WO2014154193A1 - Method and device for optical pumping of laser amplifiers for generating laser radiation having defined beam properties - Google Patents

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WO2014154193A1
WO2014154193A1 PCT/DE2014/000112 DE2014000112W WO2014154193A1 WO 2014154193 A1 WO2014154193 A1 WO 2014154193A1 DE 2014000112 W DE2014000112 W DE 2014000112W WO 2014154193 A1 WO2014154193 A1 WO 2014154193A1
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laser
pump radiation
pump
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Malte Kaluza
Sebastian Keppler
Marco Hellwing
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Friedrich-Schiller-Universität Jena
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    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA

Definitions

  • a time-defined laser beam (or laser pulse) generated by an oscillator is amplified here by several amplifiers up to a certain energy or power. This principle is unavoidable in laser systems with high energies or average power.
  • the resulting individual amplifier stages consist of at least one active medium, for example solids (doped glasses or crystals), dyes or gases in which the occupation inversion required in the active medium for the amplification is realized by supplying energy, for example in the form of optical pump radiation becomes.
  • the invention relates in this case to optically longitudinally pumped, unsaturated individual laser amplifiers.
  • the pump radiation necessary for the population inversion in the active medium and thus for the amplification is introduced here along the optical axis into the active medium of the laser amplifier. Due to the arrangement of the optical components, these amplifiers do not have stable resonators and, consequently, have no mode dependence and no preferred beam cross-sectional profile.
  • This type of amplifier is used in particular in high-power or high-energy lasers, for which efficient amplification and a homogeneous energy density distribution are essential in order to avoid damage or even the destruction of the optical components.
  • the laser amplifiers can also be used to amplify and generate laser radiation of any energy, wavelength, bandwidth, and beam profiles.
  • a major consideration in designing these amplifiers is energy surface density.
  • the beam profile must be chosen such that the energy surface density is as low as possible to deposit a high amount of energy or power in the beam without exceeding the laser-induced damage threshold of the optical components.
  • the ratio of applied pump energy to extracted energy of the amplified laser beam is of considerable importance. For this purpose, an optimal adaptation of the cross-sectional profile of the pumping radiation introduced into the laser medium to the beam cross-sectional profile of the laser radiation to be amplified is necessary.
  • the beam cross-section profile of the laser output radiation is very much dependent on the shape and homogeneity of the cross-sectional profile of the pump radiation, which is why a rectangular intensity distribution across the beam cross section of the pump radiation is frequently used for this purpose
  • this has by the active medium, as well as due to emission and reabsorption of spontaneous laser radiation (fluorescence) within the active medium of this rectangular cross-sectional profile is washed out at the edges, resulting in a super-Gauss-shaped profile profile of the pump radiation within the active medium
  • the reduced edge steepness leads to an inhomogeneous reinforcement of the edge regions and ultimately to a constriction of the effective reinforcement profile, which is additionally enhanced by the number of transmission passages through the active medium
  • the particular adaptation of the laser input radiation to the pump radiation is essential to the beam profile of the amplified laser radiation.
  • the homogenization was developed by means of a microlens array.
  • This technique based on an optical illumination arrangement (eg US 4,619,508 A) is successfully used in many laser amplifiers with incoherent pump light sources or pump light sources with very short temporal coherence.
  • techniques have been developed on this basis for pump light sources with very high temporal and spatial coherence, which prevent the Talbot effect dominating here with the aid of delays of the individual beams, defined by the sub-apertures of the microlens array (for example US 201 1/0038037 AI).
  • a further method for homogenizing the intensity distribution of the pump radiation is a diffractive optical element.
  • a grating is produced in such a way that the pump radiation diffracted at this element results in a nearly homogeneous rectangular cross-sectional profile in one plane (H. Kiriyama et al .: "High temporal and spatial quality petawatt-class Ti: sapphire chirped-pulse amplification laser system", Optics Letters 35, 2010, 1497-1499, Internet presence of Silios Technologies, www.silios.com).
  • the homogenization by means of a rod-shaped optics, optionally consisting of quartz glass, glass or transparent plastic to realize (DE 10 2006 039 074 B4).
  • the damage threshold and the surface quality which makes the use of these techniques, also due to the special design of the aspheres or mirrors, very expensive and also very easy to tune.
  • Minimal deviations of the lenses from the ideal position result in poor focusability of the laser output beam due to wavefront aberrations. For these reasons, the use of beamforming techniques in high-energy or high-power laser systems must be avoided at all costs.
  • the invention is based on the object with the least possible effort and without required beam shaping of the laser input radiation to generate a fixed energy generated by a laser / power and possibly with a determined by the laser-induced damage threshold of the optical system components energy density and thereby the energy / power the laser pump radiation used to be kept as low as possible.
  • a method for generating a laser radiation with defined beam properties in which a pump radiation for exciting the population inversion of the active medium of a laser amplifier for amplifying a laser input radiation via an optical system is coupled into the active medium of the laser amplifier, wherein the pump radiation, if necessary a homogeneous and / or preferably rectangular intensity distribution over the beam cross-section fixed, according to the invention solved in that the pump radiation in addition to a possible Fixbeeinlung depending on both the energy surface density of the laser output radiation of the laser amplifier and in dependence of the beam properties, in particular beam cross-sectional profile and / or beam geometry and / or beam size, which is surface modulated to be amplified laser input radiation.
  • This area modulation of the pump radiation is controlled either dynamically as a function of the currently detected beam properties of the laser input and output radiation or statically on the basis of predetected or predetermined beam properties of the laser input and output radiation realized.
  • a beam influencing stage for fix setting a homogeneous and / or preferably rectangular Intensity distribution can be located over the beam cross-section, is dependent on the beam characteristics of the laser input and output radiation of the laser amplifier
  • Strahl vommodulierendes optical element within the optical system for coupling the pump radiation into the active medium with this for the purpose of their Strahl inhabitmodulierung in connection are dependent on the beam characteristics of the laser input and output radiation of the laser amplifier.
  • Such a beam-surface-modulating element may be, for example, an actively controlled optical modulator whose inputs each with at least one detector for detecting the current beam characteristics of the laser input and output radiation of the laser amplifier are coupled.
  • a transmissive and / or reflective filter as a beam surface-modulating element which matches the pump radiation, the filter properties of which are adapted to predetected beam properties of said laser input and output radiation of the laser amplifier.
  • the spatial surface modulating static or dynamic modulator to be used according to the invention is positioned within the pump radiation.
  • the requirements for the optical elements with respect to the bandwidth, destruction resistance, transmission or reflectivity and also the surface quality due to the properties of the pump radiation are comparatively low.
  • the proposed special area modulation of the pump radiation to an advantageous low effort, cost and procedurally well implemented method that can be implemented without modification of existing beam architectures with low adjustment effort into existing systems.
  • the lower requirements are also advantageous in terms of life.
  • the area modulator used in no way affects the laser input radiation to be amplified, since it is not transmitted at any time to the spatially modulating modulator or reflected at it.
  • the modulator possibly to be expected interference and aberrations of the spatial, temporal and spectral parameters of the laser output radiation, such as wavefront and beam profile deformations, a deterioration of the temporal intensity contrast of pulsed laser systems or a narrowing or modulation of the spectral bandwidth, as well the influence of the accumulated nonlinear phase completely be avoided.
  • the production of at least the transmissive or reflective filters in high quantities is very reproducible and possible in almost any size. This makes this method inexpensive, very reliable and almost arbitrarily scalable.
  • Fig. 1 Block diagram for laser amplification with inventive
  • FIG. 2 shows a block diagram according to FIG. 1 with additional and per se known fixed influencing of the pump radiation
  • Fig. 3 Representation of beam properties / cross-sectional profiles of
  • Cross-sectional profile of the laser output radiation with modulation 4 shows a block diagram for laser amplification with beam surface modulation according to the invention using a transmissive and / or reflective filter within the optical system for coupling the pump radiation into the active medium.
  • a pumping light source 1 generates a pumping radiation 5 necessary for the population inversion within the active medium 2 of a laser amplifier 3 for amplifying a laser input radiation 4.
  • the pumping light source 1 additionally has an integrated homogenizing unit, not explicitly shown in this figure, which directs the pumping radiation 5 homogenized to a super Gaussian-shaped cross-sectional profile of high order in a jet plane.
  • the homogenized in a plane pump radiation 5 is coupled into the active medium 2 of the laser amplifier 3.
