DE102007002472B4 - Multi-channel laser - Google Patents
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Abstract
Mehrkanaliger Laser (1, 21, 22, 23, 24), insbesondere Festkörperlaser, mit einem optischen Resonator, der einen ersten Spiegel (13, 13') und zumindest einen zweiten, hochreflektierenden Spiegel (6), ein Aktivmedium (4), zumindest einen Q-Switch-Modulator (12) und ein unter Brewsterwinkel angeordnetes Element (11) aufweist, wobei der Laser (1, 21, 22, 23, 24) zusätzlich zu einem das erste Aktivmedium (4) für p-polarisiert eingestelltes Licht sowie den zweiten Spiegel (6) umfassenden ersten Resonatorzweig (2) zumindest einen weiteren optischen Resonator mit einem weiteren Aktivmedium (5, 5') für s-polarisiert eingestelltes Licht sowie einen einen weiteren hochreflektierenden Spiegel (7) umfassenden weiteren Resonatorzweig (3, 3', 3'') und einen im Strahlengang der beiden Resonatorzweige (2, 3, 3', 3'') angeordneten Polarisator (14, 14') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine als ein elektrooptischer Modulator ausgeführte Q-Switch-Modulator (12, 12'), das insbesondere als ein Polarisator oder Polarisator-Auskoppler ausgeführte Element (11, 11', 11'') und der erste Spiegel (13, 13') einen gemeinsamen Resonatorzweig (8) der...Multi-channel laser (1, 21, 22, 23, 24), in particular solid-state laser, with an optical resonator comprising a first mirror (13, 13 ') and at least one second, highly reflecting mirror (6), an active medium (4), at least a Q-switch modulator (12) and a Brewster angle disposed element (11), wherein the laser (1, 21, 22, 23, 24) in addition to a first active medium (4) for p-polarized light set as well the second mirror (6) comprising the first resonator branch (2) at least one further optical resonator with a further active medium (5, 5 ') for s-polarized light and a further highly reflective mirror (7) comprising another resonator branch (3, 3' , 3 '') and a polarizer (14, 14 ') arranged in the beam path of the two resonator branches (2, 3, 3', 3 ''), characterized in that the at least one Q-switch configured as an electro-optical modulator Modulator (12, 12 '), in particular an element (11, 11 ', 11' ') designed as a polarizer or polarizer output coupler and the first mirror (13, 13') has a common resonator branch (8) of the ...
Description
Die Erfindung betrifft einen mehrkanaligen Laser, insbesondere Festkörperlaser, mit einem optischen Resonator, der einen ersten Spiegel und zumindest einen zweiten, hochreflektierenden Spiegel, ein Aktivmedium, zumindest einen Q-Switch-Modulator und ein unter Brewsterwinkel angeordnetes Element aufweist, wobei der Laser zusätzlich zu einem das erste Aktivmedium für p-polarisiert eingestelltes Licht sowie den zweiten Spiegel umfassenden ersten Resonatorzweig zumindest einen weiteren optischen Resonator mit einem weiteren Aktivmedium für s-polarisiert eingestelltes Licht sowie einen, einen weiteren hochreflektierenden Spiegel umfassenden weiteren Resonatorzweig und einen im Strahlengang der beiden Resonatorzweige angeordneten Polarisator aufweist.The The invention relates to a multi-channel laser, in particular solid-state laser, with an optical resonator comprising a first mirror and at least a second, highly reflective mirror, an active medium, at least a Q-switch modulator and a Brewster angle arranged Element, wherein the laser in addition to a first active medium for p-polarized set light and the second mirror comprehensive first resonator branch at least one further optical resonator with a further Active medium for s-polarized light and one, another highly reflective Mirror comprehensive resonator branch and one in the beam path comprising the two resonator branches arranged polarizer.
