DE102015106728A1

DE102015106728A1 - Verfahren und System zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102015106728A1
Application number: DE102015106728.5A
Authority: DE
Inventors: Günther Renz; Frank Holzschuh
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-08-11
Also published as: WO2016128341A1

Abstract

Um ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, bei welchem ein Festkörperlaser mit Pumplaserstrahlung einer zweiten Wellenlänge gepumpt wird, so zu verbessern, dass gepulste Laserstrahlung mit hoher Effizienz erzeugbar ist, wird vorgeschlagen, dass der Festkörperlaser mit Pumppulsen der Pumplaserstrahlung gepulst gepumpt wird und dass eine Selbstorganisationszeit tSelbstorganisation des Festkörperlasers zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pumppulsen so vorgegeben wird, dass der Festkörperlaser durch Selbstorganisation mindestens einen Laserpuls erster Wellenlänge emittiert. Ferner wird ein verbessertes System zur Erzeugung von Laserpulsen vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, bei welchem ein Festkörperlaser mit Pumplaserstrahlung einer zweiten Wellenlänge gepumpt wird.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge, umfassend einen Pumplaser und einen mit dem Pumplaser gepumpten Festkörperlaser, welcher Pumplaser Pumplaserstrahlung einer zweiten Wellenlänge erzeugt.
Die Erzeugung von Laserpulsen hoher Energie gewann in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung in der Industrie, insbesondere bei der Materialbearbeitung. Ferner kommen Pulslaser auch im medizinischen Bereich zur Anwendung, beispielsweise bei der Behandlung von Augenkrankheiten und zur Korrektur von Sehfehlern. Je nach Anwendungsgebiet werden bestimmte Wellenlängen und Pulsbreiten benötigt.
Festkörperlaser in Form von Scheibenlasern oder Scheibenlasersystemen sind zur Erzeugung kurzer Laserpulse geeignet. Zur Auskopplung von Pulsen aus dem Resonator des Scheibenlasers werden insbesondere optische Schalter eingesetzt. Allerdings haben diese den Nachteil, dass sie zu einer erheblichen Effizienzreduktion der mittleren Laserausgangsleistung führen, die sich in der Größenordnung von etwa 50 % gegenüber der Dauerstrich- oder cw-Ausgangsleistung bewegt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass gepulste Laserstrahlung mit hoher Effizienz erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Festkörperlaser mit Pumppulsen der Pumplaserstrahlung gepulst gepumpt wird und dass eine Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} des Festkörperlasers zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pumppulsen so vorgegeben wird, dass der Festkörperlaser durch Selbstorganisation mindestens einen Laserpuls erster Wellenlänge emittiert.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung hat insbesondere den Vorteil, dass auf zusätzliche optische Elemente im Resonator des Festkörperlasers, beispielsweise eines Scheibenlasers, komplett verzichtet werden kann. Dies ist beispielsweise bei einem Ho:YAG-Scheibenlaser günstig, denn dort treten zusätzliche Verluste im Resonator dadurch auf, dass in den Energieübergängen der laseraktiven Ionen Ho³⁺ sogenannte "Up-Conversion"-Effekte auftreten, die eine Auskopplung des Laserstrahls aus dem Resonator auf etwa 1 % beschränken. Das vorgeschlagene Verfahren zum Erzeugen gepulster Laserstrahlung durch passives Pulsen des Festkörperlasers ermöglicht es insbesondere, auf die zusätzlichen optischen Elemente zur Auskopplung der Laserstrahlung der ersten Wellenlänge aus dem Resonator zu verzichten. Dadurch ist es möglich, bei Festkörperlasern, beispielsweise einem Scheibenlaser in Form eines gepulsten Ho:YAG-Scheibenlasers, nahezu die cw-Ausgangsleistung von 100 % zu erreichen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Ausbildung von Laserpulsen durch Selbstorganisation im Festkörperlaser, auch als Selbstoszillation bezeichnet, genutzt. Damit kann eine maximale Lasereffizienz des Systems erreicht werden, denn der Einsatz eines aktiven Schaltelements zur Auskopplung von Laserpulsen wird überflüssig. Die Emission von Pulsen aus dem Festkörperlaser kann durch einen eine entsprechende Transmission aufweisenden Auskoppelspiegel erfolgen. Die Einstellung der Zahl der vom Festkörperlaser emittierten Laserpulse zwischen zwei aufeinander folgenden Pumppulsen kann insbesondere durch die Wahl der Selbstorganisationszeit eingestellt werden. Je länger nach einem Pumppuls gewartet wird, umso mehr durch Selbstorganisation des Festkörperlasers erzeugte Laserpulse können, insbesondere als Teil eines Pulszuges oder einer Pulsfolge, emittiert werden. Allerdings ist zu beachten, dass eine Amplitude und eine Breite der selbstorganisiert erzeugten Laserpulse typischerweise mit jedem weiteren Laserpuls ab- beziehungsweise zunimmt. Insgesamt können so also Pulszüge mit einem oder mehreren Laserpulsen erzeugt werden. Je nachdem, wie viele Laserpulse ein solcher Pulszug beziehungsweise eine solche Pulsfolge umfassen soll, wird dann die Selbstorganisationszeit größer oder kleiner vorgegeben. Insbesondere kann dies durch Wahl einer Pumplaserrepetitionsrate sowie eines geeigneten Tastverhältnisses der gepulsten Pumplaserstrahlung eingestellt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} in einem Bereich von etwa 10 μs bis etwa 500 μs vorgegeben wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sie in einem Bereich von etwa 10 μs bis etwa 200 μs vorgegeben wird. Je nach Art des Festkörperlasers, also insbesondere unter Berücksichtigung des aktiven Mediums, können sich Selbstorganisationszeiten für die Emission eines oder mehrerer Laserpulse durch den Festkörperlaser deutlich unterscheiden.
Vorzugsweise wird eine Anregungsfrequenz des Festkörperlasers in einem Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 10 kHz vorgegeben. Mit der Anregungsfrequenz des Festkörperlasers ist im Wesentlichen die Repetitionsrate gemeint, mit welcher der Festkörperlaser gepumpt wird, also die Zahl der Pumplaserpulse pro Zeiteinheit.
Günstigerweise wird eine Anregungspulsdauer t_Pulsdauer der Pumplaserstrahlung in einem Bereich von etwa 500 μs bis etwa 50 μs vorgegeben. Die Anregungspulsdauer sollte insbesondere so lange sein, dass eine ausreichende Zahl invertierter Zustände im aktiven Medium des Festkörperlasers erzeugt werden kann, um überhaupt die Ausbildung von Laserpulsen durch Selbstorganisation zu erreichen.