  • the optical system 6 contains a telescope which is not explicitly illustrated and which images the pump radiation 5 of the pump light source 1 from the plane in which the pump radiation 5 is homogenized into the active medium 2.
  • the resulting cross-sectional profile of the pumping radiation 5 within the active medium 2 corresponds to a super-Gaussian-shaped profile of low order (compare Fig. 3a-1.1 or Fig. 3a-1.2).
  • the size of the super-Gaussian-shaped cross-sectional profile of the pump radiation 5 in the active medium 2 and the size of the Gaussian laser input radiation 4 see Fig.
  • 3b-l is chosen so that assuming an equally large super Gaussian-shaped Strahlqueritesproflls a laser output radiation 7, the maximum energy density surface, determined by the laser-induced damage threshold of the optical components of the laser amplifier 3, is not exceeded due to the fixed laser output energy to be reached.
  • the size of the cross-sectional profile of the pump radiation 5 in the active medium 2 is adjusted by the magnification of the optical system 6 containing the imaging telescope.
  • the laser input radiation 4 is generated by the laser amplifier 3 and by the pump radiation 5 Occupancy inversion in the active medium 2 to the laser output radiation 7 amplified.
  • both the laser input radiation 4 coupled into the laser amplifier 3 and its laser output radiation 7 are spatially measured by means of detectors (8, 9), for example CCD cameras.
  • the beam cross section profile of the amplified laser output radiation 7 corresponds in the center to that of the Gaussian laser input radiation 4, but at the edge to that of the super Gaussian pump radiation 5 (compare FIGS. 3b-2.1 and 3b-2.2).
  • This resulting beam cross-sectional profile of the laser output radiation 7 does not have the lowest possible energy surface density, which limits the output energy to be achieved.
  • the energy surface density is calculated from the fixed laser output energy to be achieved and the measured beam cross-sectional profile of the laser output radiation 7 and minimized in the following.
  • a modulation calculation stage 10 is sent, which determines an area modulation to be set for the pump radiation 5 by means of suitable algorithms.
  • the modulation calculation stage 10 is connected to a light modulator 11 which is located within the optical system 6 for coupling the pump radiation 5 into the active medium 2 and impresses the calculated area modulation to be set in the plane of the homogenized pump radiation 5.
  • the area modulation to be set corresponds to a parabolic attenuation of the pump radiation 5 in the center of the cross-sectional profile (compare Figures 3a-2.1 and 3a-2.2).
  • the laser input radiation 4 is again amplified with the laser amplifier 3 and the occupation inversion generated by the pump radiation 5 in the active medium 2 corresponding to the modulated cross-sectional profile of the pump radiation 5 to the laser output radiation 7.
  • the energy surface density is determined from the beam profile of the laser output radiation 7 measured by the detector 9, from the (already known) beam profile of the laser input radiation 4 measured by the detector 8 and from the fixed laser energy to be achieved, and as a controlled variable to the light modulator 11 sent. If there is a change in the beam parameters of the laser input radiation 4, then these too must be measured again by means of detector 8.
  • the light modulator 11 again modulates the cross-sectional profile of the pump radiation 5 on the basis of the currently output data of the modulation calculation stage 10. These steps are repeated until the value of the energy surface density of the laser output radiation 7 reaches a minimum value and does not change any more.
  • the beam cross-sectional profile of the laser input radiation 4 is optimally adapted to that of the pump radiation 5.
  • the resulting beam cross-section of the laser output radiation 7 in this case corresponds to the required super Gaussian beam profile (see Fig. 3b-3.1 or Fig. 3b-3.2), which corresponds to an optimal energy density surface at a fixed energy.
  • the magnification of the optical system 6 consisting of the imaging telescope is selected such that the energy surface density of the laser output radiation 7 is close to, but not above, the damage threshold of the optical components of the laser amplifier 3.
  • This adaptation of the magnification takes place via the selection of the focal length of the second lens of the imaging telescope from the optical system 6 and does not affect the adaptation of the laser input radiation 4 to the pump radiation 5 with small changes.
  • the determination of the area modulation must be made again.
  • FIG. 2 shows a block diagram for laser amplification according to FIG. 1, with the difference that the means known for influencing the pump radiation 5, for example for producing a homogeneous rectangular profile of the pump radiation 5, are not integrated directly into the pump light source 1, but outside of this are arranged as an optical element 12 in the beam path of the pump radiation 5.
  • the means and procedure for the surface modulation of the pump radiation 5 according to the invention are as described in the embodiment of FIG.
  • the filter properties of this transmissive and / or reflective filter 13 for the area modulation of the pump radiation 5 are adapted to the said predetected beam properties of the laser input and output radiation 4, 7 of the laser amplifier 3, which were previously determined by the modulation calculation stage 10 (symbolized by dashed arrow 14).
  • an area-modulating element transmissive and / or reflective filter 13
  • it is particularly recommended during the iterative algorithm for minimizing the energy surface density of the laser output radiation 7 to have a filter variant that can be produced quickly, for example a printable optical film.
  • the energy surface density of the laser output radiation 7 is again minimized according to the iterative process described in the exemplary embodiment of FIG.
  • a repeated production of the surface modulating element (filter 13) is necessary, which justifies the advantages of the rapidly printable film.
  • a transmission filter by means of a layer system applied to a substrate (not explicitly shown in the drawing) are prepared according to the modulation determined in the modulation calculation stage 10 and inserted as a filter 13 in the plane of the homogenized pump radiation 5.
  • the size of the cross-sectional profile of the pump radiation 5 in the active medium 2 and thus, with constant energy density, the energy of the pump radiation 5 can be minimized.

Abstract

The invention relates to the generation of a fixed, laser-generated energy/power which optionally has an energy areal density determined by the laser-induced damage threshold of the optical components, using minimal efforts and without any beam shaping of the laser input radiation being required. The problem addressed by the invention is that of keeping the energy/power of the pump radiation used as low as possible. According to the invention the pump radiation (5) for stimulating the population inversion in the active medium (2) for amplifying laser input radiation (4) of a laser amplifier (3) is surface-modulated in accordance with the energy areal density of the laser output radiation (7) of the laser amplifier (3) and in accordance with the beam properties, in particular the beam cross-sectional profile and/or beam geometry and/or beam size of the laser input radiation (4) to be amplified. For that purpose the spatial profile of the radiation (4) to be amplified and the amplified radiation (7) is measured using the detectors (8) and (9) and a spatial pump light modulator (11) is activated to optimise the output profile.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum optischen Pumpen von Laserverstärkern für die Erzeugung einer Laserstrahlung mit definierten Strahleigenschaften  Method and apparatus for optically pumping laser amplifiers for generating laser radiation with defined beam characteristics
Zur Erzeugung von Laserstrahlung mit definierten Parametern, z. B. einer bestimmten spektralen Bandbreite, Leistung bzw. Energie oder einem bestimmten Strahlprofil, wird oftmals die Gesamtverstärkung des Laserstrahles in verschiedene Verstärkerstufen unterteilt. Ein durch einen Oszillator generierter zeitlich definierter Laserstrahl (oder auch Laserpuls) wird hier durch mehrere Verstärker bis zu einer bestimmten Energie bzw. Leistung verstärkt. Bei Lasersystemen hoher Energien bzw. Durchschnittsleistungen ist dieses Prinzip unvermeidbar. Die daraus resultierenden individuellen Verstärkerstufen bestehen aus zumindest einem aktiven Medium, beispielsweise Festkörper (dotierte Gläser bzw. Kristalle), Farbstoffe oder Gase, in denen die für die Verstärkung notwendige Besetzungsinversion im aktiven Medium durch das Zuführen von Energie bspw. in Form von optischer Pumpstrahlung realisiert wird. For generating laser radiation with defined parameters, eg. As a particular spectral bandwidth, power or energy or a particular beam profile, often the overall gain of the laser beam is divided into different amplifier stages. A time-defined laser beam (or laser pulse) generated by an oscillator is amplified here by several amplifiers up to a certain energy or power. This principle is unavoidable in laser systems with high energies or average power. The resulting individual amplifier stages consist of at least one active medium, for example solids (doped glasses or crystals), dyes or gases in which the occupation inversion required in the active medium for the amplification is realized by supplying energy, for example in the form of optical pump radiation becomes.