Ein
gattungsgemäßer Laser
ist durch die
Durch
die
Die
Weiterhin
beschreiben auch die
Durch
die
Weiterhin
ist durch die
Durch
die
Um die Leistung eines solchen gattungsgemäßen Lasers zu steigern, könnte beispielsweise in einfacher Weise die Pumpleistung bei zugleich wesentlicher Anpassung der Resonatorkonfiguration erhöht werden. Dadurch kann bei gleicher Repititionsrate der Laserpulse eine wesentliche Steigerung der Amplitude der Laserpulse erzielt werden. Dies führt jedoch in der Praxis zu einer erheblichen zusätzlichen Belastung der Bauelemente des Lasers, die damit einem erhöhten Verschleißrisiko unterworfen sind.Around To increase the performance of such a generic laser could, for example in a simple way, the pump power at the same time essential adjustment the resonator configuration increases become. As a result, with the same repetition rate of the laser pulses achieved a substantial increase in the amplitude of the laser pulses become. However, this leads in practice a considerable additional burden on the components of the laser, which increased it wear risk are subject.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, eine wesentliche Leistungssteigerung zu erreichen, ohne hierzu die Laserpulsleistung zu erhöhen insbesondere soll dabei ein erhöhtes Verschleiß- oder Ausfallrisiko ausgeschlossen sein.Of the Invention has for its object to provide a way, a To achieve significant performance increase, without the laser pulse power to increase In particular, an increased Wear- or default risk excluded.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Laser gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.These Task is according to the invention with a Laser according to the characteristics of claim 1. The dependent claims concern particularly expedient further education the invention.
Erfindungsgemäß bilden zumindest der eine, als ein elektrooptischer Modulator ausgeführte Q-Switch-Modulator, das insbesondere als ein Polarisator oder Polarisator-Auskoppler ausgeführte Element und der erste Spiegel einen gemeinsamen Resonatorzweig der optischen Resonatoren mit den Resonatorzweigen, wobei der Q-Switch-Modulator derart abwechselnd ansteuerbar ist, dass das p-polarisierte Licht des ersten Aktivmediums durch den Polarisator und das Element nahezu ungehindert in Richtung der optischen Achse des gemeinsamen Resonatorzweigs hindurchtritt und das s-polarisierte Licht des weiteren Aktivmediums durch den Polarisator nahezu vollständig in Richtung der optischen Achse des gemeinsamen Resonatorzweigs abgelenkt wird, wobei der elektrooptische Q-Switch-Modulator derart ansteuerbar ist, dass das s-polarisierte Licht des weiteren Aktivmediums in p-polarisiertes Licht umgewandelt wird und durch das Element nahezu ungehindert in Richtung der optischen Achse des gemeinsamen Resonatorzweigs hindurchtritt. Hierdurch wird in einfacher Weise die Leis tung des Lasers wesentlich erhöht, indem bei im Wesentlichen unveränderter mittlerer Leistungsdichte eines Einzelpulses die Repititionsrate erhöht, beispielsweise verdoppelt oder verdreifacht wird, wobei abwechselnd die Pulse des ersten Resonators und des zweiten Resonators emittiert werden. Der gemeinsame Resonatorzweig beider Resonatoren des Lasers umfasst neben dem elektrooptischen Modulator das Element und den ersten Spiegel, so dass der konstruktive Aufwand vergleichsweise gering ist. Mittels des elektrooptischen Modulators ist dabei sichergestellt, dass im Bereich zwischen dem zweiten Polarisator/Auskoppler und dem ersten Spiegel stets p-polarisiertes Licht zugeführt wird. Hierzu wird durch das erste Aktivmedium p-polarisiertes Licht erzeugt, welches in an sich bekannter Weise durch den ersten Polarisator und den Modulator hindurch tritt, um an dem als Auskoppler wirkenden Element emittiert zu werden, wobei der ungehinderte Durchtritt durch den ersten und den zweiten Polarisator nur bei 0-Phasendifferenz auf dem Modulator möglich ist. Das von dem zweiten Aktivmedium erzeugte Licht wird an demselben ersten Polarisator praktisch total reflektiert und folgt der optischen Achse des gemeinsamen Resonatorzweiges. Dabei erfolgt die Ansteuerung des elektrooptischen Modulators derart, dass während des Zeitraums, in welchem der elektrooptische Modulator die s-Polarisation in die p-Polarisation umwandelt, das Licht des zweiten Aktivmediums in den gemeinsamen Zweig ein strahlt.According to the invention, at least one Q-switch modulator embodied as an electro-optical modulator, the element embodied in particular as a polarizer or polarizer output coupler and the first mirror form a common resonator branch of the optical resonators with the resonator branches, the Q-switch modulator being such is controlled alternately that the p-polarized light of the first active medium through the Pola risator and the element passes almost unimpeded in the direction of the optical axis of the common resonator branch and the s-polarized light of the further active medium is deflected by the polarizer almost completely in the direction of the optical axis of the common resonator branch, the electro-optical Q-switch modulator so controllable in that the s-polarized light of the further active medium is converted into p-polarized light and passes through the element almost unhindered in the direction of the optical axis of the common resonator branch. As a result, the power of the laser is significantly increased in a simple manner by the repetition rate being increased, for example doubled or tripled, with substantially unchanged average power density of a single pulse, wherein the pulses of the first resonator and the second resonator are alternately emitted. The common resonator branch of both resonators of the laser comprises, in addition to the electro-optical modulator, the element and the first mirror, so that the design complexity is comparatively low. By means of the electro-optical modulator it is ensured that p-polarized light is always supplied in the region between the second polarizer / outcoupler and the first mirror. For this purpose, p-polarized light is generated by the first active medium, which passes in a conventional manner through the first polarizer and the modulator to be emitted to the acting as an output element, wherein the unhindered passage through the first and the second polarizer only possible with 0-phase difference on the modulator. The light generated by the second active medium is virtually totally reflected at the same first polarizer and follows the optical axis of the common resonator branch. In this case, the control of the electro-optical modulator takes place in such a way that during the period in which the electro-optical modulator converts the s-polarization into the p-polarization, the light of the second active medium radiates into the common branch.
