Verfahren zur Minderung des Amplitudenrauschens von Festkörperla¬ sern mit resonatorinterner Frequenzverdopplung sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und Vorrichtungen zu dessen Diirchführung.
Festkörperlaser (meist unter Verwendung von Seltenerd-dotierten Kristallen oder Gläser, beispielsweise Nd: YAG, Nd: YVO4, Nd: YAIO, Nd:YLF, Nd.Glas oder andere, ähnliche Festkörpermaterialien) mit resonatorinterner Frequenz¬ verdopplung sind seit langem bekannt und werden in vielen Anwendungen der Lasertechnik eingesetzt. Man bedient sich hierbei der Erzeugung der zweiten oder höherer harmonischer Schwingungen in Materialien (vorwiegend Kristal¬ len, welche kein Inversionszentrum besitzen, beispielsweise KTP, LBO, BBO, KNbOß, LiNbOß oder andere) mit einem hohen nichtlinearen Koeffizienten, welcher durch anharmonische Schwingungen der Gitteratome, angeregt durch eine einfallende Lichtwelle, Licht der doppelten (oder vielfachen) Frequenz der eingestrahlten Lichtwelle erzeugt. Der Prozeß der Erzeugung höherer Harmo¬ nischer ist stark leistungsdichteabhängig (vergl. z. B. Köchner, Solid-State La¬ ser Engineering), so daß zur Erzeugung frequenzverdoppelter Laserstrahlung hoher Effizienz der nichtlineare Kristall oftmals (zumindest bei kontinuierlich arbeitenden (cw) Lasern) entweder in den Resonator des Lasers selbst oder aber in einen eigenen Resonator eingebracht wird (s.o. oder auch z.B. Yariv, Quantum Electronics, 3. Aufl. S. 402). Während letzter Fall eines eigenen Re¬ sonators für den Frequenzverdoppler zwar den grundsätzlichen Vorteil geringer Amplitudenschwankungen aufweist, ist diese Anordnung durch einen erhebli¬ chen Aufwand dadurch gekennzeichnet, als der dem Frequenzverdopplerkri¬ stall zugehörige Resonator genau auf die Frequenz des Laserresonators aktiv stabilisiert werden muß und die Laserstrahlung zur Erzielung einer hohen Effi¬ zienz möglichst einfrequent sein sollte. Der erstere Fall der Einbringung des Frequenzverdopplerkristalles in den Laserresonator ist demgegenüber wesent¬ lich unaufwendiger, es kann hier mit Lasern gearbeitet werden, welche auf
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mehreren bis vielen longitudinalen Moden emittieren; die Resonatorspiegel werden meist hochreflektierend für die Laserwellenlänge gewählt, um eine maximale Leistungsüberhöhung im Resonator und damit eine möglichst hohe Verdopplungseffizienz zu erreichen, der Auskoppelspiegel ist gleichzeitig hochtransmittant für die frequenzverdoppelte Strahlung, um diese gut aus dem Resonator auskoppeln zu können..
Allerdings weist diese Anordnung ein systembedingtes starkes Amplitudenrau¬ schen auf, welches nach unserer Kenntnis zuerst von T. Baer in J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 3 No 9, Sept. 1986, S. 1175 beschrieben wurde. Zur Erklärung dieses Rauschens gibt es mehrere unterschiedliche Ansätze. Baer erklärt dies durch eine Konkurrenz unterschiedlicher Moden (da die jeweils stärkste Mode am besten verdoppelt wird, wird sie durch Auskopplung aus dem Laserresona¬ tor am stärksten gedämpft und eine andere longitudinale Mode wird nun zur stärksten usf.). Andere Erklärung beruhen auf der Summenfrequenzerzeugung oder auf der Modenkonkurrenz zwischen Moden unterschiedlicher Polarisation (s. z.B. EP 0457 590 A2). Wahrscheinlich jedoch sind alle diese Mechanismen gleichzeitig am Rauschprozess beteiligt.