Die Erfindung betrifft hierbei optisch longitudinal gepumpte, ungesättigte individuelle Laserverstärker. Die für die Besetzungsinversion im aktiven Medium und somit für die Verstärkung notwendige Pumpstrahlung wird hier entlang der optischen Achse in das aktive Medium des Laserverstärkers eingebracht. Aufgrund der Anordnung der optischen Komponenten besitzen diese Verstärker keine stabilen Resonatoren und haben demzufolge keine Modenabhängigkeit und kein bevorzugtes Strahlquerschnittprofil. Diese Art von Verstärkern wird insbesondere bei Hoch-Leistungs- bzw. Hoch-Energie-Lasern eingesetzt, bei denen eine effiziente Verstärkung und eine homogen Energiedichteverteilung essentiell sind, um Beschädigungen oder sogar die Zerstörung der optischen Komponenten zu vermeiden. The invention relates in this case to optically longitudinally pumped, unsaturated individual laser amplifiers. The pump radiation necessary for the population inversion in the active medium and thus for the amplification is introduced here along the optical axis into the active medium of the laser amplifier. Due to the arrangement of the optical components, these amplifiers do not have stable resonators and, consequently, have no mode dependence and no preferred beam cross-sectional profile. This type of amplifier is used in particular in high-power or high-energy lasers, for which efficient amplification and a homogeneous energy density distribution are essential in order to avoid damage or even the destruction of the optical components.
Die Laserverstärker können jedoch ebenfalls zur Verstärkung und Erzeugung von Laserstrahlung jeglicher Energie, Wellenlänge, Bandbreite und Strahlprofile verwendet werden. Ein Hauptaugenmerk bei der Konstruktion dieser Verstärker liegt auf der Energieflächendichte. Das Strahlprofil muss derart gewählt werden, dass die Energieflächendichte so gering wie möglich ist, um einen hohen Betrag an Energie bzw. Leistung im Strahl zu deponieren, ohne die Laser-induzierte Zerstörschwelle der optischen Komponenten zu überschreiten. Ebenfalls ist das Verhältnis von aufgebrachter Pumpenergie zu extrahierter Energie des verstärkten Laserstrahles von erheblicher Bedeutung. Hierfür ist eine optimale Anpassung des Querschnittprofils der in das Lasermedium eingebrachten Pumpstrahlung an das Strahlquerschnittprofils der zu verstärkenden Laserstrahlung notwendig. However, the laser amplifiers can also be used to amplify and generate laser radiation of any energy, wavelength, bandwidth, and beam profiles. A major consideration in designing these amplifiers is energy surface density. The beam profile must be chosen such that the energy surface density is as low as possible to deposit a high amount of energy or power in the beam without exceeding the laser-induced damage threshold of the optical components. Also, the ratio of applied pump energy to extracted energy of the amplified laser beam is of considerable importance. For this purpose, an optimal adaptation of the cross-sectional profile of the pumping radiation introduced into the laser medium to the beam cross-sectional profile of the laser radiation to be amplified is necessary.
Diesen Anforderungen wirken Verstärkungseffekte wie z.B. das„spatial gain narrowing" entgegen. Bei der ungesättigten Verstärkung ist das Strahlquerschnittprofil der Laserausgangsstrahlung sehr stark von der Form und der Homogenität des Querschnittprofils der Pumpstrahlung abhängig, weshalb hierfür häufig eine rechteckige Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt der Pumpstrahlung verwendet wird. Aufgrund der Propagationseigenschaften, die diese jedoch durch das aktive Medium aufweist, sowie aufgrund von Emission und Reabsorption von spontaner Laserstrahlung (Fluoreszenz) innerhalb des aktiven Mediums wird dieses rechteckige Querschnittprofil an den Rändern ausgewaschen, was zu einem Super-Gauß-f rmigen Querschnittprofil der Pumpstrahlung innerhalb des aktiven Mediums führt. Die verringerte Flankensteilheit führt zu einer inhomogenen Verstärkung der Randbereiche und letztendlich zu einem Einschnüren des effektiven Verstärkungsprofils, welches zusätzlich durch die Anzahl an Transmissionspassagen durch das aktive Medium bestimmt wird. Somit ist die spezielle Anpassung der Lasereingangsstrahlung auf die Pumpstrahlung für das Strahlprofil der verstärkten Laserstrahlung von wesentlicher Bedeutung. These requirements have reinforcing effects such as e.g. In the case of unsaturated amplification, the beam cross-section profile of the laser output radiation is very much dependent on the shape and homogeneity of the cross-sectional profile of the pump radiation, which is why a rectangular intensity distribution across the beam cross section of the pump radiation is frequently used for this purpose However, this has by the active medium, as well as due to emission and reabsorption of spontaneous laser radiation (fluorescence) within the active medium of this rectangular cross-sectional profile is washed out at the edges, resulting in a super-Gauss-shaped profile profile of the pump radiation within the active medium The reduced edge steepness leads to an inhomogeneous reinforcement of the edge regions and ultimately to a constriction of the effective reinforcement profile, which is additionally enhanced by the number of transmission passages through the active medium Thus, the particular adaptation of the laser input radiation to the pump radiation is essential to the beam profile of the amplified laser radiation.
Bisherige Bemühungen zielten ausschließlich auf die Homogenisierung der Pumpstrahlung. Hierbei wird als Ziel eine rechteckige Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt der Pumpstrahlung angegeben, welches keine hochfrequenten Störungen mehr besitzt (beispielsweise DE 10 2006 039 074 B4). Hochfrequent-nicht-homogene Querschnittprofile der Pumpstrahlung erzeugen deutliche Überhöhungen der Energieflächendichte der Laserausgangsstrahlung, was letztendlich zur Zerstörung der optischen Komponenten des Laserverstärkers fuhren kann. Previous efforts aimed exclusively at the homogenization of the pump radiation. In this case, a rectangular intensity distribution over the beam cross section of the pump radiation is specified as the target, which no longer has high-frequency interference (For example, DE 10 2006 039 074 B4). High-frequency non-homogeneous cross-sectional profiles of the pump radiation produce significant increases in the energy surface density of the laser output radiation, which can ultimately lead to the destruction of the optical components of the laser amplifier.
Zur Vermeidung besagter Zerstörungsgefahr wurde zum einen die Homogenisierung mittels eines Mikrolinsenarrays entwickelt. Diese Technik auf der Basis einer optischen Beleuchtungsanordnung (z. B. US 4,619,508 A) wird in vielen Laserverstärkern mit inkohärenten Pumplichtquellen bzw. Pumplichtquellen mit sehr kurzer zeitlicher Kohärenz erfolgreich eingesetzt. Zum anderen sind auch für Pumplichtquellen mit sehr hoher zeitlicher und räumlicher Kohärenz Techniken auf dieser Basis entwickelt worden, die den hier dominierenden Talbot-Effekt mit Hilfe von Verzögerungen der einzelnen Strahlen, definiert durch die Subaperturen des Mikrolinsenarrays, verhindern (beispielsweise US 201 1/0038037 AI).  To avoid said risk of destruction, on the one hand, the homogenization was developed by means of a microlens array. This technique based on an optical illumination arrangement (eg US 4,619,508 A) is successfully used in many laser amplifiers with incoherent pump light sources or pump light sources with very short temporal coherence. On the other hand, techniques have been developed on this basis for pump light sources with very high temporal and spatial coherence, which prevent the Talbot effect dominating here with the aid of delays of the individual beams, defined by the sub-apertures of the microlens array (for example US 201 1/0038037 AI).
Eine weitere Methode zur Homogenisierung der Intensitätsverteilung der Pumpstrahlung stellt ein dififraktives optisches Element dar. Hier wird auf Basis von Beugung ein Gitter in der Art hergestellt, dass die an diesem Element gebeugte Pumpstrahlung in einer Ebene ein nahezu homogenes rechteckförmiges Querschnittprofil ergibt (H. Kiriyama et al.: „High temporal and spatial quality petawatt-class Ti:sapphire chirped-pulse amplification laser System", Optics Letters 35, 2010, 1497- 1499; Internetpräsenz von Silios Technologies, www.silios.com). Ebenfalls ist es möglich, die Homogenisierung mit Hilfe einer stabförmigen Optik, wahlweise bestehend aus Quarzglas, Glas oder transparentem Kunststoff zu realisieren (DE 10 2006 039 074 B4). A further method for homogenizing the intensity distribution of the pump radiation is a diffractive optical element. Here, on the basis of diffraction, a grating is produced in such a way that the pump radiation diffracted at this element results in a nearly homogeneous rectangular cross-sectional profile in one plane (H. Kiriyama et al .: "High temporal and spatial quality petawatt-class Ti: sapphire chirped-pulse amplification laser system", Optics Letters 35, 2010, 1497-1499, Internet presence of Silios Technologies, www.silios.com). the homogenization by means of a rod-shaped optics, optionally consisting of quartz glass, glass or transparent plastic to realize (DE 10 2006 039 074 B4).