Der mehrkanalige Laser kann prinzipiell eine nahezu beliebige Anzahl von Resonatoren aufweisen, wobei jeweils ein zusätzlicher Polarisator für jeden weiteren Resonatorzweig vorgesehen werden muss. Besonders praxisrelevant ist es dabei hingegen, wenn der Laser als dreikanaliger Laser genau zwei Resonatorzweige aufweist, wobei der erste Spiegel zugleich als ein Auskoppelspiegel des optischen Resonators und das Element ausschließlich als Polarisator ausgeführt ist oder als ein dreikanaliger Laser mit drei Resonatorzweigen ausgestattet ist, wobei zwischen dem Polarisator und einem zwei Resonatorzweigen zugeordneten zweiten Polarisator ein zweiter als ein elektrooptischer Modulator ausgeführte Q-Switch-Modulator angeordnet ist, wobei die beiden Q-Switch-Modulatoren zur abwechselnden Emittierung des Resonators mit drei Resonatorzweigen, in insbesondere gleich bleibender zeitlicher Abfolge, ansteuerbar sind.Of the multichannel lasers can in principle be an almost arbitrary number of resonators, with one additional polarizer for each another resonator branch must be provided. Particularly relevant to practice on the other hand, if the laser as a three-channel laser is exactly two Resonatorzweige, wherein the first mirror at the same time as a Output mirror of the optical resonator and the element exclusively as Polarizer executed or as a three-channel laser with three resonator branches where between the polarizer and a two resonator branches second polarizer assigned a second as an electro-optical Modulator executed Q-Switch modulator is arranged, wherein the two Q-switch modulators for alternating emission of the resonator with three resonator branches, in particular the same permanent chronological sequence, are controllable.
Mittels des elektrooptischen Q-Switch-Modulators sind drei Zustände einstellbar, indem durch das Anlegen einer Spannung die Phasendifferenz derart variiert wird, dass eine Energiespeicherung des Lasers durch eine Phasendifferenz von π/2 (zirkulare Polarisation) eingestellt und eine Pulsabgabe wegen hoher optischer Verluste an dem zweiten Polarisator/Auskoppler ausgeschlossen wird, eine Pulsabgabe des ersten, p-polarisierten Zweiges durch eine Phasendifferenz = 0 (keine Polarisationsänderung) oder eine Pulsabgabe des zweiten, s-polarisierten Zweiges durch eine Phasendifferenz = π (Drehung der linearen Polarisation um 90°) eingestellt wird. Eine Phasendifferenz π/2 in dem elektrooptischen Modulator kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Wenn der Q-Switch-Modulator beispielsweise als längselektrooptischer Modulator so orientiert ist, dass seine kristalloptische Achse z parallel zur optischen Achse des Resonators liegt, kann die zirkulare Polarisation durch Anlegen der konstanten elektrischen Spannung Uλ/4 an dem elektrooptischen Modulator erzielt werden.By means of the electro-optical Q-switch modulator three states are adjustable by the phase difference is varied by applying a voltage such that an energy storage of the laser by a phase difference of π / 2 (circular polarization) set and a pulse output due to high optical losses the second polarizer / outcoupler is excluded, a pulse output of the first, p-polarized branch by a phase difference = 0 (no polarization change) or a pulse output of the second, s-polarized branch by a phase difference = π (rotation of the linear polarization by 90 °) is set. A phase difference π / 2 in the electro-optic modulator can be achieved in various ways. For example, if the Q-switch modulator is oriented as a longitudinal electro-optic modulator so that its crystal-optical axis z is parallel to the optical axis of the resonator, the circular polarization can be achieved by applying the constant electrical voltage U λ / 4 to the electro-optical modulator.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass bei der oben genannten z-Orientierung des elektrooptischen Modulators im Strahlengang entlang der optischen Achse in dem gemeinsamen Zweig vor dem elektrooptischen Q-Switch-Modulator ein λ/4-Verzögerungsplättchen angeordnet ist. Hierdurch wird das zunächst linear polarisierte Licht des ersten oder zweiten Aktivmediums zirkular polarisiert. Um wahlweise die gewünschte p-Polarisation einstellen zu können, ist lediglich entweder eine negative oder eine positive Spannung der ihrem Betrage nach übereinstimmenden, reduzierten Spannung U= +Uλ/4 oder U = –Uλ/4 erforderlich. Hierdurch kann die Steuerung des elektrooptischen Q-Switch-Modulators durch Anlegen einer vergleichsweise geringen elektrischen Spannung erreicht werden. Zugleich kann so auch in einfacher