DE19700527A1 - Steuerung des Profils von Laserpulsen durch Modulation von Relaxationsoszillationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Hochleistungsfestkörperlaser und insbesondere derartige Laser zur Verwendung in der Formung von Werkstücken oder in der Materialbearbeitung.

Hochleistungs­ festkörperlaser werden üblicherweise in der Materialbearbeitung im Pulsbetrieb eingesetzt, so zum Beispiel beim Schneiden oder Bohren. Hierfür verwendete Laser sollten möglichst mittlere Puls­ längen und ein variables Pulsformat aufweisen. Werden Laser mit­ tels einer herkömmlichen Güteschaltung (Q-Switch) im Pulsbetrieb eingesetzt, so ist die Pulslänge etwa 5 bis 20 ns (Nanosekun­ den), was aber für die meisten Materialbearbeitungen zu kurz ist, und die Pulse haben üblicherweise eine Spitzenintensität, die für Materialbearbeitungen zu groß ist. Andererseits erzeugen freilaufende Laser mit langen Pulsen Intensitäten, die zum Schneiden oder Bohren unzureichend sind. Für diese Anwendungen liegt die ideale Pulslänge im Bereich von 100 ns bis 300 ns.

Einige Typen von Lasern, wie Festkörperlaser, erzeugen Pulse mit einer sich aus den Lasereigenschaften ergegebenden ("natürli­ chen") Relaxationsschwingungsfrequenz (Relaxationsoszillations­ frequenz), wenn sie einem kurzen Impuls (burst) von sogenannter Pumpenergie ausgesetzt werden. Es sind im Stand der Technik un­ terschiedliche Anordnungen vorgeschlagen worden, um die Breite (Länge), Spitzenintensität und den Abstand von Laser-Relaxa­ tionspulsen zu steuern. Die Steuerung kann entweder durch Modu­ lation des Lasers selbst oder durch Steuerung des Pumpprozesses durchgeführt werden. Der Pumpprozeß beinhaltet, daß dem Laser-Resonator Energie zugeführt wird. Eine Modulation im Resonator ("Intracavity") erfordert üblicherweise eine gezielte Einführung von Verlusten im Resonator, um den Laserprozeß zu unterdrücken. Ein herkömmlicher Güteschalter wirkt beispielsweise periodisch derart, daß der Laserprozeß vollständig unterdrückt wird während das Lasermedium fortgesetzt gepumpt wird, und sodann schlagartig der eingeführte Verlust aufgehoben und der Laser eingeschaltet wird, wodurch die Abgabe eines starken Pulses durch den Laser ermöglicht wird. Die Steuerung der Laser-Ausgangsstrahlung durch Einstellung der Länge und Zeitfolge der Pumpenergie ermöglicht in gewissem Umfang auch die Steuerung der Pulsform der abgegebe­ nen Strahlung. Bei Festkörperlasern, die Ausgangspulse mit der natürlichen Relaxationsoszillationsfrequenzerzeugen, ergibt eine Steuerung des Pumpzyklus Ausgangsstrahlung in Form soge­ nannter "Makropulse", von denen jeder sogenannte Subpulse schnell abfallender Intensität mit der natürlichen Relaxations­ schwingungsfrequenz enthält. Festkörperlaser gemäß dem Stand der Technik wurden üblicherweise mit Blitzlampen gepumpt, die im Pulsbetrieb Pumpenergie erzeugen, welche in der Intensität stark variiert, sich bis zu einem Spitzenwert vergrößert und dann bis zum Ende des Pumppulses abfällt. Die in solchen Pump-Makroimpul­ sen enthaltenen Subimpulse variieren entsprechend hinsichtlich der Spitzenintensität und sind deshalb weitgehend ungeeignet für die Materialbearbeitung.

In den US-Patenten 3,747,019 und 4,959,838 werden relativ auf­ wendige Techniken für die Modulation der Laserausgangsstrahlung zur Erzeugung einer erwünschten gleichförmigen Folge von Aus­ gangspulsen beschrieben. Diese Techniken erfordern ein Steuer­ system, bei dem der Ausgangsstrahl beobachtet wird, um ein Steuersignal für den Modulator abzuleiten und rückzukoppeln. Grundsätzlich werden solche Regelkreise dadurch erforderlich, daß Schwankungen in der Laser-Pumprate entsprechende Änderungen in der Modulationsrate erforderlich machen, damit ein stabiler Betrieb erreicht wird und Ausgangspulse mit den gewünschten Ei­ genschaften erzeugt werden.