Auf besonders einfache Weise lassen sich Laserpulse erzeugen, wenn der Festkörperlaser pulsweitenmoduliert gepumpt wird. Insbesondere kann ein Tastverhältnis in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5 liegen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Tastverhältnis in einem Bereich von etwa 0,15 bis 0,3 liegt. Unter Berücksichtigung der oben definierten Selbstorganisationszeit kann dann das Tastverhältnis definiert werden durch das Verhältnis der Anregungspulsdauer bezogen auf die Summe aus der Anregungspulsdauer und der Selbstorganisationszeit.
Um möglichst viel Energie in Form von Laserpulsen dem Festkörperlaser zu entziehen, ist es günstig, wenn die die Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} so vorgegeben wird, dass der Festkörperlaser durch Selbstorganisation mindestens drei Laserpulse erster Wellenlänge emittiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} so vorgegeben wird, dass der Festkörperlaser durch Selbstorganisation mindestens fünf Laserpulse emittiert. Beispielsweise kann mit einem gepulst gepumpten Ho:YAG-Scheibenlasersystem ein Pulszug mit im Wesentlichen fünf nutzbaren Laserpulsen durch Selbstorganisation erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante kann bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass der Festkörperlaser mit der Pumplaserstrahlung kontinuierlich gepumpt wird und dass ein Resonator des Festkörperlasers zum Auskoppeln eines Laserpulses der ersten Wellenlänge für eine Öffnungszeit t_offen von einem ersten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung der ersten Wellenlänge geschlossen ist, aktiv in einen zweiten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung der ersten Wellenlänge geöffnet ist, überführt wird. Auf diese Weise lassen sich aktiv Laserpulse aus dem Resonator des Festkörperlasers auskoppeln. Zwar hat diese Vorgehensweise den Nachteil, dass zusätzliche Verluste in Kauf genommen werden müssen. Allerdings kann mit dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens der Zeitpunkt der Emission eines Laserpulses und gegebenenfalls auch dessen Intensität und Dauer gezielter vorgegeben werden.
Auf besonders einfache Weise lassen sich Laserpulse aus einem Resonator des Festkörperlasers auskoppeln, wenn zum aktiven Überführen des Resonators vom ersten Zustand in den zweiten Zustand und umgekehrt eine optische Auskoppeleinrichtung verwendet wird. Insbesondere kann eine optische Auskoppeleinrichtung in Form eines akusto-optischen oder elektro-optischen Modulators genutzt werden oder einen solchen umfassen. Dieser wird typischerweise zwischen den Resonator definierenden Spiegeln angeordnet.
Vorteilhaft ist es, wenn der Festkörperlaser mit der Pumplaserstrahlung mit der zweiten Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von etwa 1700 nm bis etwa 2100 nm gepumpt wird. Beispielsweise können mit einer Pumplaserstrahlung im angegebenen Wellenlängenbereich Laserpulse mit Wellenlängen erzeugt werden, die im Bereich von etwa 2000 nm liegen. Sie können insbesondere für medizinische Anwendungen und zur Materialbearbeitung vorteilhaft eingesetzt werden.
Für medizinische Anwendungen und in der Materialbearbeitung ist es vorteilhaft, wenn die Laserpulse der ersten Wellenlänge mit einer Pulsbreite in einem Bereich von etwa 0,5 μs bis etwa 3 μs erzeugt werden. Insbesondere ist es günstig, wenn sie mit einer Pulsbreite in einem Bereich von etwa 1,5 μs bis etwa 2,5 μs erzeugt werden. Insbesondere lässt sich eine Pulsbreite bei durch Selbstorganisation erzeugten Laserpulsen einstellen durch die Auswahl des laseraktiven Mediums sowie des Lasertyps. Beim Scheibenlaser hängt die Pulsbreite zudem auch von einer Transmission des Auskoppelspiegels ab.
Auf besonders einfache und günstige Weise lässt sich der der Festkörperlaser mit einem Faserlaser oder einem modulierbaren Diodenlaser pumpen, insbesondere mit einem Thulium-Faserlaser.
Um hinreichend hohe Intensitäten der vom Festkörperlaser erzeugten, gepulsten Laserstrahlung zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn der Festkörperlaser mit einer Pumpleistung in einem Bereich von etwa 10 W bis etwa 50 W gepumpt wird. Über die Höhe der Pumpleistung lässt sich so auch eine Pulsenergie der durch Selbstorganisation erzeugten Laserpulse einstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass gepulste Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von etwa 1800 nm bis etwa 2300 nm erzeugt wird. Die Pulslaserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich kann insbesondere für medizinische Anwendungen sowie zur Materialbearbeitung, beispielsweise von Kunststoffen, vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere eignet sich der angegebene Wellenlängenbereich hervorragend für die strukturelle Umwandlung von Nieren- und Harnsteinkristallen in Pulverform durch thermische Auflösung sowie Ausnutzung von Schockwellen.
Günstig ist es, wenn als Festkörperlaser ein Scheibenlaser verwendet wird mit einem Resonator und einem im Resonator angeordneten aktiven Lasermedium. Beispielsweise kann das aktive Lasermedium direkt auf einem reflektierenden optischen Element aufgebracht sein, beispielsweise in Form einer Scheibe auf einem hochreflektierenden Spiegel. Der Resonator kann ferner einen Auskoppelspiegel umfassen, welcher nur einen geringen Transmissionsgrad aufweist, um die Auskopplung von Laserpulsen aus dem Festkörperlaser-Resonator zu ermöglichen.
Vorteilhafter Weise wird als aktives Lasermedium ein Ho-dotiertes Medium verwendet. Insbesondere kann es sich beim aktiven Medium um Ho:YAG handeln. Holmium-Ionen ermöglichen insbesondere die Erzeugung von Laserpulsen mit einer Wellenlänge von etwa 2100 nm. Vorzugsweise werden sie mit einem Thulium-Faserlaser mit einer zweiten Wellenlänge von etwa 1900 nm oder mit einem modulierbaren Diodenlaser gepumpt.