Weise die Emission des Laserstrahls unterbrochen werden, indem in Abhängigkeit der angelegten Spannung zu diesem Zweck eine zirkulare Polarisation des durch den Modulator hindurchtretenden Lichtes eingestellt werden kann. Das zirkular polarisierte Licht bringt in den Strahlengang zwischen zwei Polarisatoren ausreichend Verluste ein, um die Imitierung zu vermeiden.A particularly advantageous embodiment of the present invention is achieved in that in the abovementioned z-orientation of the electro-optical modulator in the beam path along the optical axis in the common branch in front of the electro-optical Q-switch modulator a λ / 4-delay plate is arranged. As a result, the initially linearly polarized light of the first or second active medium is circularly polarized. In order to be able to set the desired p-polarization selectively, either only a negative or a positive voltage of the amount corresponding to their reduced, reduced voltage U = + U λ / 4 or U = -U λ / 4 is required. As a result, the control of the electro-optical Q-switch modulator can be achieved by applying a comparatively low voltage. At the same time, the emission of the laser beam can thus be interrupted in a simple manner, in that a circular polarization of the light passing through the modulator can be adjusted as a function of the applied voltage for this purpose. The circularly polarized light introduces sufficient losses into the beam path between two polarizers to avoid the imitation.
Als besonders sinnvoll erweist sich darüber hinaus auch eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung, bei welcher der elektrooptische Q-Switch-Modulator gegenüber der optischen Achse des gemeinsamen Zweigs geneigt angeordnet ist und zwar so, dass mit dieser Neigung durch eigene natürliche Anisotropie die Phasendifferenz π/2 bzw. die zirkulare Polarisation erreicht wird. Hierdurch kann auf das dem elektrooptischen Modulator vorgeschaltete λ/4-Verzögerungsplättchen verzichtet werden, indem eine zirkulare Polarisation des Lichts in einfacher Weise lediglich durch eine gegenüber der optischen Achse geneigte Position des elektrooptischen Modulators bzw. seiner Achse erzeugt wird. Die Achse des elektrooptischen Modulators wird hierzu um einen spitzen Winkel gegenüber der optischen Achse geschwenkt.In addition, a modification of the present invention proves to be particularly useful in which the electro-optical Q-switch modulator is arranged inclined relative to the optical axis of the common branch in such a way that with this tendency by own natural anisotropy, the phase difference π / 2 respectively. the circular polarization is achieved. This makes it possible to dispense with the electro-optical modulator upstream λ / 4-delay plate by a circular polarization of the light is generated in a simple manner only by a relative to the optical axis inclined position of the electro-optical modulator or its axis. The axis of the electro-optical modulator is this pivoted at an acute angle relative to the optical axis.
Eine weitere besonders Erfolg versprechende Abwandlung des erfindungsgemäßen Lasers wird dann erreicht, wenn der elektrooptische Modulator eine gemeinsame und zwei jeweils in Abhängigkeit der Lichteinkopplung eines der beiden Resonatoren ansteuerbare, jeweils an gegenüberliegenden Seiten der gemeinsamen Elektrode angeordnete Elektroden aufweist, durch deren abwechselnde Ansteuerung eine Drehung des elektrischen Feldes zur Änderung der Polarisation einstellbar ist. Hierdurch wird die Polarisation mittels des elektrooptischen Modulators aufgrund der im Wesentlichen übereinstimmenden Ansteuerungsspannungen +Uλ/4 dadurch erreicht, dass die Ansteuerung einer mittleren gemeinsamen Elektrode sowie abwechselnd einer der beiden äußeren Elektroden erfolgt, ohne dass hierzu eine Variation der Steuerspannung erforderlich ist.Another particularly promising modification of the laser according to the invention is achieved when the electro-optical modulator has a common and two each controllable depending on the light coupling of one of the two resonators, respectively disposed on opposite sides of the common electrode electrodes, by the alternating driving a rotation of the electric field to change the polarization is adjustable. As a result, the polarization is achieved by means of the electro-optical modulator due to the substantially matching drive voltages + U λ / 4, characterized in that the control of a central common electrode and alternately one of the two outer electrodes takes place, without the need for a variation of the control voltage is required.