Bei all diesen entwickelten Techniken ist die spezielle Anpassung der Lasereingangsstrahlung auf die Pumpstrahlung jedoch nicht möglich. Der oben beschriebene Effekt des„spatial gain narrowing" sowie das Strahlquerschnittprofil der Lasereingangsstrahlung des Laserverstärkers bestimmen hier die Eigenschaften des Strahlquerschnittprofils der Laserausgangsstrahlung. Für die Minimierung der Energieflächendichte der Laserausgangsstrahlung müssen hier zusätzliche Techniken zur direkten Formung der Lasereingangsstrahlung verwendet werden. Beispielsweise kann durch die Installation eines Teleskops aus zwei speziell gefertigten Asphären ein Energieflächendichte-minimiertes Strahlquerschnittprofil erzeugt werden (US 3,476,463 A). However, with all these techniques developed, the special adaptation of the laser input radiation to the pump radiation is not possible. The above-described effect of the "spatial gain narrowing" and the beam cross-sectional profile of the laser input radiation of the laser amplifier determine the properties of the beam cross-section profile of the laser output radiation Here, additional techniques for the minimization of the energy surface density of the laser output radiation direct shaping of the laser input radiation can be used. For example, by installing a telescope from two specially manufactured aspheres, an energy surface density-minimized beam cross-sectional profile can be generated (US Pat. No. 3,476,463 A).
Ebenfalls ist dies mit speziell gefertigten Spiegeln möglich. Diese Techniken zur direkten Beeinflussung der Laserstrahlung haben jedoch erhebliche Nachteile. Durch den entweder transmissiven oder auch reflektiven Aufbau der Komponenten zur Beeinflussung des Strahlquerschnittprofils der Laserstrahlung kann es zu Störungen und Aberrationen der räumlichen, zeitlichen und spektralen Parameter der Laserausgangsstrahlung kommen. Dies können beispielsweise Wellenfront- und Strahlprofildeformationen, eine Verschlechterung des zeitlichen Intensitätskontrastes von gepulsten Lasersystemen oder auch eine Verschmälerung oder auch Modulation der spektralen Bandbreite sein. Ebenfalls kann es zur teilweise deutlichen Erhöhung der akkumulierten nichtlinearen Phase kommen, welche durch nicht-lineare Effekte die Qualität eines zeitlich begrenzten Laserpulses erheblich verschlechtern kann. Ebenfalls unterliegen Optiken zur Formung des Strahlquerschnittprofils sehr hohen Anforderungen bezüglich der spektralen Reflektivität bzw. Transmission, der Zerstörschwelle und der Oberflächenqualität, was den Einsatz dieser Techniken, ebenfalls aufgrund der Sonderanfertigung der Asphären bzw. Spiegel, sehr teuer und zudem sehr justageaufwändig macht. Minimale Abweichungen der Linsen von der idealen Position führen, aufgrund von Wellenfrontaberrationen, zu einer mangelhaften Fokussierbarkeit des Laserausgangsstrahls. Aus diesen Gründen ist der Einsatz von Techniken zur Strahlformung in Hoch-Energie bzw. Hoch-Leistungs-Lasersystemen unbedingt zu vermeiden. This is also possible with specially made mirrors. However, these techniques for directly influencing the laser radiation have considerable disadvantages. Due to the either transmissive or even reflective construction of the components for influencing the beam cross-sectional profile of the laser radiation, disturbances and aberrations of the spatial, temporal and spectral parameters of the laser output radiation can occur. These may be, for example, wavefront and beam profile deformations, a deterioration in the temporal intensity contrast of pulsed laser systems or else a narrowing or modulation of the spectral bandwidth. It can also lead to a partially significant increase in the accumulated nonlinear phase, which can significantly degrade the quality of a time-limited laser pulse by non-linear effects. Likewise subject to optics for forming the beam cross-sectional profile very high requirements with respect to the spectral reflectance or transmission, the damage threshold and the surface quality, which makes the use of these techniques, also due to the special design of the aspheres or mirrors, very expensive and also very easy to tune. Minimal deviations of the lenses from the ideal position result in poor focusability of the laser output beam due to wavefront aberrations. For these reasons, the use of beamforming techniques in high-energy or high-power laser systems must be avoided at all costs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand und ohne erforderliche Strahlformung der Lasereingangsstrahlung eine fixe durch einen Laser generierte Energie/Leistung sowie ggf. mit einer durch die Laser-induzierte Zerstörschwelle der optischen Systemkomponenten bestimmte Energieflächendichte zu erzeugen und dabei die Energie/Leistung der verwendeten Laser-Pumpstrahlung so gering wie möglich zu halten. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Laserstrahlung mit definierten Strahleigenschaften, bei dem eine Pumpstrahlung zur Anregung der Besetzungsinversion des aktiven Mediums eines Laserverstärkers zur Verstärkung einer Lasereingangsstrahlung über ein optisches System in das aktive Medium des Laserverstärkers eingekoppelt wird, wobei die Pumpstrahlung ggf. hinsichtlich einer homogenen und/oder vorzugsweise rechteckigen Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt fixbeeinflusst wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Pumpstrahlung zusätzlich zu einer eventuellen Fixbeeinflussung in Abhängigkeit sowohl der Energieflächendichte der Laserausgangsstrahlung des Laserverstärkers als auch in Abhängigkeit der Strahleigenschaften, insbesondere Strahlquerschnittprofil und/oder Strahlgeometrie und/oder Strahlgröße, der zu verstärkenden Lasereingangsstrahlung flächenmoduliert wird. The invention is based on the object with the least possible effort and without required beam shaping of the laser input radiation to generate a fixed energy generated by a laser / power and possibly with a determined by the laser-induced damage threshold of the optical system components energy density and thereby the energy / power the laser pump radiation used to be kept as low as possible. This object is achieved by a method for generating a laser radiation with defined beam properties, in which a pump radiation for exciting the population inversion of the active medium of a laser amplifier for amplifying a laser input radiation via an optical system is coupled into the active medium of the laser amplifier, wherein the pump radiation, if necessary a homogeneous and / or preferably rectangular intensity distribution over the beam cross-section fixed, according to the invention solved in that the pump radiation in addition to a possible Fixbeeinflussung depending on both the energy surface density of the laser output radiation of the laser amplifier and in dependence of the beam properties, in particular beam cross-sectional profile and / or beam geometry and / or beam size, which is surface modulated to be amplified laser input radiation.
Diese Flächenmodulation der Pumpstrahlung wird entweder dynamisch in Abhängigkeit der aktuell detektierten Strahleigenschaften der Laserein- und -ausgangsstrahlung geregelt oder statisch anhand von vordetektierten oder vorgegebenen Strahl eigenschaften der Laserein- und -ausgangsstrahlung realisiert. This area modulation of the pump radiation is controlled either dynamically as a function of the currently detected beam properties of the laser input and output radiation or statically on the basis of predetected or predetermined beam properties of the laser input and output radiation realized.
In einer entsprechenden Vorrichtung, bei der die Strahlung einer Pumplichtquelle zur Anregung der Besetzungsinversion des aktiven Mediums eines Laserverstärkers über ein optisches System in das aktive Medium des Laserverstärkers eingekoppelt wird, wobei sich im Strahlengang der Pumpstrahlung eine Strahlbeeinflussungsstufe zur Fixeinstellung einer homogenen und/oder vorzugsweise rechteckigen Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt befinden kann, steht ein von den Strahleigenschaften der Laserein- und -ausgangsstrahlung des Laserverstärkers abhängiges strahlflächenmodulierendes optisches Element innerhalb des optischen Systems zur Einkopplung der Pumpstrahlung in das aktive Medium mit dieser zum Zweck deren Strahlflächenmodulierung in Verbindung. In a corresponding device in which the radiation of a pumping light source for exciting the population inversion of the active medium of a laser amplifier is coupled via an optical system in the active medium of the laser amplifier, wherein in the beam path of the pump radiation, a beam influencing stage for fix setting a homogeneous and / or preferably rectangular Intensity distribution can be located over the beam cross-section, is dependent on the beam characteristics of the laser input and output radiation of the laser amplifier Strahlflächenmodulierendes optical element within the optical system for coupling the pump radiation into the active medium with this for the purpose of their Strahlflächenmodulierung in connection.