Besonders störend für viele Anwendungen ist hierbei die Tatsache, daß der Laser sehr niederfrequent rauschen kann, was sich in einem "Flackern" des La¬ serstrahles bemerkbar macht, dessen Modulationsgrad bis zu 100% betragen kann. Dieses Rauschen ist aufgrund des nichtlinearen Zusammenhanges der Verdopplungseffizienz (s. Koechner, vergl. oben) streng chaotisch, es können sich zeitweise stabile Zustände einstellen, die schlagartig von starkem Rau¬ schen gefolgt werden können. Dieses Phänomen ist in der Literatur ausführlich untersucht worden (s. z.B. Phys. Rev. A. Vol. 41 No. 5, March 1990, S. 2778 oder Opt. Comm. 118 (1995) S. 289). Es wurden auch erste Regelungsmodelle entworfen, die dieses chaotische Rauschen ausregeln sollen, allerdings ist die Regelbandbreite dieser nichtlinearen Regler derzeit um mehrerer Größenord¬ nung zu gering (erforderlich wären Bandbreiten von deutlich größer als 1 MHz für die nichtlineare RegelscWeife), um das Rauschen praktisch unterdrücken zu können (s. z. B. Phys. Rev. A, Vol. 47, No. 4, Apnl 1993, S. 3276).
Andere Ansätze der Rauscluiunimierung beruhen nach dem Stande der Technik im Einbringen eines Viertelwellenplättchens (s. US-Patent 4,618,957) oder Brewsterplättchens (s. DE 3917 902 AI) in den Resonator oder in der Tempe¬ raturstabilisierung des Verdopplerkristalles (s. EP 0 329 442 A2 ). Allerdings weisen alle diese Lösungswege nach dem Stande der Technik wesentliche Nachteile auf:
Das Einbringen eines weiteren Elementes in den Resonator (Viertelwellenplättchen oder Brewsterplatte) erlaubt zwar eine weitgehende Unterdrückung des Laserflackerns, allerdings sind derartige Elemente im Re¬ sonator sehr^ genau zu justieren, was den Herstellaufwand erhöht, und führen auch bei bester Justage immer zu höheren Verlusten im Resonator (aufgrund Restreflexionen und Streuung), so daß diese höheren Verluste drastisch auch die Leistungsdichte und somit die Verdopplungseffizienz verringern.
Die Stabilisierung der Verdopplerkristall-Temperatur (EP 0 329 442 A2) hin¬ gegen kommt ohne solche zusätzlichen Elemente aus und erlaubt bei gleicher Leistungsdichte ebenfalls eine deutliche Reduktion des Laserrauschens. Der Grund hierfür dürfte wohl darin liegen, daß der Verdopplerkristall bei der win¬ kelabhängigen Phasenanpassung (und von dieser soll hier die Rede sein, vergl. Koechner, S. 528) selbst als Viertelwellenplättchen sehr hoher Ordnung wirkt, welches den gleichen Effekt aufweist wie ein zusätzlich eingebrachtes, ohne jedoch zusätzlich justiert werden zu müssen oder zusätzliche Reflexion- oder Streuflächen zu bieten. Die exakte Anpassung der Verdopplerkristall-Länge auf ein ganzzahlig Vielfaches von λ/4 erfolgt nun aber durch eine exakte Ab¬ stimmung der Länge des Verdopplerkristalles über die Temperatur.
Dieses Verfahren ist dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits sehr nahe, weist aber immer noch einen wesentlichen Mangel auf: Da der Laserresonator im Laufe des Betriebes seine Temperatur ändert, insbesondere unter Änderung der Umgebungsbedingungen oder bei unvollständigem Erreichen eines thermi¬ schen Gleichgewichtes, kommt es zu ständigen Änderungen der Laserresona¬ torlänge und auch der exakten Temperatur des Verdopplerkristalles. Eine reine Stabilisierung der Kristall-Länge auf die Temperatur erlaubt daher nur einen Betrieb in einem sehr engen Temperaturfenster unter ausgesprochen konstanten
Umgebungsbedingungen und in stabil eingeschwungenem thermischen Gleich¬ gewicht (s. EP 0 329 442 A2). Diese Bedingungen aber sind bei einem unter realen Anwendungsbedingungen betriebenen Laser in er Regel nicht erfüllt.
Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, welches es ermöglicht, die mit geringstem La¬ serrauschen (Flackern) einhergehende optimale Temperatur des Verdoppler¬ kristalls aktiv sich ändernden Umgebungsbedingungen oder anderer Störein¬ flüsse nachzuregeln und so einen praxisgerechten Lasereinsatz auch außerhalb von definierten Umgebungsbedingungen und unabhängig vom Erreichen eines thermischen Gleichgewichtszustandes zu ermöglichen.