Um beim Einsatz eines Scheibenlasers insbesondere gewünschte Pulsbreiten im Bereich von etwa 0,5 μs bis etwa 3 μs zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn das aktive Lasermedium in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 20 mm verwendet wird. Ferner ist es vorteilhaft, wenn ein aktives Lasermedium mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm verwendet wird. Insbesondere kann über die Dicke des aktiven Lasermediums beim Scheibenlaser eine Breite der durch Selbstorganisation erzeugten Laserpulse in etwa eingestellt werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wir bei einem System der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Pumplaser ein Pulspumplaser ist zum Erzeugen von Pumppulsen der Pumplaserstrahlung mit einem Pumppulsabstand t_Pumppuls, welcher mindestens einer Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} entspricht, in welcher der Festkörperlaser durch Selbstorganisation mindestens einen Laserpuls erster Wellenlänge emittiert.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen System ist es insbesondere möglich, ohne zusätzliches optisches Element Laserpulse aus dem Festkörperlaser auszukoppeln. Auf diese Weise lässt sich eine Effizienz des Festkörperlasers und damit des Systems insgesamt erhöhen. Wie bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren dargelegt, wird bei diesem System die Selbstorganisation von Laserpulsen infolge der Anregung des Festkörperlasers, beispielsweise eines Scheibenlasers, durch Laserpulse genutzt, um einen oder mehrere Laserpulse nach Anregung mit einem Pumppulses zu erzeugen.
Günstig ist es, wenn der Pumppulsabstand in einem Bereich von etwa 10 μs bis etwa 500 μs liegt. Je nach Art des Festkörperlasers ist es so möglich, einen oder mehrere Laserpulse der ersten Wellenlänge durch Selbstorganisation zu erzeugen infolge eines Anregungspulses.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Pumplaserrepetitionsrate zum Anregen des Festkörperlasers in einem Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 10 kHz liegt. Auf diese Weise lassen sich quas-kontinuierlich Laserpulse erzeugen mit einer Pulswiederholrate, die der Pumplaserrepetitionsrate entspricht, insbesondere wenn ein Laserpuls der ersten Wellenlänge erzeugt wurde infolge eines Anregungspulses.
Um Pulse hinreichender Leistung und Dauer erzeugen zu können, ist es vorteilhaft, wenn eine Anregungspulsdauer t_Pulsdauer der Pumplaserstrahlung in einem Bereich von etwa 500 μs bis etwa 10 μs liegt.
Günstigerweise ist der Pumplaser ein pulsweitenmodulierter Pumplaser. Vorzugsweise ist der Pumplaser pulsweitenmoduliert mit einem Tastverhältnis in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Tastverhältnis in einem Bereich von etwa 0,15 bis etwa 0,3 liegt.
Günstigerweise wird das Tastverhältnis so vorgegeben, dass infolge eines Pumppulses überhaupt ein selbstorganisierter Laserpuls generiert wird oder eine gewünschte Zahl von Laserpulsen. Es wird also mit der Beaufschlagung des laseraktiven Mediums mit einem weiteren Puls mindestens so lange gewartet, bis sich mindestens ein Laserpuls durch Selbstorganisation gebildet hat.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Pumppulsabstand t_Pumppuls mindestens einer Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} entspricht, in welcher der Festkörperlaser durch Selbstorganisation mindestens drei Laserpulse erster Wellenlänge emittiert. Insbesondere ist es günstig, wenn der Pumppulsabstand t_Pumppuls so gewählt wird, dass mindestens fünf Laserpulse erster Wellenlänge emittiert werden. Wenn nicht nur ein selbstorganisierter Laserpuls emittiert werden kann, erhöht dies eine Ausgangsleistung des Festkörperlasers. So kann insbesondere die Effizienz des Systems erhöht werden durch Nutzung mehrerer oder aller infolge eines Pumppulses selbstorganisiert erzeugter Laserpulse.
Des Weiteren kann es bei einem System der eingangs beschriebenen Art vorteilhaft sein, wenn der Festkörperlaser einen Resonator umfasst, wenn der Pumplaser in Form eines Dauerstrich- oder cw-Lasers ausgebildet ist, wenn der Resonator in einem ersten Zustand für die Laserstrahlung der ersten Wellenlänge geschlossen ist und in einem zweiten Zustand für die Laserstrahlung der ersten Wellenlänge geöffnet ist und wenn das System zum Überführen des Resonators vom ersten in den zweiten Zustand und umgekehrt eine Schalteinrichtung umfasst, mit welcher insbesondere eine Öffnungszeit t_offen zum Auskoppeln eines Laserpulses der ersten Wellenlänge einstellbar ist, für welche Öffnungszeit der Resonator den zweiten Zustand einnimmt.
Ein solches System ermöglicht es insbesonder, aktiv Pulse aus dem Resonator des Festkörperlasers auszukoppeln. Damit lässt sich ein Zeitpunkt für die Emission des Laserpulses aus dem System besonders gut vorgeben.
Vorteilhaft ist es, wenn die Schalteinrichtung eine optische Auskoppeleinrichtung umfasst. Vorzugsweise ist die optische Auskoppeleinrichtung in Form eines akusto-optischen oder eines elektro-optischen Modulators ausgebildet oder umfasst einen solchen.
Günstigerweise weist die Pumplaserstrahlung eine Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von etwa 1700 nm bis etwa 2100 nm auf. Ein Pumplaser, welcher Pumplaserstrahlung im angegebenen Wellenlängenbereich emittiert, ist hervorragend geeignet, um Festkörperlaser zu pumpen, die in einem Wellenlängenbereich von etwa 2000 nm bis etwa 2200 nm Laserpulse emittieren.
Vorteilhaft ist es, wenn die vom System emittierten Laserpulse der ersten Wellenlänge eine Pulsbreite in einem Bereich von etwa 0,5 μs bis etwa 3 μs aufweisen. Insbesondere ist es günstig, wenn eine Pulsbreite in einem Bereich von etwa 1,5 μs bis etwa 2,5 μs liegt. Beispielsweise kann die Pulsbreite von dem vom System erzeugten Laserpulsen durch das aktive Medium des Festkörperlasers und/oder durch den Lasertyp vorgegeben werden. So unterschieden sich insbesondere Pulsbreiten von Stablasern und Scheibenlasern. Insbesondere Pulsbreiten im Bereich von etwa 2 μs eignen sich hervorragend für medizinische Anwendungen, beispielsweise zum Einsatz in einem Laser-Lithotripter.
Auf einfache Weise lässt sich ein Festkörperlaser pumpen, wenn der Pumplaser in Form eines Faserlasers oder eines modulierbaren Diodenlasers ausgebildet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Faserlaser in Form eines Thulium-Faserlasers ausgebildet ist. Beispielsweise eignet sich ein Thulium-Faserlaser besonders gut, um Holmium als aktives Material zu pumpen.
Um die Leistung der Laserpulse der ersten Wellenlänge variieren zu können, ist es günstig, wenn Pumpleistung des Pumplasers in einem Bereich von etwa 10 W bis etwa 500 W liegt.