Ein solches strahlflächenmodulierendes Element kann beispielsweise ein aktiv geregelter optischer Modulator sein, dessen Eingänge jeweils mit zumindest einem Detektor zur Erfassung der aktuellen Strahleigenschaften der Laserein- und -ausgangsstrahlung des Laserverstärkers gekoppelt sind. Such a beam-surface-modulating element may be, for example, an actively controlled optical modulator whose inputs each with at least one detector for detecting the current beam characteristics of the laser input and output radiation of the laser amplifier are coupled.
Es ist auch möglich, als ein die Pumpstrahlung strahlflächenmodu- lierendes Element einen transmissiven und/oder reflektiven Filter vorzusehen, dessen Filtereigenschaften auf vordetektierte Strahleigenschaften der besagten Laserein- und -ausgangsstrahlung des Laserverstärkers angepasst sind. It is also possible to provide a transmissive and / or reflective filter as a beam surface-modulating element which matches the pump radiation, the filter properties of which are adapted to predetected beam properties of said laser input and output radiation of the laser amplifier.
Weitere zweckmäßige Realisierungsmöglichkeiten zur vorgeschlagenen Flächenmodulation der Pumpstrahlung sind in den Unteransprüchen angegeben. Further expedient implementation possibilities for the proposed area modulation of the pump radiation are specified in the subclaims.
Der zu verwendende räumlich flächenmodulierende statische bzw. dynamische Modulator wird erfindungsgemäß innerhalb der Pumpstrahlung positioniert. Hier sind die Anforderungen für die optischen Elemente bzgl. der Bandbreite, Zerstörfestigkeit, Transmission bzw. Reflektivität und auch der Oberflächenqualität aufgrund der Eigenschaften der Pumpstrahlung vergleichsweise gering. Damit wird die vorgeschlagene spezielle Flächenmodulation der Pumpstrahlung zu einer vorteilhaft aufwandgeringen, kostengünstigen und verfahrenstechnisch gut umsetzbaren Methode, die auch ohne Änderung bestehender Strahlarchitekturen mit geringem Justageaufwand in bestehende Systeme implementiert werden kann. Die geringeren Anforderungen sind ebenfalls bezüglich der Lebensdauer von Vorteil. Der verwendete Flächenmodulator beeinflusst die zu verstärkende Lasereingangsstrahlung in keiner Weise, da diese zu keinem Zeitpunkt den räumlich flächenmodulierenden Modulator transmittiert oder an ihm reflektiert wird. Daraus folgt, dass aufgrund des Modulators eventuell zu erwartende Störungen und Aberrationen der räumlichen, zeitlichen und spektralen Parameter der Laserausgangsstrahlung, wie beispielsweise Wellenfront- und Strahlprofildeformationen, eine Verschlechterung des zeitlichen Intensitätskontrastes von gepulsten Lasersystemen oder auch eine Verschmälerung oder auch Modulation der spektralen Bandbreite, sowie der Einfluss der akkumulierten nichtlinearen Phase komplett vermieden werden. Durch die oftmals sehr geringen Modulationstiefen der erfindungsgemäß benötigten Flächenmodulation im Prozentbereich ist zudem der Verlust der Verstärkung, und somit der Ausgangsenergie bzw. -leistung des Laserausgangsstrahles, auf ein Minimum begrenzt. Des Weiteren ist die Herstellung zumindest der transmissiven bzw. reflektiven Filter in hohen Stückzahlen sehr reproduzierbar und in fast beliebigen Größen möglich. Dies macht diese Methode kostengünstig, sehr zuverlässig und fast beliebig skalierbar. The spatial surface modulating static or dynamic modulator to be used according to the invention is positioned within the pump radiation. Here, the requirements for the optical elements with respect to the bandwidth, destruction resistance, transmission or reflectivity and also the surface quality due to the properties of the pump radiation are comparatively low. Thus, the proposed special area modulation of the pump radiation to an advantageous low effort, cost and procedurally well implemented method that can be implemented without modification of existing beam architectures with low adjustment effort into existing systems. The lower requirements are also advantageous in terms of life. The area modulator used in no way affects the laser input radiation to be amplified, since it is not transmitted at any time to the spatially modulating modulator or reflected at it. It follows that due to the modulator possibly to be expected interference and aberrations of the spatial, temporal and spectral parameters of the laser output radiation, such as wavefront and beam profile deformations, a deterioration of the temporal intensity contrast of pulsed laser systems or a narrowing or modulation of the spectral bandwidth, as well the influence of the accumulated nonlinear phase completely be avoided. Due to the often very small modulation depths of the area modulation according to the invention in the percentage range, the loss of the gain, and thus the output energy or output of the laser output beam, is also limited to a minimum. Furthermore, the production of at least the transmissive or reflective filters in high quantities is very reproducible and possible in almost any size. This makes this method inexpensive, very reliable and almost arbitrarily scalable.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawing.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 : Blockschaltbild zur Laserverstärkung mit erfindungsgemäßer  Fig. 1: Block diagram for laser amplification with inventive
Strahlflächenmodulation unter Verwendung eines aktiv geregelten Flächenmodulators innerhalb des optischen Systems zur Einkopplung der Pumpstrahlung in das aktive Medium  Beam surface modulation using an actively controlled area modulator within the optical system for coupling the pump radiation into the active medium
Fig. 2: Blockschaltbild gemäß Fig. 1 mit zusätzlicher und an sich bekannter Fixbeeinflussung der Pumpstrahlung 2 shows a block diagram according to FIG. 1 with additional and per se known fixed influencing of the pump radiation
Fig. 3: Darstellung von Strahl eigenschaften/Querschnittprofile der Fig. 3: Representation of beam properties / cross-sectional profiles of
Laser- und Pumpstrahlung  Laser and pump radiation
a) Darstellung der Querschnittprofile der Pumpstrahlung  a) Representation of the cross-sectional profiles of the pump radiation
innerhalb des aktiven Mediums  within the active medium
1.1) bzw. 1.2) Querschnittprofil ohne Modulation 2.1) bzw. 2.2) Querschnittprofil mit Modulation b) Darstellung der Querschnittprofile der Laserein- und  1.1) or 1.2) cross-sectional profile without modulation 2.1) or 2.2) cross-sectional profile with modulation b) representation of the cross-sectional profiles of the laser input and
ausgangsstrahlung  output radiation
1.) Querschnittprofil der Lasereingangsstrahlung  1.) Cross-sectional profile of the laser input radiation
2.1) bzw. 2.2) Querschnittprofil der Laserausgangsstrahlung ohne Modulation  2.1) or 2.2) Cross-sectional profile of the laser output radiation without modulation
3.1) bzw. 3.2) Querschnittprofil der Laserausgangsstrahlung mit Modulation Fig. 4: Blockschaltbild zur Laserverstärkung mit erfindungsgemäßer Strahlflächenmodulation unter Verwendung eines transmissiven und/oder reflektiven Filters innerhalb des optischen Systems zur Einkopplung der Pumpstrahlung in das aktive Medium. 3.1) or 3.2) Cross-sectional profile of the laser output radiation with modulation 4 shows a block diagram for laser amplification with beam surface modulation according to the invention using a transmissive and / or reflective filter within the optical system for coupling the pump radiation into the active medium.
In Fig. 1 erzeugt eine Pumplichtquelle 1 eine für die Besetzungsinversion innerhalb des aktiven Mediums 2 eines Laserverstärkers 3 zur Verstärkung einer Lasereingangsstrahlung 4 notwendige Pumpstrahlung 5. Die Pumplichtquelle 1 besitzt zusätzlich eine integrierte und in dieser Abbildung nicht explizit dargestellte Homogenisierungseinheit, welche die Pumpstrahlung 5 hin zu einem Super-Gauß-formigen Querschnittprofil hoher Ordnung in einer Strahlebene homogenisiert. 1, a pumping light source 1 generates a pumping radiation 5 necessary for the population inversion within the active medium 2 of a laser amplifier 3 for amplifying a laser input radiation 4. The pumping light source 1 additionally has an integrated homogenizing unit, not explicitly shown in this figure, which directs the pumping radiation 5 homogenized to a super Gaussian-shaped cross-sectional profile of high order in a jet plane.