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zum Steuern des Pro­ fils (Verlaufs) von Laserpulsen der eingangs genannten Art be­ reitzustellen, das einen geringeren apparativen Aufwand, eine hohe Funktionszuverlässigkeit und verbesserte Ergebnisse er­ möglicht.

Der erfindungsgemäße Festkörperhochleistungslaser ist insbeson­ dere für die Materialbearbeitung geeignet. Der Laser weist fol­ gendes auf: Einen Resonator mit zwei Reflektoren, zumindest ei­ nen Festkörper-Verstärker oder Mittel zur Strahlungsverstärkung, die im Resonator angeordnet sind, zumindest eine Reihe von Dio­ den, die benachbart dem Verstärker bzw. dem Mittel zur Strah­ lungsverstärkung angeordnet sind, um den Laser während eines Pump-Makroimpulses entsprechend einem ausgewählten Arbeitszyklus zu pumpen, einen akustisch-optischen Modulator (AO) in dem La­ ser-Resonator, eine Signalquelle für Radiofrequenzen (rf), die mit dem AO gekoppelt ist, um eine Folge von Laserausgangsimpul­ sen konstanter Breite (Länge) und Höhe (Intensität) während je­ des Pump-Makroimpulses zu erzeugen, und eine Steuerschaltung zum Ein- und Ausschalten der Pumpdioden in einer Folge von Makroim­ pulsen vorgewählter Länge und Frequenz. Die Länge (Dauer) und Frequenz der Pump-Makroimpulse bestimmt die Anzahl der vom Laser emittierten Impulse und deren Gesamtenergie, ohne daß eine rück­ gekoppelte Steuerung des Modulators erforderlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: Einbringen von Laser-Pumpenergie in zumindest ei­ nen Festkörperverstärker in einem Laser-Resonator; Anlegen eines Radiofrequenz-Steuersignals (rf) an einen akustisch-optischen Modulator (AO), der in dem Laser-Resonator angeordnet ist, um eine Folge von Laserausgangssubimpulsen mit gewünschter Puls­ breite und Spitzenintensität zu erzeugen; wobei die Frequenz des rf-Steuersignals so gewählt wird, daß die Ausgangs-Subimpulse eine gewünschte Pulsbreite (Länge) und Höhe (Intensität) haben. Das Verfahren sieht insbesondere auch eine Steuerung während des Schrittes des Eingebens von Laser-Pumpenergie vor, um während jedes Pump-Makroimpulses eine konstante Laser-Pumpleistung ein­ zugeben, wobei die Länge und die Zeitfolge der Makroimpulse vor­ gewählt ist, und das Erzeugen eines Laser-Ausgangsstrahls in Form einer Vielzahl von Subimpulsen ausgewählter Breite und Höhe während jedes pumpenden Makroimpulses. Die Energie und Breite jedes Subimpulses werden selektiv durch das rf-Signal gesteuert, welches an den AO-Modulator angelegt wird, und die gesamte Lei­ stung des Strahls wird über die Breite und den Arbeitszyklus der Pump-Makroimpulse gesteuert, ohne daß eine Rückkoppel-Steuerung des Modulators erforderlich wäre.

Die vorstehend charakterisierte Erfindung bringt einen erhebli­ chen Fortschritt für Hochleistungslaser. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt in einfacher Weise einstellbare, gepulste Laser-Ausgangsstrahlung, die sehr gut für Bohr-Anwendungen und andere Materialbearbeitungen und -verarbeitungen geeignet ist. Unabhängige Steuerungen ermöglichen eine Auswahl und Einstellung der Energie jedes Subimpulses und auch eine Auswahl und Einstel­ lung der Gesamtzahl abgegebener Subimpulse jedes Makroimpulses oder auch der mittleren Rate, mit der die Impulse abgegeben wer­ den.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Hochleistungsfestkörperlasers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines akustisch-optischen Modulators (AO), der bei einem Laser gemäß Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3A eine grafische Darstellung der Relaxationsschwingungen (Oszillationen) der Ausgangsleistung eines nicht-modu­ lierten Lasers;

Fig. 3B eine entsprechende grafische Darstellung der Ausgangsstrahlung eines Lasers, der erfindungsgemäß moduliert ist, um eine Folge von Impulsen von im we­ sentlichen gleichförmiger Spitzenintensität zu erzeu­ gen; und

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Ausgangsstrahlung eines erfindungsgemäßen Lasers über eine längere Zeitspanne, wobei die Beziehung zwischen sich aus dem Pump-Arbeits­ zyklus ergebenden Makroimpulsen und sich aus Relaxa­ tionsschwingungen und Modulationen des Lasers im Reso­ nator ergebenden Subimpulsen dargestellt ist.