Vorteilhafterweise liegt die erste Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 1800 nm bis etwa 2300 nm. Laserpulse mit einer Wellenlänge im angegebenen Wellenlängenbereich sind besonders für medizinische Anwendungen gut geeignet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Festkörperlaser in Form eines Scheibenlasers ausgebildet ist mit einem Resonator und einem im Resonator angeordneten aktiven Lasermedium. Insbesondere kann das aktive Lasermedium auf einem von zwei reflektierenden optischen Elementen angeordnet sein, welche den Resonator definieren. Idealerweise ist ein reflektierendes optisches Instrument, beispielsweise in Form eines Spiegels, für Licht der ersten Wellenlänge undurchlässig und vollständig reflektierend, ein weiterer Spiegel jedoch nur mit annähernd 100% reflektierend. Beispielsweise kann der zweite Spiegel in Form eines Auskoppelspiegels mit einem Transmissionsgrad von weniger als 5%, günstigerweise von weniger als 1% ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist es, wenn als aktives Lasermedium ein Ho-dotiertes Medium verwendet wird. Insbesondere kann das aktive Lasermedium Ho:YAG sein. Bei einem solchen aktiven Material bilden Ho-Ionen, nämlich Ho³⁺, das eigentlich aktive Material, das durch Dotierung in einen Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall eingebracht ist.
Vorzugsweise ist das aktive Lasermedium in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 20 mm ausgebildet. Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn eine Dicke des aktiven Lasermediums in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm liegt. Beispielsweise lassen sich beim Scheibenlaser über eine Dicke der Scheibe Parameter der erzeugten Pulse vorgeben.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Materialbearbeitungssystem, insbesondere zur Bearbeitung von Kunststoffen, umfassend ein gepulste Laserstrahlung emittierendes System erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das gepulste Laserstrahlung emittierende System in Form eines der oben beschriebenen, vorteilhaften Systeme ausgebildet ist. Mit einem solchen Materialbearbeitungssystem lassen sich beispielsweise Kunststoffe mit den erzeugten Laserpulsen erster Wellenlänge beaufschlagen, um insbesondere eine Oberfläche zu bearbeiten.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner gelöst bei einem medizinischen Gerät, insbesondere in Form eines Laser-Lithotripters für die thermische Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen, wenn es eines der oben beschriebenen vorteilhaften Systeme zur Erzeugung von Laserpulsen umfasst. Insbesondere ein System mit einem Ho:YAG-Scheibenlaser ermöglicht es, Pulse mit einer Wellenlänge von etwa 2100 nm und einer Pulsbreite von etwa 2 μs zu erzeugen. Derartige Pulse sind sehr gut geeignet, um Nieren oder Harnsteine unter thermischer Auflösung zu pulverisieren.
Ferner wird die Verwendung eines der oben beschriebenen Systeme zur Materialbearbeitung vorgeschlagen, insbesondere zur Kunststoffbearbeitung.
Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Verfahren und Systemen zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, Materialbearbeitungssystemen, medizinischen Geräten sowie Verwendungen von Systemen zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung:

1. Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (44; 44') einer ersten Wellenlänge, bei welchem ein Festkörperlaser (16; 16') mit Pumplaserstrahlung (14; 14') einer zweiten Wellenlänge gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16') mit Pumppulsen (52) der Pumplaserstrahlung (14') gepulst gepumpt wird und dass eine Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} des Festkörperlasers (16') zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pumppulsen (52) so vorgegeben wird, dass der Festkörperlaser (16') durch Selbstorganisation mindestens einen Laserpuls (58a, 58b, 58c, 58d, 58e) erster Wellenlänge emittiert.
2. Vorrichtung nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} in einem Bereich von etwa 5 μs bis etwa 500 μs vorgegeben wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 10 μs bis etwa 200 μs.
3. Verfahren nach Satz 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anregungsfrequenz des Festkörperlasers (16') in einem Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 10 kHz vorgegeben wird.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anregungspulsdauer t_Pulsdauer der Pumplaserstrahlung (14') in einem Bereich von etwa 500 μs bis etwa 50 μs vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16') pulsweitenmoduliert gepumpt wird, insbesondere mit einem Tastverhältnis in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5, weiter insbesondere in einem Bereich von etwa 0,15 bis etwa 0,3.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} so vorgegeben wird, dass der Festkörperlaser (16') durch Selbstorganisation mindestens drei Laserpulse (58a, 58b, 58c, 58d, 58e) erster Wellenlänge emittiert, insbesondere fünf Laserpulse (58a, 58b, 58c, 58d, 58e).
7. Verfahren nach dem Oberbegriff des Satzes 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16) mit der Pumplaserstrahlung (14) kontinuierlich gepumpt wird und dass ein Resonator (36) des Festkörperlasers zum Auskoppeln eines Laserpulses (46) der ersten Wellenlänge für eine Öffnungszeit t_offen von einem ersten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung (44) der ersten Wellenlänge geschlossen ist, aktiv in einen zweiten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung (44) der ersten Wellenlänge geöffnet ist, überführt wird.
8. Verfahren nach Satz 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum aktiven Überführen des Resonators (36) vom ersten Zustand in den zweiten Zustand und umgekehrt eine optische Auskoppeleinrichtung (70) verwendet wird, insbesondere ein akusto-optischer oder ein elektro-optischer Modulator (40).
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16; 16') mit der Pumplaserstrahlung (14; 14') mit der zweiten Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von etwa 1700 nm bis etwa 2100 nm gepumpt wird.
10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse (46; 58a, 58b, 58c, 58d, 58e) der ersten Wellenlänge mit einer Pulsbreite in einem Bereich von etwa 0,5 μs bis etwa 3 μs erzeugt werden, insbesondere in einem Bereich von etwa 1,5 μs bis etwa 2,5 μs.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16; 16') mit einem Faserlaser (72; 72') oder einem modulierbaren Diodenlaser gepumpt wird, insbesondere mit einem Thulium-Faserlaser (74; 74').
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16; 16') mit einer Pumpleistung in einem Bereich von etwa 10 W bis etwa 500 W gepumpt wird.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass gepulste Laserstrahlung (44; 44') mit der ersten Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von etwa 1800 nm bis etwa 2300 nm erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass als Festkörperlaser (16; 16') ein Scheibenlaser (18; 18') verwendet wird mit einem Resonator (36; 36') und einem im Resonator (36; 36') angeordneten aktiven Lasermedium (28; 28').
15. Verfahren nach Satz 14, dadurch gekennzeichnet, dass als aktives Lasermedium (28; 28') ein Ho-dotiertes Medium verwendet wird, insbesondere Ho:YAG.