Mittels eines optischen Systems 6 wird die in einer Ebene homogenisierte Pumpstrahlung 5 in das aktive Medium 2 des Laserverstärkers 3 eingekoppelt. Das optische System 6 enthält ein nicht explizit dargestelltes Teleskop, welches die Pumpstrahlung 5 der Pumplichtquelle 1 von der Ebene, in welcher die Pumpstrahlung 5 homogenisiert ist, in das aktive Medium 2 abbildet. Das resultierende Querschnittprofil der Pumpstrahlung 5 innerhalb des aktiven Mediums 2 entspricht einem Super-Gauß-formigen Profil niedriger Ordnung (vgl. Fig. 3a- 1.1 bzw. Fig. 3a-1.2). Die Größe des Super-Gauß-formigen Querschnittprofils der Pumpstrahlung 5 im aktiven Medium 2 als auch die Größe der Gauß-förmigen Lasereingangsstrahlung 4 (vgl. Fig. 3b-l) wird hierbei so gewählt, dass unter Annahme eines gleichgroßen Super- Gauß-formigen Strahlquerschnittproflls einer Laserausgangsstrahlung 7 die maximale Energieflächendichte, bestimmt durch die Laser-induzierte Zerstörschwelle der optischen Komponenten des Laserverstärkers 3, aufgrund der fixen zu erreichenden Laserausgangsenergie nicht überschritten wird. Die Größe des Querschnittprofils der Pumpstrahlung 5 im aktiven Medium 2 wird durch die Vergrößerung des das abbildende Teleskop enthaltenden optischen Systems 6 eingestellt. Anschließend wird die Lasereingangsstrahlung 4 durch den Laserverstärker 3 und der durch die Pumpstrahlung 5 erzeugten Besetzungsinversion im aktiven Medium 2 zur Laserausgangsstrahlung 7 verstärkt. By means of an optical system 6, the homogenized in a plane pump radiation 5 is coupled into the active medium 2 of the laser amplifier 3. The optical system 6 contains a telescope which is not explicitly illustrated and which images the pump radiation 5 of the pump light source 1 from the plane in which the pump radiation 5 is homogenized into the active medium 2. The resulting cross-sectional profile of the pumping radiation 5 within the active medium 2 corresponds to a super-Gaussian-shaped profile of low order (compare Fig. 3a-1.1 or Fig. 3a-1.2). The size of the super-Gaussian-shaped cross-sectional profile of the pump radiation 5 in the active medium 2 and the size of the Gaussian laser input radiation 4 (see Fig. 3b-l) is chosen so that assuming an equally large super Gaussian-shaped Strahlquerschnittproflls a laser output radiation 7, the maximum energy density surface, determined by the laser-induced damage threshold of the optical components of the laser amplifier 3, is not exceeded due to the fixed laser output energy to be reached. The size of the cross-sectional profile of the pump radiation 5 in the active medium 2 is adjusted by the magnification of the optical system 6 containing the imaging telescope. Subsequently, the laser input radiation 4 is generated by the laser amplifier 3 and by the pump radiation 5 Occupancy inversion in the active medium 2 to the laser output radiation 7 amplified.
Folgend werden sowohl die in den Laserverstärker 3 eingekoppelte Lasereingangsstrahlung 4 als auch dessen Laserausgangsstrahlung 7 mittels Detektoren (8, 9), beispielsweise CCD-Kameras, räumlich vermessen. Das Strahlquerschnittprofil der verstärkten Laserausgangsstrahlung 7 entspricht im Zentrum dem der Gauß- formigen Lasereingangsstrahlung 4, am Rand jedoch dem der Super- Gauß-förmigen Pumpstrahlung 5 (vgl. Fig. 3b-2.1 bzw. Fig. 3b-2.2). Dieses resultierende Strahlquerschnittprofil der Laserausgangsstrahlung 7 besitzt nicht die geringstmögliche Energieflächendichte, was die zu erreichende Ausgangsenergie limitiert. Die Energieflächendichte wird aus der fixen zu erreichenden Laserausgangsenergie und dem gemessenen Strahlquerschnittprofil der Laserausgangsstrahlung 7 errechnet sowie im Folgenden minimiert. Subsequently, both the laser input radiation 4 coupled into the laser amplifier 3 and its laser output radiation 7 are spatially measured by means of detectors (8, 9), for example CCD cameras. The beam cross section profile of the amplified laser output radiation 7 corresponds in the center to that of the Gaussian laser input radiation 4, but at the edge to that of the super Gaussian pump radiation 5 (compare FIGS. 3b-2.1 and 3b-2.2). This resulting beam cross-sectional profile of the laser output radiation 7 does not have the lowest possible energy surface density, which limits the output energy to be achieved. The energy surface density is calculated from the fixed laser output energy to be achieved and the measured beam cross-sectional profile of the laser output radiation 7 and minimized in the following.
Sowohl die durch den Detektor 8 vermessenen Strahleigenschaften der Lasereingangsstrahlung 4, welche in diesem Beispiel als Gauß-förmig angenommen wird (vgl. Fig. 3b- 1), als auch die durch die Vermessung der Strahleigenschaften der Laserausgangsstrahlung 7 mittels Detektor 9 bestimmte Energieflächendichte werden an eine Modulations- berechnungsstufe 10 gesendet, welche mittels geeigneter Algorithmen eine einzustellende Flächenmodulation für die Pumpstrahlung 5 bestimmt. Die Modulationsberechnungsstufe 10 steht ausgangsseitig mit einem Lichtmodulator 11 in Verbindung, welcher sich innerhalb des optischen Systems 6 zur Einkopplung der Pumpstrahlung 5 in das aktive Medium 2 befindet und die berechnete und einzustellende Flächenmodulation in der Ebene der homogenisierten Pumpstrahlung 5 aufprägt. Both the beam properties measured by the detector 8 of the laser input radiation 4, which in this example is assumed to be Gaussian (see Fig. 3b-1), and the energy surface density determined by the measurement of the beam characteristics of the laser output radiation 7 by means of detector 9 become a modulation calculation stage 10 is sent, which determines an area modulation to be set for the pump radiation 5 by means of suitable algorithms. On the output side, the modulation calculation stage 10 is connected to a light modulator 11 which is located within the optical system 6 for coupling the pump radiation 5 into the active medium 2 and impresses the calculated area modulation to be set in the plane of the homogenized pump radiation 5.
Bei einem Gauß-fÖrmigen Eingangsstrahlprofil und einem Super-Gauß- förmigen Zielausgangsstrahlprofil entspricht die einzustellende Flächenmodulation einer parabelformigen Abschwächung der Pumpstrahlung 5 im Zentrum des Querschnittprofils (vgl. Fig. 3a-2.1 bzw. Fig. 3a-2.2). Anschließend wird die Lasereingangsstrahlung 4 erneut mit dem Laserverstärker 3 und der durch die Pumpstrahlung 5 erzeugten Besetzungsinversion im aktiven Medium 2 entsprechend dem modulierten Querschnittprofil der Pumpstrahlung 5 zur Laserausgangsstrahlung 7 verstärkt. Wiederum wird in der Modulationsberechnungs- stufe 10 die Energieflächendichte aus dem durch den Detektor 9 vermessenen Strahlprofil der Laserausgangsstrahlung 7, aus dem (bereits bekannten) durch den Detektor 8 vermessenen Strahlprofil der Lasereingangsstrahlung 4 und der fixen zu erreichenden Laserenergie bestimmt sowie als Regelgröße an den Lichtmodulator 11 gesendet. Liegt eine Änderung der Strahlparameter der Lasereingangsstrahlung 4 vor, so muss auch diese erneut mittels Detektor 8 vermessen werden. Der Lichtmodulator 11 moduliert erneut das Querschnittprofil der Pumpstrahlung 5 aufgrund der aktuell ausgegebenen Daten der Modulationsberechnungsstufe 10. Diese Schritte werden wiederholt, bis der Wert der Energieflächendichte der Laserausgangsstrahlung 7 einen minimalen Wert erreicht und sich nicht mehr ändert. In the case of a Gaussian-shaped input beam profile and a super-Gaussian target output beam profile, the area modulation to be set corresponds to a parabolic attenuation of the pump radiation 5 in the center of the cross-sectional profile (compare Figures 3a-2.1 and 3a-2.2). Subsequently, the laser input radiation 4 is again amplified with the laser amplifier 3 and the occupation inversion generated by the pump radiation 5 in the active medium 2 corresponding to the modulated cross-sectional profile of the pump radiation 5 to the laser output radiation 7. Again, in the modulation calculation stage 10, the energy surface density is determined from the beam profile of the laser output radiation 7 measured by the detector 9, from the (already known) beam profile of the laser input radiation 4 measured by the detector 8 and from the fixed laser energy to be achieved, and as a controlled variable to the light modulator 11 sent. If there is a change in the beam parameters of the laser input radiation 4, then these too must be measured again by means of detector 8. The light modulator 11 again modulates the cross-sectional profile of the pump radiation 5 on the basis of the currently output data of the modulation calculation stage 10. These steps are repeated until the value of the energy surface density of the laser output radiation 7 reaches a minimum value and does not change any more.