Es zeigen
Fig. 1 Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Regel Verfahrens; die gestri¬ chelt gezeichneten Elemente sind gegebenenfalls optional
Fig. 2 Typisches Rauschen eines resonatorintern frequenzverdoppelten La¬ sers mit plötzlichem Leistungseinbruch (Flackern) (Zeitachse: 10 ms/Einheit)
Fig. 3 Rauschmessung eines resonatorintern frequenzverdoppelten Lasers im Zustand starken Flackems (obere Kurve) und im stabüen Zustand ohne Flackern (untere Kurve)
Fig. 4 Rauschmessung eines erfindungsgemäß stabilisierten Lasers (Zeitachse: 10 ms/Einheit)
Gegenüber EP 0 329 442 A2 beruht das erfindungsgemaße Verfahren darauf, das Rauschen des Lasers selbst zu messen und durch Nachführung der Ver¬ dopplerkristall-Temperatur zu muiimieren.
Das zumeist störende Laserrauschen, das niederfreuqente "Flackern", läßt sich jedoch schlecht als Regeleingangssignal verwenden, da die Amplitudenmodu¬ lation lelativ lange Periodendauern aufweist (typisch im Sekundenbereich und
darüber), der Modulationsvorgang selbst, also der Leistungseinbruch, hingegen schlagartig vor sich geht (Fig. 2). Man hat somit keine Möglichkeit, durch eine schnelle Reaktion der Temperaturregelung mit den bekannten langsamen Zeit¬ konstanten einen solchen plötzlichen, aber relativ seltenen Leistungseinbruch durch Gegensteuern zu verhindern.
Aus eigenen Messungen konnte jedoch gefunden werden, daß die stabilen Zu- stände^nit fehlendem Laserflackern, bei denen die Verdopplertemperatur also richtig gewählt ist, korreliert sind mit einem besonders geringen höherfrequen- tem Laserrauschen. So zeigt beispielsweise Fig. 3 eine typische Meßkurve des Laseramplitπden-Rauschfrequenzspektrums bei geeigneter Verdopplerkristall- Temperatur und fehlendem Flackern (untere Kurve) und bei schlecht angepa߬ ter Temperatur mit auftretendem Laserflackern (obere Kurve). Man sieht deut¬ lich, daß beide Kurven eine signifikant unterschiedliche Rauschamplitude ins¬ besondere im Frequenzbereich zwischen 10 und 500 kHz aufweisen, wohinge¬ gen das Rauschen unter 10 kHz und über 700 kHz ähnlich stark für beide Temperaturen und Laserzustände (mit bzw. ohne Flackern) verläuft. Daher soll dieser Rauschanteil im oben beschriebenen signifikanten Frequenzbereich als Regelsignal für die TemperaUimachführung der Verdopplerkristall-Temperatur herangezogen werden.
Hierzu wird ein geringer Teil der Laserausgangsstrahlung im Bereich einiger Milliwatt oder darunter aus dem eigentlichen Nutzstrahl ausgeblendet (dies kann vorzugsweise der frequenzverdoppelte Strahl oder, weil hiermit korre¬ liert, auch ein Teil der Reststrahlung der Grundwellenlänge sein, die aus dem Laserresonator leckt) und auf einen Photodetektor (etwa eine Halbleiterdiode) gebracht. Das elektrische Ausgangssignal wird dann (gegebenenfalls nach Verstärkung) einem elektrischen Bandpaß zugeleitet, so daß dann am Ausgang nur noch das Rauschsignal im oben beschriebenen signifikanten Frequenzbe¬ reich abgegriffen wird. Das Signal wird anschließend gleichgerichtet oder qua¬ driert. Dieses Signal kann nun als zu minimierendes Steuersignal einer Tempe¬ raturregelung zugeführt werden, die die Verdopplerkristall-Temperatur nun aktiv auf minimales Rauschsignal hin nachführt. Da in manchen Laseranord¬ nungen die Laserausgangsleistung schwankend oder indefinit angegeben sein kann, kann zusätzlich schon vor dem Bandpaßfilter ein Signal abgeleitet wer-