16. Verfahren nach Satz 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Lasermedium (28; 28') in Form einer Scheibe (30; 30') mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 20 mm und/oder mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm verwendet wird.
17. System (10; 10') zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (44; 44') einer ersten Wellenlänge, umfassend einen Pumplaser (12; 12') und einen mit dem Pumplaser (12; 12') gepumpten Festkörperlaser (16; 16'), welcher Pumplaser (12; 12') Pumplaserstrahlung (14; 14') einer zweiten Wellenlänge erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaser (12') ein Pulspumplaser (12') ist zum Erzeugen von Pumppulsen (52) der Pumplaserstrahlung (14) mit einem Pumppulsabstand t_Pumppuls, welcher mindestens einer Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} entspricht, in welcher der Festkörperlaser (14') durch Selbstorganisation mindestens einen Laserpuls (58a, 58b, 58c, 58d, 58e) erster Wellenlänge emittiert.
18. System nach Satz 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumppulsabstand (56) in einem Bereich von etwa 10 μs bis etwa 500 μs liegt.
19. System nach Satz 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumplaserrepetitionsrate zum Anregen des Festkörperlasers (16') in einem Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 10 kHz liegt.
20. System nach einem der Sätze 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anregungspulsdauer t_Pulsdauer der Pumplaserstrahlung (14') in einem Bereich von etwa 500 μs bis etwa 10 μs.
21. System nach einem der Sätze 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaser (12') ein pulsweitenmodulierter Pumplaser (12') ist, insbesondere mit einem Tastverhältnis in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5, weiter insbesondere in einem Bereich von etwa 0,15 bis etwa 0,3.
22. System nach einem der Sätze 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumppulsabstand t_Pumppuls mindestens einer Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} entspricht, in welcher der Festkörperlaser (16') durch Selbstorganisation mindestens drei Laserpulse (58a, 58b, 58c, 58d, 58e) erster Wellenlänge emittiert, insbesondere fünf Laserpulse (58a, 58b, 58c, 58d, 58e).
23. System nach dem Oberbegriff des Satzes 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16) einen Resonator (36) umfasst, dass der Pumplaser (12) in Form eines Dauerstrich- oder cw-Lasers ausgebildet ist, dass der Resonator (36) in einem ersten Zustand für die Laserstrahlung (44) der ersten Wellenlänge geschlossen ist und in einem zweiten Zustand für die Laserstrahlung (44) der ersten Wellenlänge geöffnet ist und dass das System (10) zum Überführen des Resonators (36) vom ersten in den zweiten Zustand und umgekehrt eine Schalteinrichtung (38) umfasst, mit welcher insbesondere eine Öffnungszeit t_offen zum Auskoppeln eines Laserpulses (46) der ersten Wellenlänge einstellbar ist, für welche Öffnungszeit der Resonator (36) den zweiten Zustand einnimmt.
24. System nach Satz 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung eine optische Auskoppeleinrichtung (70) umfasst, insbesondere einen akusto-optischen oder einen elektro-optischen Modulator (40).
25. System nach einem der Sätze 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplaserstrahlung (14) eine Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von etwa 1700 nm bis etwa 2100 nm aufweist.
26. System nach einem der Sätze 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse (46; 58a, 58b, 58c, 58d, 58e) der ersten Wellenlänge eine Pulsbreite (50; 64) in einem Bereich von etwa 0,5 μs bis etwa 3 μs aufweisen, insbesondere in einem Bereich von etwa 1,5 μs bis etwa 2,5 μs.
27. System nach einem der Sätze 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaser (12; 12') in Form eines Faserlasers (72; 72') oder eines modulierbaren Diodenlasers ausgebildet ist, insbesondere in Form eines Thulium-Faserlasers (74; 74').
28. System nach einem der Sätze 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpleistung des Pumplasers (12; 12') in einem Bereich von etwa 10 W bis etwa 500 W liegt.
29. System nach einem der Sätze 17 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung (44; 44') in einem Wellenlängenbereich von etwa 1800 nm bis etwa 2300 nm liegt.
30. System nach einem der Sätze 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16; 16') in Form eines Scheibenlasers (18; 18') ausgebildet ist mit einem Resonator (36; 36') und einem im Resonator (36; 36') angeordneten aktiven Lasermedium (28; 28').
31. System nach Satz 30, dadurch gekennzeichnet, dass als aktives Lasermedium (28; 28') ein Ho-dotiertes Medium verwendet wird, insbesondere Ho:YAG.
32. System nach Satz 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Lasermedium (28; 28') in Form einer Scheibe (30; 30') mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 20 mm aufweist und/ oder eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm.
33. Materialbearbeitungssystem, insbesondere zur Bearbeitung von Kunststoffen, umfassend ein gepulste Laserstrahlung (44; 44') emittierendes System (10; 10'), dadurch gekennzeichnet, dass das gepulste Laserstrahlung emittierende System (10; 10') in Form eines der Systeme (10; 10') nach einem der Sätze 17 bis 32 ausgebildet ist.
34. Medizinisches Gerät (66), insbesondere in Form eines Laser-Lithotripters (68) für die thermische Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen, gekennzeichnet durch ein System (10; 10') nach einem der Sätze 17 bis 32.
35. Verwendung eines Systems (10; 10') nach einem der Sätze 17 bis 32 zur Materialbearbeitung, insbesondere zur Kunststoffbearbeitung.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Systems zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung;
2: eine Oszilloskopaufnahme eines mit dem in 1 dargestellten System erzeugten Laserpulses;
3: eine schematische Anordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Systems zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung;
4: eine Oszilloskopaufnahme von durch Selbstorganisation mit dem in 3 dargestellten System erzeugter Laserpulse;
5: eine Darstellung der berechneten Abhängigkeit einer Inversion des Lasersystems in Abhängigkeit der Zeit für selbst-organisierende Laserpulse auf Basis der Ratengleichungen des Lasers;
6: eine theoretisch berechnete Abhängigkeit der Laserintensität in Abhängigkeit der Zeit für selbst-organisierende Laserpulse auf Basis der Ratengleichungen des Lasers;
7: eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung des Festkörperlasers in Abhängigkeit der Pumpleistung;
8: ein Vergleich der Energie von Laserpulsen der ersten Wellenlänge in Abhängigkeit der Pumpleistung; und
9: eine schematische Darstellung eines medizinischen Geräts umfassend ein System zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung.