Ist der minimale Wert der Energieflächendichte erreicht, so ist das Strahlquerschnittprofil der Lasereingangsstrahlung 4 auf das der Pumpstrahlung 5 optimal angepasst. Der resultierende Strahlquerschnitt der Laserausgangsstrahlung 7 entspricht in diesem Fall dem geforderten Super-Gauß-förmigen Strahlprofil (vgl. Fig. 3b-3.1 bzw. Fig. 3b-3.2), welches eine optimale Energieflächendichte bei einer fixen Energie entspricht. If the minimum value of the energy surface density is reached, then the beam cross-sectional profile of the laser input radiation 4 is optimally adapted to that of the pump radiation 5. The resulting beam cross-section of the laser output radiation 7 in this case corresponds to the required super Gaussian beam profile (see Fig. 3b-3.1 or Fig. 3b-3.2), which corresponds to an optimal energy density surface at a fixed energy.
Im Anschluss an diese Flächenmodulation der Pumpstrahlung 5 wird die Vergrößerung des aus dem abbildenden Teleskop bestehenden optischen Systems 6 so gewählt, dass die Energieflächendichte der Laserausgangsstrahlung 7 nahe an, jedoch nicht über der Zerstörschwelle der optischen Komponenten des Laserverstärkers 3 liegt. Diese Anpassung der Vergrößerung erfolgt über die Auswahl der Brennweite der zweiten Linse des abbildenden Teleskops vom optischen System 6 und beeinflusst die Anpassung der Lasereingangsstrahlung 4 an die Pumpstrahlung 5 bei kleinen Änderungen nicht. Bei größeren Änderungen der Brennweite der besagten zweiten Teleskoplinse, beispielsweise aufgrund einer fehlerhaften initialen Abschätzung der Größe des Querschnittprofils der Pumpstrahlung 5 bzw. der Lasereingangsstrahlung 4, muss die Bestimmung der Flächenmodulation hingegen erneut erfolgen. Durch die Minimierung der Fläche der Pumpstrahlung 5 im aktiven Medium 2 wird bei gleichbleibender Energiedichte somit die Energie der Pumpstrahlung 5 erfindungsgemäß minimiert. Following this surface modulation of the pump radiation 5, the magnification of the optical system 6 consisting of the imaging telescope is selected such that the energy surface density of the laser output radiation 7 is close to, but not above, the damage threshold of the optical components of the laser amplifier 3. This adaptation of the magnification takes place via the selection of the focal length of the second lens of the imaging telescope from the optical system 6 and does not affect the adaptation of the laser input radiation 4 to the pump radiation 5 with small changes. For larger changes in the focal length of said second telescope lens, for example, due to a faulty initial estimate of the size of the cross-sectional profile of the pump radiation 5 and the laser input radiation 4, the determination of the area modulation, however, must be made again. By minimizing the area of the pumping radiation 5 in the active medium 2, the energy of the pumping radiation 5 is thus minimized according to the invention while maintaining the same energy density.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Laserverstärkung gemäß Fig. 1 mit dem Unterschied, dass die an sich bekannten Mittel zur Fixbeeinflussung der Pumpstrahlung 5, beispielsweise zur Erzeugung eines homogenen rechteckformigen Querschnittprofiis der Pumpstrahlung 5, nicht unmittelbar in die Pumplichtquelle 1 integriert, sondern außerhalb von dieser als optisches Element 12 im Strahlengang der Pumpstrahlung 5 angeordnet sind. Die Mittel und Verfahrensweise zur erfindungsgemäßen Flächenmodulation der Pumpstrahlung 5 sind wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschrieben. 2 shows a block diagram for laser amplification according to FIG. 1, with the difference that the means known for influencing the pump radiation 5, for example for producing a homogeneous rectangular profile of the pump radiation 5, are not integrated directly into the pump light source 1, but outside of this are arranged as an optical element 12 in the beam path of the pump radiation 5. The means and procedure for the surface modulation of the pump radiation 5 according to the invention are as described in the embodiment of FIG.
Es ist ebenfalls möglich, die beschriebene Vorgehensweise zur Flächenmoduation der Pumpstrahlung 5 nicht mit einem aktiv geregelten optischen Lichtmodulator 1 1 durchzufuhren, sondern die Strahleigenschaften der Lasereingangsstrahlung 4 sowie der Laserausgangsstrahlung 7 in beschriebener Art der vorgenannten Ausfuhrungsbeispiele zu ermitteln und im Strahlengang der Pumpstrahlung 5 als erfindungsgemäß flächenmodulierendes Element einen transmissiven und/oder reflektiven Filter 13 im optischen System 6 (siehe Fig. 4) vorzusehen. It is also possible not to perform the described procedure for surface modulation of the pump radiation 5 with an actively controlled optical light modulator 11, but to determine the beam properties of the laser input radiation 4 and the laser output radiation 7 in the described manner of the aforementioned exemplary embodiments and in the beam path of the pump radiation 5 as according to the invention area modulating element to provide a transmissive and / or reflective filter 13 in the optical system 6 (see Fig. 4).
Die Filtereingenschaften dieses transmissiven und/oder reflektiven Filters 13 zur Flächenmodulation der Pumpstrahlung 5 sind auf die besagten vordetektierten Strahleigenschaften der Laserein- und - ausgangsstrahlungen 4, 7 des Laserverstärkers 3 angepasst, welche vorher durch die Modulationsberechnungsstufe 10 ermittelt wurden (durch gestrichelte Pfeildarstellung 14 symbolisiert). Als flächenmodulierendes Element (transmissiver und/oder reflektiver Filter 13) empfiehlt sich während des iterativen Algorithmus zur Minimierung der Energieflächendichte der Laserausgangsstrahlung 7 insbesondere eine schnell herzustellende Filtervariante, wie beispielsweise eine bedruckbare optische Folie. Mit der durch die schnell herzustellende bedruckte optische Folie erzeugten Flächenmodulation der Pumpstrahlung 5 wird erneut die Energieflächendichte der Laserausgangsstrahlung 7 nach dem im Ausführungsbeispiel zu Fig. 1 beschriebenen iterativen Prozess minimiert. Hierfür ist ein mehrmaliges Herstellen des flächenmodulierenden Elements (Filter 13) notwendig, was die Vorteile der schnell bedruckbaren Folie begründet. Wurde, wie oben beschrieben, ein Minimum erreicht, so kann als endgültig eingesetztes flächenmodulierendes Element z. B. ein Transmissionsfilter mittels eines auf ein Substrat aufgebrachten Schichtsystems (nicht explizit in der Zeichnung dargestellt) entsprechend der in der Modulationsberechnungsstufe 10 ermittelten Modulation hergestellt und als Filter 13 in die Ebene der homogenisierten Pumpstrahlung 5 eingefügt werden. The filter properties of this transmissive and / or reflective filter 13 for the area modulation of the pump radiation 5 are adapted to the said predetected beam properties of the laser input and output radiation 4, 7 of the laser amplifier 3, which were previously determined by the modulation calculation stage 10 (symbolized by dashed arrow 14). , As an area-modulating element (transmissive and / or reflective filter 13), it is particularly recommended during the iterative algorithm for minimizing the energy surface density of the laser output radiation 7 to have a filter variant that can be produced quickly, for example a printable optical film. With the surface modulation of the pump radiation 5 produced by the rapidly produced printed optical film, the energy surface density of the laser output radiation 7 is again minimized according to the iterative process described in the exemplary embodiment of FIG. For this purpose, a repeated production of the surface modulating element (filter 13) is necessary, which justifies the advantages of the rapidly printable film. Was, as described above, a minimum reached, it can be used as the finally used surface modulating element z. B. a transmission filter by means of a layer system applied to a substrate (not explicitly shown in the drawing) are prepared according to the modulation determined in the modulation calculation stage 10 and inserted as a filter 13 in the plane of the homogenized pump radiation 5.