Wie sich aus den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung nä­ her ergibt, betrifft die Erfindung eine Technik der Steuerung der Form und der Zeitfolge von Ausgangsimpulsen eines Hoch­ leistungslasers, insbesondere eines Festkörperhochleistungsla­ sers, wobei das Ziel ein Laserstrahl ist, der insbesondere für das Bohren oder auch für andere Verarbeitungsprozesse bei unter­ schiedlichsten Materialien geeignet ist. Werden Festkörperlaser gepumpt, d. h. wird ihnen sogenannte Pumpenergie in gepulster Form zugeführt, so erzeugen sie eine Ausgangsstrahlung in Form kurzer Impulse, die mit ziemlich gleichmäßiger Frequenz auftre­ ten; diese Frequenz ist als die sogenannte natürliche Relaxa­ tionsoszillationsfrequenz bekannt. Insbesondere für Material­ bearbeitungstechniken ist es vielfach erforderlich, daß diese Ausgangsimpulse eine gleichmäßige Spitzenintensität aufweisen, wobei weiterhin eine einfache Steuerung der mit der Ausgangs­ strahlung abgegebenen wirksamen Energie erwünscht ist. Beim Stand der Technik treten Probleme insbesondere hinsichtlich der Steuerung der Gesamt-Ausgangsleistung auf oder es war ein rela­ tiv aufwendiges Steuersystem mit Rückkopplung erforderlich, um die gewünschte Gleichförmigkeit der abgegebenen Strahlung zu erreichen.

Das nachfolgend beschriebene Festkörperlasersystem erzeugt Aus­ gangsimpulse mit gleichförmiger Intensität und gleichförmigem periodischem Zeitverhalten, wobei eine vollständige Steuerung der wirksamen Strahlleistung möglich ist, ohne ein aufwendiges Regelsystem. Der Festkörperlaser wird mit Laserdioden gepumpt, um eine praktisch gleichförmige Pumprate über die gesamte Dauer jedes Pumpimpulses zu erhalten. Die Subimpulse werden durch ei­ nen im Resonator angeordneten akustisch-optischen Modulator gesteuert. Wie Fig. 1 beispielhaft zeigt, weist der Laser einen Resonator auf, der durch zwei Spiegel definiert ist: Einen konka­ ven Reflektor 10 und einen konvexen Auskoppler 12 vom Hyper-Gauß-Typ. Ebenfalls im Resonator sind ein akustooptischer (AO)- Modulator 14, ein Polarisator 16 und einer oder mehrere Zick- Zack-Festkörperverstärker angeordnet, wobei von letzteren drei Stück dargestellt sind, jeweils mit dem Bezugszeichen 18 verse­ hen. Die Anzahl der Verstärker 18 hängt von der gewünschten Ge­ samtausgangsleistung ab. Die Verstärker 18 werden durch mehrere Halbleiterdioden gepumpt, die jeweils mit dem Bezugszeichen 20 versehen sind. Die Dioden werden durch einen Pump-Steuerkreis 22 und der AO-Modulator 14 durch einen Modulator-Steuerkreis 24 gesteuert.

Fig. 3A zeigt die Ausgangsimpulse eines Festkörperlasers, der nicht moduliert wird und der einem kurzen Pumpimpuls ausgesetzt ist. Dieser Laser erzeugt eine Folge von Pulsen mit etwa glei­ chem Zeitabstand und mit stark abfallender Spitzenintensität, wobei die Frequenz der Impulse die sogenannte natürliche Relaxa­ tionsoszillationsfrequenz des Lasers ist. Der AO-Modulator 14 ähnelt einem herkömmlichen Güteschalter (Q-switch), weist jedoch einige wesentliche Unterschiede hierzu auf. Zunächst ist der Modulator 14 so modifiziert, daß er bei hohen Strahlleistungen von mehreren Kilowatt arbeitet. Weiterhin arbeitet der Modulator 14 mit einer Frequenz, die nahe der natürlichen Relaxationsoszil­ lationsfrequenz des Lasers liegt und mit einer relativ geringen Modulationswirkung im Bereich von etwa 5 bis 30%. Die Pulsbreite und -intensität der sich ergebenden Relaxationsoszillationsimpul­ se werden gesteuert durch Variation des Modulationsgrades, der Modulationsfrequenz und des Arbeitszyklus des Modulators. Durch Betrieb mit einem Modulationsgrad im Bereich von 5 bis 30% er­ möglicht der Modulator 14 die Erzeugung von Impulsen, die etwa eine Größenordnung länger sind als diejenigen Pulse, die mit herkömmlichen gütegeschalteten Hochleistungslasern erhalten wer­ den.