Eine andere, ebenfalls besonders sinnvolle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasers wird dann erreicht, wenn mittels einer Differenzspannung des elektrooptischen Modulators im Hinblick auf das von jedem der beiden Resonatoren in den gemeinsamen Zweig eingeleitete Licht eine übereinstimmende Amplitude der Pulse der beiden Resonatoren einstellbar ist. Hierdurch kann also in einfacher Weise eine übereinstimmende Einstellung der Amplitude der Pulse beider Resonatoren erreicht werden, so dass eine konstante Leistungsdichte eingestellt werden kann. A other, also particularly useful embodiment of the laser according to the invention is reached when by means of a differential voltage of the electro-optical Modulators with respect to that of each of the two resonators light introduced into the common branch has a matching amplitude the pulse of the two resonators is adjustable. This can So in a simple way a matching Adjustment of the amplitude of the pulses of both resonators achieved be set so that a constant power density can.
Besonders praxisgerecht ist es dabei auch, wenn der mehrkanalige Laser als ein intracavity- frequenzkonvertierter Laser ausgeführt ist, wobei das Element ausschließlich als Polarisator-Auskoppler ausgeführt ist, der erste Spiegel als hochreflektierend für die Grundwellenlänge und die Wellenlänge der zweiten Harmonischen ausgeführt ist und mindestens ein nichtlinearer Kristall zwischen erstem Spiegel und dem Element, angeordnet ist, wobei bei einem frequenzverdoppelten Laser das Element zur Auskopplung der zweiten Harmonischen und bei einem frequenzverdreifachten Laser das als Polarisator-Auskoppler ausgeführte Element zur Auskopplung der dritten Harmonischen ausgeführt ist.Especially It is also practical if the multichannel laser as an intracavity-frequency-converted Laser executed is, wherein the element is designed exclusively as a polarizer output coupler, the first mirror as highly reflective for the fundamental wavelength and the wavelength the second harmonic executed and at least one nonlinear crystal between the first mirror and the element is arranged, wherein at a frequency doubled Laser the element for coupling out the second harmonic and at a frequency tripled laser as a polarizer output coupler executed Element for coupling out the third harmonic is executed.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Polarisator zur Ablenkung des Lichts der verschiedenen Resonatoren entlang zueinander beanstandeter Achsen parallel zu der optischen Achse in dem gemeinsamen Resonatorzweig in verschiedenen Positionen einstellbar, insbesondere quer zur optischen Achse verschiebbar ausgeführt ist, führt die räumliche Trennung der beiden Achsen zur einer reduzierten Leistungsdichte in dem gemeinsamen Zweig und damit zugleich auch zu einer wesentlich verminderten Belastung der optischen Bauelemente des Lasers. Der Einsatz des Lasers mit zwei parallelen und zueinander verschobenen Strahlen ist bei der Applikation grundsätzlich problemlos möglich, weil die parallelen Strahlen bei der Fokussierung in der Fokussierebene in einem einzigen Spot zusammenfallen.at another, also particularly promising embodiment of the present invention wherein the polarizer is for deflecting the Light of the different resonators along each other off Axes parallel to the optical axis in the common resonator branch in adjustable in different positions, in particular transversely to the optical Axis is designed to be displaceable leads the spatial Separation of the two axes for a reduced power density in the common branch and thus at the same time also to a substantial reduced load on the optical components of the laser. Of the Use of the laser with two parallel and shifted to each other Radiation is fundamentally easily possible during application, because the parallel rays when focusing in the focusing plane coincide in a single spot.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung inThe Invention leaves different embodiments to. To further clarify its basic principle is one of them shown in the drawing and will be described below. These shows each in a schematic diagram in
In
der
Dabei
tritt das p-polarisierte Licht des dritten Aktivmedium
Weiterhin
sind in dem in
Darüber hinaus
zeigt die
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