In 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Systems 10 zur Erzeugung von Laserpulsen schematisch dargestellt. Es umfasst einen Pumplaser 12, beispielsweise einen Faserlaser 72 in Form eines Thulium-Faserlaser 77 oder eine modulierbaren Diodenlaser, zur Erzeugung einer Pumplaserstrahlung 14, mit welcher ein Festkörperlaser 16 in Form eines Scheibenlasers 18 gepumpt wird.
Der Scheibenlaser 18 umfasst ein Scheibenlasermodul 20, mit einer Eintrittsöffnung 22 für die Pumplaserstrahlung 14 und einer Austrittsöffnung 24 für die zu erzeugenden Laserpulse.
Im Scheibenlasermodul 20 ist auf einem Spiegel 26 ein laseraktives Medium 28 in Form einer Scheiben 30 angeordnet. Ferner umfasst das Scheibenlasermodul 20 mehrere Spiegel 32, die die Pumplaserstrahlung 14 mehrfach auf die Scheibe 30 abbilden, so dass die Pumplaserstrahlung 14 die Scheibe 30 mehrfach durchstrahlt.
Der Festkörperlaser 16 umfasst ferner einen zweiten Spiegel 34, welcher zusammen mit dem Spiegel 26 einen Resonator 36 des Festkörperlasers 16 definiert. Im Resonator 36 ist eine Auskoppeleinrichtung 70 umfassend eine Schalteinrichtung 38, beispielsweise in Form eines elektro-optischen oder elektro-akustischen Modulators 40 oder einer Pockelszelle, angeordnet. Zwischen der Schalteinrichtung 38 und dem Scheibenlasermodul 20 ist ein Polarisator 42 angeordnet, mit dem ein Teil der vom Festkörperlaser 16 erzeugten Strahlung 44 auskoppelbar ist, um die Schalteinrichtung 38 anzusteuern.
Der Pumplaser 12 wird bei der in 1 dargestellten Anordnung vorzugsweise im cw-Modus betrieben.
Um einen Laserpuls 46 aus dem Resonator 36 auszukoppeln, wird der Resonator des cw-gepumpten Festkörperlasers 16 kurzzeitig geöffnet, und zwar durch die Schalteinrichtung 38, die den Resonator 36 von einem ersten Zustand, in welchem er für die Laserstrahlung 44 geschlossen ist, in einen zweiten Zustand überführt, in welchem er für die Laserstrahlung 44 geöffnet ist. Im zweiten Zustand kann dann ein Laserpuls 46 den Resonator 36 durch den Spiegel 34, auch als Auskoppelspiegel bezeichnet, verlassen.
In 2 ist beispielhaft ein Oszilloskopbild dargestellt, welches oben eine Steuerflanke 48 zeigt, welche die Schalteinrichtung 38 ansteuert zum Überführen des Resonators 36 vom ersten Zustand in den zweiten Zustand. Der unten dargestellte, aktiv ausgekoppelte einzelne Laserpuls 46 weist eine Pulsbreite 50 von etwa 1 μs auf.
Bei dem in 1 schematisch dargestellten System 10 wird als laseraktives Medium 28 eine Scheibe 30 aus Ho-dotiertem YAG verwendet, also ein Ho:YAG-Scheibenlaser 18.
Durch den Einsatz der Schalteinrichtung 38 beim System 10 wird ein Wirkungsgrad des Systems 10 aufgrund unvermeidbarer Verluste verringert.
Um den Wirkungsgrad und die Effizienz des Systems 10 zu verbessern, kann dieses in ferner in leicht modifizierter Form ausgebildet und betrieben werden.
3 zeigt schematisch den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Systems 10' zur Erzeugung von Laserpulsen. Identische Elemente sind mit identischen Bezugszeichen versehen und um einen Anstrich "'" ergänzt.
Der Pumplaser 12', beispielsweise ein Faserlaser 72' in Form eines Thulium-Faserlaser 74' oder ein modulierbarer Diodenlaser, wird beim System 10 jedoch nicht im cw-Modus betrieben, sondern gepulst, und zwar insbesondere pulsweitenmoduliert. Die Pumplaserstrahlung 14' wird durch die Eintrittsöffnung 22' des Scheibenlasermoduls 20' eingekoppelt und auf das aktive Medium 28' in Form der Scheibe 30' abgebildet. Die Spiegel 32' in Verbindung mit dem Spiegel 26' der zusammen mit dem Spiegel 34' den Resonator 36' definiert, ermöglicht die mehrfache Durchstrahlung der Scheibe 30' mit der Pumplaserstrahlung 14'.
Das System 10' umfasst allerdings keine Schalteinrichtung zum Auskoppeln von Pulsen. Dies ist nicht erforderlich, da aufgrund des gepulsten Pumpens des Festkörperlasers 16' durch Selbstorganisation Laserpulse 58a, 58b, 58c, 58d und 58e erzeugt werden, die durch den teildurchlässigen Spiegel 34' den Resonator 36' verlassen können.
4 zeigt beispielhaft ein Oszilloskopbild, in welchem oben der zeitliche Verlauf der Pumplaserstrahlung 14' dargestellt ist. Diese wird gebildet durch einzelne, rechteckige Pumppulse 52. Diese weisen eine Breite von etwa 100 μs auf. Ein Abstand zwischen zwei Pumppulsen 52, auch als Selbstorganisationszeit 56 bezeichnet, beträgt in 4 etwa 400 μs. Damit beträgt ein Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Pumpstrahlung 14' etwa 1:5.
Das System 10' macht sich den Effekt der Selbstorganisation von Laserpulsen bei einem Scheibenlaser 18' zunutze, wenn dieser gepulst gepumpt wird. Ein erster Laserpuls 58a eines fünf Laserpulse 58a, 58b, 58c, 58d und 58e umfassenden Pulszuges 60, auch als Pulsfolge bezeichnet, wird nach einer Verzögerungszeit 62 von etwas mehr als 100 μs nach der abfallenden Flanke des Pumplaserpulses 52 aus dem System 10' emittiert. Die Laserpulse 58b, 58c, 58d und 58e folgen dem ersten Laserpuls 58a mit in etwa gleichen Abständen von jeweils etwa 60 μs. Eine maximale Intensität der aufeinanderfolgenden Laserpulse 58a, 58b, 58c, 58d und 58e nimmt sukzessive ab.
Der in 4 dargestellte, gemessene Verlauf der Intensität der aus dem System 10' emittierten Laserpulse 58a, 58b, 58c, 58d und 58e ist theoretisch belegbar. In 5 ist die durch Lösung der Ratengleichungen des Festkörperlasers 16' berechnete Inversion des Scheibenlasers 18' in Abhängigkeit der Zeit dargestellt.