Der Modulator 14 ist vorzugsweise aus einem geeigneten wider­ standsfähigen Material hergestellt, wie geschmolzenem Silizium­ oxid, und kann mit einer relativ moderaten Leistung im Radio-Frequenzbereich betrieben werden (rf), typischerweise mit weni­ ger als 100 W, wobei eine Modulation von Lasern im Bereich eines Kilowatts oder auch vieler Kilowatt möglich ist. Die rf-Leistung wird mit oder nahe der Relaxationsoszillationsfrequenz (50 kHz bis 300 kHz) angelegt, und zwar zum Beispiel in Form einer sinus­ förmigen Welle, einer Rechteck-Welle oder mit anderen Zeitverläu­ fen, um die gewünschten Ausgangs-Wellenformen bezüglich der va­ riablen Pulse zu erzeugen.

Der Laser ist auch hinsichtlich des Pumppegels gesteuert, wie Fig. 3 zeigt. Die Verwendung von Dioden als Pumpquelle bewirkt eine relativ konstante Pumprate, wenn das Pumpen überhaupt frei­ gegeben ist. Die Länge der Pumpimpulse wird variiert, wobei die gleiche Spitzen-Pumprate aufrechterhalten wird, wenn das Pumpen freigegeben ist. Mit anderen Worten: Der Pump-Arbeitszyklus kann in einfacher Weise durch eine einfache Einstellung der Pump­ steuerschaltung variiert werden. Der Pump-Arbeitszyklus kann Makroimpulse bereitstellen, die von sehr kurzen Impulsen (ein­ schließlich beispielsweise einem einzigen Subimpuls) bis zu ei­ nem quasi kontinuierlichen Betrieb reichen (bei dem ein kontinu­ ierlicher Strom von Subimpulsen oder Relaxationsimpulsen erzeugt wird). Eine Möglichkeit, diese Steuerung im Zusammenwirken mit der Modulator-Steuerung zu verwenden, ist dadurch gegeben, daß zuerst der Modulator 14 so eingestellt wird, daß Ausgangsimpulse einer gewünschten Spitzenintensität erzeugt werden (die zum Bei­ spiel geeignet ist, um einen Bohrvorgang mit optimaler Rate durchzuführen), und sodann die Makroimpuls-Breite auszuwählen, um die Anzahl von Subimpulsen bereitzustellen, die erforderlich sind, um ein Loch durch ein Material gegebener Stärke zu bohren. Jeder Relaxationsoszillationssubimpuls hat im wesentlichen die gleiche Höhe und Breite (Intensität und zeitliche Länge) und liefert deshalb im wesentlichen die gleiche Energiemenge während des Bohrvorganges. Die Gesamtenergie jedes Makroimpulses ist aber durch die Auswahl der Breite des Pump-Makroimpulses be­ stimmt.

Die nachfolgende Tabelle gibt einige Beispiele für typische Be­ reiche von Makroimpulsen und Parameter für die Subimpulse, die mit der beschriebenen Technik beispielsweise erreicht werden können.

Wie Fig. 4 zeigt, liefert eine Variation der Länge und Frequenz der Makroimpulse eine einfache Steuermöglichkeit für die Anzahl der Subimpulse pro Makroimpuls und der mittleren Leistung, mit der ein Werkstück beaufschlagt wird, auf welches die Laserstrah­ lung gerichtet ist. Die in der vorstehenden Tabelle angegebenen Bereiche sind nur beispielhafter Natur. Die Länge der Pumpimpul­ se kann so eingestellt werden, daß nur ein einziger Subimpuls pro Makroimpuls erzeugt wird, falls dies gewünscht ist, oder es können auch zum Beispiel 100 Subimpulse oder mehr pro Makroim­ puls vorgesehen werden, wobei jeder Subimpuls die gleiche Höhe und Breite hat.

