 2015-06-25
KR20150008904A (ko) 2015-01-23
JP2015519757A (ja) 2015-07-09
DE112012006506B4 (de) 2017-10-26
DE112012006506A5 (de) 2015-03-19
US9640939B2 (en) 2017-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112012006506B4 (de) Kurzpuls-Laser
DE60023112T2 (de) Stabilisation einer laserbearbeitungsleistungsendstufe
DE60211933T2 (de) Güteschaltungsverfahren zur Erzeugung einer Pulsfolge
DE19747180A1 (de) Pulslaser mit Erstpulssteuerung
EP3741013B1 (de) Verfahren und lasersystem zum erzeugen verstärkter pulse on demand-ausgangslaserpulse
EP2424458A1 (de) Hf-chirurgiegenerator und verfahren zum betreiben eines hf-chirurgiegenerators
AT411719B (de) Dentallaseranordnung
EP3642912B1 (de) Verfahren und lasersystem zum erzeugen verstärkter pulse-on-demand-ausgangslaserpulse
EP1691481A1 (de) Amplitudenmodulator
EP1801635B1 (de) Pockelszellen-Ansteuerschaltung zur schnellen Variation der Pulsamplitude von kurzen oder ultrakurzen Laserpulsen
EP1418460A1 (de) Ansteuerschaltung für Pockelszelle und Lasersystem mit einer solchen Ansteuerschaltung und einer Pockelszelle
DE19705330C1 (de) Verfahren und Festkörperlasersystem zum Erzeugen von Laserimpulsen mit variabler Impulsfolgefrequenz und konstanten Strahleigenschaften
DE602004009302T2 (de) Laservorrichtung zur materialbearbeitung
DE112013002021T5 (de) Ausgangspuls Form- und Leistungssteuerung eines gepulsten CO2 Lasers
DE102017114399A1 (de) Dynamisches seeden von laserverstärkersystemen
EP1194987A1 (de) Laservorrichtung
DE3201620A1 (de) Verfahren und einrichtung zum stabilisieren der laserausgangsimpulse eines guetegeschalteten lasers
EP1919043A2 (de) Verfahren und Anordnung zur Regelung der Laser-Pulsenergie
WO2016173917A1 (de) Faseroptischer lasergenerator
DE102012005492A1 (de) Passiv gütegeschalteter Mikrochip-Laser mit einer Pulssteuerung
DE102011087725B4 (de) Folgefrequenzregelgerät
DE102013114580A1 (de) Lichtquellenvorrichtung
EP1243054A1 (de) Modengekoppelter laser
DE10052899A1 (de) Stromversorgungseinheit für einen Festkörper-Laser, Festkörperlaser und Laserstrahlgenerator
DE112020002466T5 (de) Laservorrichtung mit passivem q-schalten, steuerungsverfahren und laserbearbeitungsvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12784207

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20147034611

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015516472

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14407103

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120120065069

Country of ref document: DE

Ref document number: 112012006506

Country of ref document: DE

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112012006506

Country of ref document: DE

Effective date: 20150319

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12784207

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1