Aus dem in 5 dargestellten Inversionsverlauf ergibt sich dann rechnerisch die in 6 dargestellte Pulsfolge 60, also die Intensität der durch Selbstorganisation erzeugten Laserpulse in Abhängigkeit der Zeit. Hier ist gut zu erkennen, dass eine Intensität der aufeinanderfolgenden Pulse 58 in Abhängigkeit der Zeit in etwa exponentiell abfällt, wobei ein Abstand der Laserpulse in etwa gleich bleibt.
Durch die Wahl des aktiven Mediums 28 beziehungsweise 28' kann die Wellenlänge der emittierten Laserpulse 46 beziehungsweise 58 vorgegeben werden. Diese beträgt bei einem Ho:YAG-System etwa 2100 nm.
In 7 ist die Abhängigkeit der Ausgangsleistung der Systeme 10 und 10' dargestellt. Das cw-gepumpte System 10 weist dabei eine nur wenig höhere Ausgangsleistung auf, als das PWM-moduliert gepumpte System 10'.
Überraschend ist jedoch die Effizienz des Systems 10' im Vergleich zum System 10. Dies ist schematisch in 8 dargestellt. Die mittlere Kurve zeigt die Energie der Laserpulse 46 des Systems 10 in Abhängigkeit der Pumpleistung.
Die untere Kurve in 8 zeigt die Energie des Laserpulses 58a des Systems 10', also des ersten, durch Selbstorganisation erzeugten Laserpulses 58a.
Dagegen übersteigt die Energie des fünf Laserpulse 58 umfassenden Pulszuges 60 die Energie des durch das System 10 erzeugten Einzelpulses 46 um deutlich mehr als den Faktor 2. Mit anderen Worten ist zwar die Energie eines einzelnen Laserpulses 58a, auch als Einzelpuls bezeichnet, welcher durch Selbstorganisation erzeugt wird, kleiner als eine Energie des Laserpulses 46, der mittels der Schalteinrichtung 38 mit dem System 10 erzeugt wird. Allerdings kann bei geeigneter Wahl der Selbstorganisationszeit 56 erreicht werden, dass das System 10' zwei oder mehr Laserpulse 58 erzeugt, welche dann in Summe eine Pulsenergie aufweisen, die mindestens etwa der Pulsenergie des mit dem System 10 erzeugten einzelnen Laserpulses 46 ist. Nützt man den Pulszug 60 komplett oder nahezu vollständig, indem die Selbstorganisationszeit 56 entsprechend lang gewählt wird, dann ist es möglich, mit dem System 10' annähernd auf die cw-Ausgangsleistung des Scheibenlasers 16' von 100% zu kommen.
Die Systeme 10 und 10' können in vielfältiger Weise zum Einsatz kommen. Beispielsweise können sie zur Materialbearbeitung als Teil von Materialbearbeitungssystemen eingesetzt werden, insbesondere zur Bearbeitung von Kunststoffen, beispielsweise von deren Oberflächen.
Wie in 9 schematisch dargestellt, ist aber auch der Einsatz der Systeme 10 und 10' als Teil eines medizinischen Geräts 66, insbesondere in Form eines Laser-Lithotripters 68 für die thermische Behandlung von Nieren- und Harnleitersystemen, ist in vorteilhafter Weise möglich. Insbesondere das System 10' ermöglicht es, hohe Pulsenergien zu erzeugen, um Nieren- oder Harnleitersteine schonend durch thermische Behandlung zu pulverisieren.
Wie bereits oben beschrieben, lässt sich die Intensität der Laserpulse 46 und 58a, 58b, 58c, 58d und 58e durch die Pumpleistung des Pumplasers 12 beziehungswiese 12' beeinflussen. Eine Pulsbreite 64 der vom System 10' erzeugten Laserpulse 58 hängt insbesondere vom gewählten laseraktiven Medium 28 beziehungsweise 28' ab, aber auch von der Art des eingesetzten Festkörperlasers 16 und 16'. Für das beispielshaft vorgestellte Ho:YAG-System beträgt die Pulsbreite 64 etwa 2 μs.
Bezugszeichenliste

10; 10': System
12; 12': Pumplaser
14; 14': Pumplaserstrahlung
16; 16': Festkörperlaser
18; 18': Scheibenlaser
20; 20': Scheibenlasermodul
22; 22': Eintrittsöffnung
24; 24': Austrittsöffnung
26; 26': Spiegel
28; 28': aktives Medium
30; 30': Scheibe
32; 32': Spiegel
34; 34': Spiegel
36; 36': Resonator
38: Schalteinrichtung
40: Modulator
42: Polarisator
44; 44': Strahlung
46: Laserpuls
48: Steuerflanke
50: Pulsbreite
52: Pumppuls
54: Pulsbreite
56: Selbstorganisationszeit
58a, 58b, 58c, 58d, 58e: Laserpuls
60: Pulszug
62: Verzögerungszeit
64: Pulsbreite
66: medizinisches Gerät
68: Laser-Lithotripter
70: Auskoppeleinrichtung
72; 72': Faserlaser
74; 74': Thulium-Faserlaser

Claims

Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (44; 44') einer ersten Wellenlänge, bei welchem ein Festkörperlaser (16; 16') mit Pumplaserstrahlung (14; 14') einer zweiten Wellenlänge gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16') mit Pumppulsen (52) der Pumplaserstrahlung (14') gepulst gepumpt wird und dass eine Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} des Festkörperlasers (16') zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pumppulsen (52) so vorgegeben wird, dass der Festkörperlaser (16') durch Selbstorganisation mindestens einen Laserpuls (58a, 58b, 58c, 58d, 58e) erster Wellenlänge emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} in einem Bereich von etwa 5 μs bis etwa 500 μs vorgegeben wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 10 μs bis etwa 200 μs, und/oder dass eine Anregungsfrequenz des Festkörperlasers (16') in einem Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 10 kHz vorgegeben wird.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anregungspulsdauer t_Pulsdauer der Pumplaserstrahlung (14') in einem Bereich von etwa 500 μs bis etwa 50 μs vorgegeben wird und/oder dass der Festkörperlaser (16') pulsweitenmoduliert gepumpt wird, insbesondere mit einem Tastverhältnis in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5, weiter insbesondere in einem Bereich von etwa 0,15 bis etwa 0,3.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} so vorgegeben wird, dass der Festkörperlaser (16') durch Selbstorganisation mindestens drei Laserpulse (58a, 58b, 58c, 58d, 58e) erster Wellenlänge emittiert, insbesondere fünf Laserpulse (58a, 58b, 58c, 58d, 58e).