Wie Fig. 2 zeigt, ist der akustooptische Modulator 14 beim dar­ gestellten Ausführungsbeispiel aus einem Plättchen 30 aufgebaut. Das Plättchen besteht aus geschmolzenem Siliziumoxid. Die Abmes­ sungen des Modulators hängen von den gewünschten Anwendungen ab, sie betragen zum Beispiel 12 mm Breite, 40 mm Höhe und 45 mm Tiefe. Der optische Strahlungsweg ist durch den Pfeil 32 ange­ zeigt und verläuft durch eine wirksame Öffnung von etwa 7 mm mal 30 mm. Auf einer Fläche des Plättchens 30 ist eine Reihe von rf-elektroakustischen Wandlerelementen 34 angeordnet, die zum Beispiel aus Lithium-Niobat (LiNbO₃) bestehen können. Die Wand­ lerelemente 34 erzeugen akustische Wellen, die durch den Modu­ lator 14 fortschreiten, wie in der Figur durch kleine Pfeile 36 angedeutet ist. Auf der gegenüberliegenden Fläche des Plättchens 30 sind akustische Absorber 38 angeordnet. Die oberen und unte­ ren Stirnflächen 40 des Plättchens 30 sind durch Luft isoliert.

Im Betrieb erzeugt der Modulator 14 periodisch Verluste der Strahlung im Resonator ("intracavity"), die zeitweise die Laser­ wirkung unterdrücken. Die an den Modulator 14 angelegte Radio­ frequenz (rf) wird so gewählt, daß sie nahe der natürlichen Fre­ quenz der Relaxationsoszillation des Lasers liegt oder bevorzugt etwas geringer ist als diese. Die Relaxationsimpulse sind dann im wesentlichen auf die Frequenz des Modulators gezwungen. Bei einer herkömmlichen Güteschaltung sind die sich ergebenden La­ serimpulse extrem intensiv, jedoch von sehr kurzer Dauer. Bei der beschriebenen Konfiguration hingegen bewirkt der Modulator 14 einen geringen Modulationsgrad, etwa 5 bis 30%, und die sich ergebenden Impulse sind länger und schwächer in der Spitzenin­ tensität als bei einer herkömmlichen Güteschaltung.

Eine gute Strahlqualität wird erreicht durch einen abgestimmten optischen Aufbau des Lasers, insbesondere hinsichtlich der Eigen­ schaften des Modulators 14, des Ausgangsspiegels 12 (vom Hyper-Gauß-Typ) und des Polarisators. Der Modulator 14 ist so ge­ wählt, daß thermische Störungen minimal sind. Thermische Störun­ gen würden andernfalls die Strahlqualität bei hohen mittleren Leistungen beeinträchtigen, wodurch der Anwendungsbereich des modulierten Lasers stark eingeengt würde. Das Material des Modu­ lators 14, zum Beispiel geschmolzenes Siliziumoxid, wird so ge­ wählt, daß die Absorption bei der Laserwellenlänge minimal ist. Der Modulationsgrad und der Arbeitszyklus dem Modulation (also das sogenannte Tastverhältnis) werden beide dahingehend mini­ miert, daß die in das Modulatorelement 14 eingekoppelte Radio­ frequenzleistung reduziert ist. Ein gekühlter Absorber entfernt durchgehende akustische Wellen vom Modulator 14, um weiterhin das Aufheizen aufgrund der rf-Treiberschaltung zu reduzieren. Die rf-Wandlerelemente 34 werden gekühlt, um die Wärmeübertra­ gung von den Wandlern zum Modulatorkörper zu reduzieren. Die oberen und unteren Flächen des Modulatorelementes 14 werden iso­ liert, so daß das Temperaturprofil im Modulator in vertikaler Richtung konstant bleibt, wodurch eine thermische Störung in dieser Richtung minimal gehalten ist.