Wiederum kann durch die Anpassung der Vergrößerung des das abbildende Teleskop beinhaltenden optischen Systems 6 die Größe des Querschnittprofils der Pumpstrahlung 5 im aktiven Medium 2 und somit, bei gleichbleibender Energiedichte, die Energie der Pumpstrahlung 5 minimiert werden. Again, by adjusting the magnification of the imaging telescope-containing optical system 6, the size of the cross-sectional profile of the pump radiation 5 in the active medium 2 and thus, with constant energy density, the energy of the pump radiation 5 can be minimized.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Pumplichtquelle 1 pump light source
2 aktives Medium des Laserverstärkers 3 3 Laserverstärker  2 active medium of the laser amplifier 3 3 laser amplifier
4 Lasereingangsstrahlung  4 laser input radiation
5 Pumpstrahlung  5 pump radiation
6 optisches System  6 optical system
7 Laserausgangsstrahlung  7 laser output radiation
8, 9 - Detektor  8, 9 - detector
10 Modulationsberechnungsstufe  10 modulation calculation stage
1 1 Lichtmodulator  1 1 light modulator
12 optisches Element  12 optical element
13 Filter  13 filters
14 Pfeildarstellung 14 arrow depiction

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erzeugung einer Laserstrahlung mit definierten Strahleigenschaften, bei dem eine Pumpstrahlung zur Anregung der Besetzungsinversion des aktiven Mediums eines Laserverstärkers zur Verstärkung einer Lasereingangsstrahlung über ein optisches System in das aktive Medium des Laserverstärkers eingekoppelt wird, wobei die Pumpstrahlung ggf. hinsichtlich eines homogenen und/oder vorzugsweise rechteckförmigen Querschnittprofils fixbeeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpstrahlung zusätzlich zu einer eventuellen Fixbeeinflussung in Abhängigkeit sowohl der Energieflächendichte der Laserausgangsstrahlung des Laserverstärkers als auch in Abhängigkeit der Strahleigenschaften, insbesondere Strahlquerschnittprofil und/oder Strahlgeometrie und/oder Strahlgröße, der zu verstärkenden Lasereingangsstrahlung flächenmoduliert wird. 1. A method for generating a laser radiation with defined beam properties, wherein a pump radiation for exciting the population inversion of the active medium of a laser amplifier for amplifying laser input radiation via an optical system is coupled into the active medium of the laser amplifier, wherein the pump radiation, if necessary, with respect to a homogeneous and / or preferably rectangular cross-sectional profile is fixedly influenced, characterized in that the pump radiation in addition to a possible Fixbeeinflussung depending on both the energy surface density of the laser output radiation of the laser amplifier and depending on the beam properties, in particular beam cross-sectional profile and / or beam geometry and / or beam size, the laser input radiation to be amplified area modulated.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenmodulation der Pumpstrahlung dynamisch in Abhängigkeit der aktuell detektierten Strahleigenschaften der Laserein- und - ausgangsstrahlung geregelt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the area modulation of the pump radiation is controlled dynamically as a function of the currently detected beam properties of the laser input and - radiation output.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenmodulation der Pumpstrahlung statisch durch einen optischen Filter bewirkt wird, dessen Filtereigenschaften anhand von vordetektierten oder vorgegebenen Strahleigenschaften der Laserein- und -ausgangsstrahlung gefertigt werden. 3. The method according to claim 1, characterized in that the area modulation of the pump radiation is statically effected by an optical filter, whose filter properties are made on the basis of predetected or predetermined beam properties of the laser input and output radiation.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenmodulation der Pumpstrahlung in Abhängigkeit der Strahleigenschaften der Lasereingangsstrahlung sowie der mittels des Laserverstärkers und der durch die jeweilige Flächenmodulation beeinflussten Pumpstrahlung aktuell erzeugten Laserausgangsstrahlung iterativ wiederholt wird, bis der Wert der Energieflächendichte der Laserausgangsstrahlung einen minimalen Wert erreicht. 4. The method according to claim 1, characterized in that the area modulation of the pump radiation is iteratively repeated as a function of the beam properties of the laser input radiation as well as the laser output radiation currently generated by the laser amplifier and the pumping radiation influenced by the respective area modulation until the value of the energy surface density of the laser output radiation is a minimum Value achieved.
5. Vorrichtung zur Erzeugung einer Laserstrahlung mit definierten Strahleigenschaften, bei der die Strahlung einer Pumpstrahlungsquelle zur Pumpanregung der Besetzungsinversion des aktiven Mediums eines Laserverstärkers über ein optisches System in das aktive Medium des Laserverstärkers eingekoppelt wird, wobei sich im Strahlengang der Pumpstrahlung eine Strahlbeeinflussungsstufe zur Fixeinstellung eines homogenen und/oder vorzugsweise rechteckförmigen Querschnittprofils befinden kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein von den Strahleigenschaften der Laserein- und - ausgangsstrahlung (4, 7) des Laserverstärkers (3) beeinflusstes flächenmodulierendes optisches Element (11, 13) mit der Pumpstrahlung (5) zum Zweck deren Flächenmodulierung in Verbindung steht. 5. A device for generating a laser radiation with defined beam properties, wherein the radiation of a pump radiation source for pump excitation of the population inversion of the active medium of a laser amplifier is coupled via an optical system in the active medium of the laser amplifier, wherein in the beam path of the pump radiation, a beam influencing stage for fixing a can be homogeneous and / or preferably rectangular cross-sectional profile, characterized in that one of the beam properties of the laser input and - output radiation (4, 7) of the laser amplifier (3) influenced surface modulating optical element (11, 13) with the pump radiation (5) for Purpose whose surface modulation is related.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als die Pumpstrahlung (5) flächenmodulierendes optisches Element ein aktiv geregelter optischer Lichtmodulator (11) vorgesehen ist, der eingangsseitig über eine Modulationsberechnungsstufe (10) mit zumindest einem Detektor (8, 9) zur Erfassung der aktuellen Strahleigenschaften der Laserein- und -ausgangsstrahlung (4, 7) des Laserverstärkers (3) gekoppelt ist. 6. The device according to claim 5, characterized in that as the pump radiation (5) surface modulating optical element, an actively controlled optical light modulator (11) is provided on the input side via a modulation calculation stage (10) with at least one detector (8, 9) for detecting the current beam characteristics of the laser input and output radiation (4, 7) of the laser amplifier (3) is coupled.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als die Pumpstrahlung (5) flächenmodulierendes optisches Element ein transmissiver und/oder reflektiver Filter (13) vorgesehen ist, dessen Filtereigenschaften auf vordetektierte Strahleigenschaften der Laserein- und -ausgangsstrahlung (4, 6) des Laserverstärkers (3) angepasst sind. 7. The device according to claim 5, characterized in that as the pump radiation (5) surface modulating optical element, a transmissive and / or reflective filter (13) is provided whose filter properties on voretektierte beam properties of the laser input and output radiation (4, 6) of the Laser amplifier (3) are adapted.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als die Pumpstrahlung (5) flächenmodulierendes optisches Element (13) eine bedruckte optische Folie vorgesehen ist, deren Druckmuster die für die strahlflächenmodulierende Wirkung der Pumpstrahlung ermittelten Filtereigenschaften der optischen Folie repräsentieren. 8. The device according to claim 7, characterized in that as the pump radiation (5) surface-modulating optical element (13) is a printed optical film is provided, the pressure pattern represent the determined for the Strahlflächenmodulierende effect of the pump radiation filter properties of the optical film.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als die Pumpstrahlung (5) flächenmodulierendes optisches Element (13) ein auf ein Substrat aufgebrachtes dielektrisches Schichtsystem vorgesehen ist. 9. The device according to claim 7, characterized in that as the pump radiation (5) surface modulating optical element (13) is provided on a substrate applied dielectric layer system.
1 O.Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als die Pumpstrahlung (5) flächenmodulierendes optisches Element (13) ein Graufilter mit einem für die strahlflächenmodulierende Wirkung der Pumpstrahlung ermittelten Filtereigenschaften angepassten Grau- verlauf vorgesehen ist. 1 O.Vorrichtung according to claim 7, characterized in that as the pump radiation (5) surface modulating optical element (13) is provided a gray filter with an adapted for the Strahlflächenmodulierende effect of the pump radiation filter properties gray gradient.
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