den, welches integriert wird und so der mittleren Laserleistung proportional ist, so daß durch Quotientenbildung dieses Signales mit dem eigentlichen, gegebe¬ nenfalls ebenfalls gleichgerichteten und integrierten Rauschsignal hinter dem Bandpaßfilter ein Maß für das leistungsbezogene relative Rauschen darstellt. Dieses Signal kann nun, je nach Quotientenbildung, minimiert oder maximiert werden, beispielsweise durch Ableitung und Zuführung zu einer Temperaturre¬ geleinheit. Eine andere bevorzugte Ausführung besteht darin, das Rauschsignal entweder vor oder nach der Integration oder Quadratur zu digitalisieren und einer Mikroprozessoreinheit (beispielsweise vom Typ 68 HC 11 oder ähnli¬ chen Typen, welche bereits über geeignete Analog-Eingänge und -Ausgänge verfugt. Alternativ können auch Prozessoren mit externen Analog-Digital- und Digital-Analogwandlern verwendet werden. Nach dem Stande der Technik kann statt einer Digital-Analog-Wandlung am Ausgang auch ein digital kodier¬ tes Impulsweitensteuerungssignal ausgegeben werden) zuzuführen, die in erste- rem Falle die Integration bzw. Quasdratur digital durchführt, in beiden Fällen jedoch mittels eines geeigneten Algorithmus die Verdopplerkristall-Temperatur über einen Ausgang so einstellt, daß ein Minimum des Rau&chsignales einge¬ nommen wird. Vorzugsweise wird das Ausgangssignal direkt einer Tempera¬ tursteuereinheit zur Änderung der Verdopplerkristall-Temperatur zugeführt oder aber einer Temperaturregelung als Änderungssignal zum Temperatursoll¬ wert zuaddiert. Selbstverständlich kann das Steuersignal auch an anderer ge¬ eigneter Stelle einer Temperaturregeleinheit eingreifen. Im zuvor beschriebe¬ nen Falle einer schwankenden Laserleistung kann auch hier wie zuvor be¬ schrieben entweder ein tiefpaßgefiltertes Laserleistungssignal analog mit dem Rasuchsignal einer Quotientenbildung unterworfen und dann der Mikroprozes¬ soreinheit zugeführt oder direkt über einen anderen Eingangskanal der Mikor- prozessoreinheit zugeführt werdem, welche in letzrerem Falle die beschriebene Quotientenbildung digital durchführt.
Eine besonders vereinfachte Anordnung erhält man dadurch, daß das gegebe¬ nenfalls verstärkte Photodiodensignal einem Mikroporzessor zugeführt wird, der sowohl die Bandpaßfilterung als auch die notwndigen gleichrichtungs- bzw. quadrierungsschritte und auch die Integrationen und Quotientenbildung durchführt. Weiter kann der Mikroprozessor auch die Temperatursteuerung des Verdopplerkristalles übernehmen.
Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt so, fluktuationsfrei (flackerfreie) Zu¬ stände der frequenzverdoppelten Laserstrahlung aktiv nachzuregeln bei relativ geringer Bandbreite und, anders als im Falle der chaotischen Regelungen, rein linearem Regelansatz, um so die optimale Verdopplertemperatur auch unter sich ändernden Umwelt- oder Störeinflüssen bzw. abseits des thermischen Gleichgewichtes zu halten. Ebenso können Alterungs- oder Dejustageeffekte (bis zu einem gewissen Grade) ausgeglichen werden.
Vorteilhaft kann es sein, den Regelbereich des Temperaturreglers so einzu¬ grenzen (mit nach dem Stande der Technik bekannten Maßnahmen), daß kein zweites Minimum des Laserrauschens (keine zweite optimale Verdopplertem¬ peratur; die richtige Länge des Kristalles für seine Wirkung als Viertelwellen¬ plättchen ist ja mit λ/4 periodisch) eine Uneindeutigkeit im Regelverhalten hervorruft. Weiter kann eine zu starke Änderung der Verdopplertemperatur neben Mehrdeutigkeiten im Rausclumnimum auch zu einer starken Änderung der Laserleistung führen, was ebenfalls eine Beschränkung des Regelbereiches erfordert.. Damit das Regelsystem mcht an den Grenzen dieser Beschränkung "anschlägt", ist hier gegebenenfalls vorzusehen, daß bei Erreichen der Be- schränkungsgrenzen ein Rücksprung in einen anderen Temperaturbereich mit hinreichendem Abstand zu den Regelgrenzen stattfindet. Dies kann insbeson¬ dere in der digitalen Ausführung des beschriebenen Verfahrens durch eine ent¬ sprechende Programmierung des Mikroprozessors leicht vorgenommen werden