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16) mit der Pumplaserstrahlung (14) kontinuierlich gepumpt wird und dass ein Resonator (36) des Festkörperlasers zum Auskoppeln eines Laserpulses (46) der ersten Wellenlänge für eine Öffnungszeit t_offen von einem ersten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung (44) der ersten Wellenlänge geschlossen ist, aktiv in einen zweiten Zustand, in dem er für die Laserstrahlung (44) der ersten Wellenlänge geöffnet ist, überführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16; 16') mit der Pumplaserstrahlung (14; 14') mit der zweiten Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von etwa 1700 nm bis etwa 2100 nm gepumpt wird und/oder dass die Laserpulse (46; 58a, 58b, 58c, 58d, 58e) der ersten Wellenlänge mit einer Pulsbreite in einem Bereich von etwa 0,5 μs bis etwa 3 μs erzeugt werden, insbesondere in einem Bereich von etwa 1,5 μs bis etwa 2,5 μs und/oder dass der Festkörperlaser (16; 16') mit einem Faserlaser (72; 72') oder einem modulierbaren Diodenlaser gepumpt wird, insbesondere mit einem Thulium-Faserlaser (74; 74').
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16; 16') mit einer Pumpleistung in einem Bereich von etwa 10 W bis etwa 500 W gepumpt wird und/oder dass gepulste Laserstrahlung (44; 44') mit der ersten Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von etwa 1800 nm bis etwa 2300 nm erzeugt wird und/oder dass als Festkörperlaser (16; 16') ein Scheibenlaser (18; 18') verwendet wird mit einem Resonator (36; 36') und einem im Resonator (36; 36') angeordneten aktiven Lasermedium (28; 28').
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als aktives Lasermedium (28; 28') ein Ho-dotiertes Medium verwendet wird, insbesondere Ho:YAG, und/oder dass das aktive Lasermedium (28; 28') in Form einer Scheibe (30; 30') mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 20 mm und/oder mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm verwendet wird.
System (10; 10') zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (44; 44') einer ersten Wellenlänge, umfassend einen Pumplaser (12; 12') und einen mit dem Pumplaser (12; 12') gepumpten Festkörperlaser (16; 16'), welcher Pumplaser (12; 12') Pumplaserstrahlung (14; 14') einer zweiten Wellenlänge erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaser (12') ein Pulspumplaser (12') ist zum Erzeugen von Pumppulsen (52) der Pumplaserstrahlung (14) mit einem Pumppulsabstand t_Pumppuls, welcher mindestens einer Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} entspricht, in welcher der Festkörperlaser (14') durch Selbstorganisation mindestens einen Laserpuls (58a, 58b, 58c, 58d, 58e) erster Wellenlänge emittiert.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumppulsabstand (56) in einem Bereich von etwa 10 μs bis etwa 500 μs liegt und/oder dass eine Pumplaserrepetitionsrate zum Anregen des Festkörperlasers (16') in einem Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 10 kHz liegt.
System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anregungspulsdauer t_Pulsdauer der Pumplaserstrahlung (14') in einem Bereich von etwa 500 μs bis etwa 10 μs und/oder dass der Pumplaser (12') ein pulsweitenmodulierter Pumplaser (12') ist, insbesondere mit einem Tastverhältnis in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5, weiter insbesondere in einem Bereich von etwa 0,15 bis etwa 0,3, und/oder dass der Pumppulsabstand t_Pumppuls mindestens einer Selbstorganisationszeit t_{Selbstorganisation} entspricht, in welcher der Festkörperlaser (16') durch Selbstorganisation mindestens drei Laserpulse (58a, 58b, 58c, 58d, 58e) erster Wellenlänge emittiert, insbesondere fünf Laserpulse (58a, 58b, 58c, 58d, 58e).
System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser (16) einen Resonator (36) umfasst, dass der Pumplaser (12) in Form eines Dauerstrich- oder cw-Lasers ausgebildet ist, dass der Resonator (36) in einem ersten Zustand für die Laserstrahlung (44) der ersten Wellenlänge geschlossen ist und in einem zweiten Zustand für die Laserstrahlung (44) der ersten Wellenlänge geöffnet ist und dass das System (10) zum Überführen des Resonators (36) vom ersten in den zweiten Zustand und umgekehrt eine Schalteinrichtung (38) umfasst, mit welcher insbesondere eine Öffnungszeit t_offen zum Auskoppeln eines Laserpulses (46) der ersten Wellenlänge einstellbar ist, für welche Öffnungszeit der Resonator (36) den zweiten Zustand einnimmt.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplaserstrahlung (14) eine Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von etwa 1700 nm bis etwa 2100 nm aufweist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse (46; 58a, 58b, 58c, 58d, 58e) der ersten Wellenlänge eine Pulsbreite (50; 64) in einem Bereich von etwa 0,5 μs bis etwa 3 μs aufweisen, insbesondere in einem Bereich von etwa 1,5 μs bis etwa 2,5 μs.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaser (12; 12') in Form eines Faserlasers (72; 72') oder eines modulierbaren Diodenlasers ausgebildet ist, insbesondere in Form eines Thulium-Faserlasers (74; 74').
System nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpleistung des Pumplasers (12; 12') in einem Bereich von etwa 10 W bis etwa 500 W liegt und/oder dass die erste Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung (44; 44') in einem Wellenlängenbereich von etwa 1800 nm bis etwa 2300 nm liegt und/oder dass der Festkörperlaser (16; 16') in Form eines Scheibenlasers (18; 18') ausgebildet ist mit einem Resonator (36; 36') und einem im Resonator (36; 36') angeordneten aktiven Lasermedium (28; 28').
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als aktives Lasermedium (28; 28') ein Ho-dotiertes Medium verwendet wird, insbesondere Ho:YAG, und/oder das aktive Lasermedium (28; 28') in Form einer Scheibe (30; 30') mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 20 mm aufweist und/oder eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm.
Materialbearbeitungssystem, insbesondere zur Bearbeitung von Kunststoffen, umfassend ein gepulste Laserstrahlung (44; 44') emittierendes System (10; 10'), dadurch gekennzeichnet, dass das gepulste Laserstrahlung emittierende System (10; 10') in Form eines der Systeme (10; 10') nach einem der Ansprüche 9 bis 17 ausgebildet ist.
Medizinisches Gerät (66), insbesondere in Form eines Laser-Lithotripters (68) für die thermische Behandlung von Nieren- und Harnleitersteinen, gekennzeichnet durch ein System (10; 10') nach einem der Ansprüche 9 bis 17.
Verwendung eines Systems (10; 10') nach einem der Ansprüche 9 bis 17 zur Materialbearbeitung, insbesondere zur Kunststoffbearbeitung.