Eine gute Strahlqualität wird auch dadurch gefördert, daß ein Resonator verwendet wird mit einem Reflexionsprofil des Auskop­ pelspiegels 12, das hypergaußisch ist. Der hypergaußische Re­ flektor bewirkt eine transversale Modensteuerung, so daß eine hohe Strahlqualität bei großem Strahlquerschnitt (0,5 cm² oder größer) erhalten wird, was für Festkörperlaser sehr hoher Lei­ stung von einem Kilowatt oder mehr erforderlich ist. Der Resona­ tor ist auch so ausgelegt, daß die Modulatorleistung optimiert ist, letztere hängt ab vom Winkel zwischen der Richtung der Strahlung und der Richtung der akustischen Welle 36 im Modulator 14. Eine optimale Modulatorleistung minimiert die erforderliche Radiofrequenzmodulationsleistung, wodurch wiederum die thermi­ schen Störungen im Modulatorelement reduziert sind und somit die Strahlqualität verbessert wird.

Auch der im Resonator eingesetzte Polarisator 16 beeinflußt die Strahlqualität. Der Polarisator 16 bewirkt eine optische Polari­ sation senkrecht zum Longitudinalvektor der akustischen Welle, die von den Radiofrequenzwandlern 34 im Modulator 14 erzeugt wird. Diese bevorzugte Konfiguration bewirkt eine maximale Modu­ lation und reduziert die erforderliche Leistung des Radiofre­ quenzsignals beim Betrieb des Modulators 14, wodurch wiederum die thermischen Störungen im Modulator verringert sind und die Strahlqualität verbessert wird. Der Polarisator 16 besteht bevor­ zugt aus unbeschichtetem geschmolzenem Siliziumoxid, das unter dem Brewster-Winkel angeordnet ist, um eine hinreichende Polari­ sationswirkung zu erzeugen und dabei minimale thermische Störun­ gen bei Hochleistungsstrahlen zuzulassen.

Die Zick-Zack-Verstärker 18 können herkömmlicher Art sein. Bevor­ zugt entsprechen sie den Zick-Zack-Verstärkern, wie sie in der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 08/148,758 beschrieben sind (Titel: "High-Brightness Solid-State Laser with Zig-Zag Amplifier").

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung insbesondere ergibt, erzeugt der erläuterte Laser gepulste Ausgangsstrahlung mit Sub­ impulsen, die eine gleichförmige Breite und Spitzenintensität haben, wobei letztere Parameter durch Steuerung eines akusto­ optischen Modulators einstellbar sind und wobei die Anzahl und die Frequenz der Subimpulse der Ausgangsstrahlung in einfacher Weise durch Variation der Länge und des Arbeitszyklus der Laser- Pump-Makroimpulse einstellbar sind. Somit kann die Intensität der Subimpulse so ausgewählt werden, daß der gerade vorgesehene Bearbeitungsprozeß optimiert wird, zum Beispiel die Geschwindig­ keit des Schneidens oder Bohrens. Auch kann die Anzahl der abge­ gebenen Subimpulse auf die gegebenen Forderungen abgestimmt werden, zum Beispiel auf die Stärke des Materials, welches zu bearbeiten ist. Der beschriebene Laser hat eine hohe mittlere Leistung im Bereich von einigen hundert Watt bis zu einigen Kilowatt, wobei die Strahlqualität etwa dem 1,5 bis 3,0-fachen der beugungsbegrenzten Strahlqualität entspricht. Zur Förderung der Strahlqualität trägt auch ein Zick-Zack-Verstärker 18 bei sowie der Verwendung von Dioden zum Pumpen, der Einsatz eines Modulatorelements mit einer großen Öffnung zur Minimierung von thermischen Störungen bei gleichzeitigem Durchlaß von Strahlungs­ leistungen im Bereich von mehreren Kilowatt, und die Bereitstel­ lung eines Polarisators mit ebenfalls großer Eingangsöffnung.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, können beson­ dere Merkmale der Erfindung auch wie folgt zusammengefaßt wer­ den:

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen der Form und der Zeitfolge von Pulsen, die von einem Hochleistungsfestkörper­ laser emittiert werden, wird vorgestellt, wobei keine aufwendi­ gen Rückkoppel- und Regelkreise erforderlich sind. Die Breite und Spitzenintensität der Relaxationsimpulse, die von dem Laser abgegeben werden, werden unter Verwendung eines akustooptischen Modulators 14 gesteuert, der in dem Laserresonator angeordnet ist, um die Relaxationsimpulse auf der Frequenz der Radiofre­ quenz-Steuersignale zu halten, welche an den Modulator angelegt werden. Die Anzahl und die mittlere Rate, mit der Pulse vom La­ ser emittiert werden, werden unabhängig voneinander gesteuert durch Variation des Arbeitszyklus der Dioden 20, die zum Pumpen des Festkörperverstärkers 18 eingesetzt werden, welcher im Laserresonator angeordnet ist. Kurze Pumpimpulse können ausge­ wählt werden, um nur wenige Relaxationsimpulse vom Laser zu er­ halten, während längere Pumpimpulse ausgewählt werden, um eine große Anzahl von Relaxationsimpulsen während jedes Pumpimpulses zu erhalten. Eine Ableitung von Rückkoppelsignalen im Sinne ei­ nes Regelkreises für den Modulator 14 ist nicht erforderlich, weil die Pumprate über die Länge jedes Pumpimpulses gleichförmig ist, weshalb die Spitzenintensitäten der vom Laser emittierten Relaxationsimpulse relativ gleichförmig sind. Dementsprechend kann der Festkörperlaser in einfacher Weise gesteuert werden, um die gewünschte mittlere Ausgangsleistung bei hoher Strahlquali­ tät zu erreichen.

Claims (4)

1. Hochleistungsfestkörperlaser, geeignet für die Materialbe­ arbeitung, mit:
einem Laserresonator, der durch zwei Reflektoren (10, 12) begrenzt ist;
zumindest einem Festkörperverstärker (18) in dem Laserreso­ nator;
zumindest einer Reihe von Dioden (22), die benachbart dem zumindest einen Verstärker (18) angeordnet sind, um den Laser während Pump-Makroimpulsen entsprechend einem ausgewählten Arbeitszyklus zu pumpen;
einem akustooptischen Modulator (14), der in dem Laserreso­ nator angeordnet ist;
einer mit Radiofrequenz (rf) arbeitenden Signalquelle (34), die mit dem akustooptischen Modulator (14; 40) gekoppelt ist, um eine Folge von Laserausgangsimpulsen konstanter Pulsbreite und Pulshöhe während jedes Pump-Makroimpulses zu erzeugen; und
einer Steuerschaltung (22) zum Ein- und Ausschalten der Pumpdioden in einer Folge von Makroimpulsen vorgewählter Länge und Frequenz, wobei die Länge und Frequenz der pumpenden Makro­ impulse die Anzahl und Gesamtenergie der vom Laser emittierten Impulse bestimmt, ohne daß eine Rückkopplung entsprechend der abgegebenen Laserstrahlung zur Steuerung des Modulators erfor­ derlich ist.

2. Hochleistungsfestkörperlaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Ausgangsimpulse eine Länge im Bereich von etwa 100 Na­ nosekunden bis 300 Nanosekunden haben und einen Abstand, der sich aus der natürlichen Relaxationsoxillationsfrequenz des La­ sers ergibt.

3. Hochleistungsfestkörperlaser gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Festkörperverstärker (18) vom Zick-Zack-Typ in Reihe geschaltet sind, um eine mittlere Gesamt-Ausgangsleistung von mehr als einem Kilowatt zu erzeugen.

4. Verfahren zum Betreiben eines Hochleistungsfestkörperlasers zur Erzeugung einer einstellbaren Ausgangsstrahlung hoher Strahl­ qualität mit folgenden Schritten:
Einkoppeln von Laser-Pumpenergie in zumindest einen Festkör­ perverstärker (18) in einem Laserresonator;
Anlegen eines Radiofrequenz-Steuersignals an einen akusto­ optischen Modulator (14), der in dem Laserresonator angeordnet ist, um eine Folge von Laser-Subimpulsen einer gewünschten Puls­ breite und Spitzenintensität zu erzeugen; wobei die Frequenz des Radiofrequenz-Steuersignals so aus­ gewählt ist, daß die Ausgangs-Subimpulse die gewünschte Puls­ breite und -höhe haben;
Steuern der Einkoppelung der Laser-Pumpenergie derart, daß der Laser nur während Pump-Makroimpulsen gepumpt wird, deren Länge und Zeitfolge vorgegeben ist; und
Erzeugen eines Laser-Ausgangsstrahls in Form mehrerer Sub­ impulse ausgewählter Breite und Höhe während jedes pumpenden Makroimpulses;
derart, daß die Energie jedes Subimpulses selektiv ein­ stellbar ist durch das an den akustooptischen Modulator (14) angelegte Radiofrequenz-Signal und die mittlere Leistung des Strahls durch die Breite und den Arbeitszyklus der Pump-Makro­ impulse einstellbar ist, ohne daß ein Rückkoppelsignal für den Modulator (14) erforderlich ist.