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WO2002066379A2 - Method for stabilising the output power of a solid-state laser, and a solid-state laser system - Google Patents

Method for stabilising the output power of a solid-state laser, and a solid-state laser system Download PDF

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WO2002066379A2
WO2002066379A2 PCT/DE2002/000659 DE0200659W WO02066379A2 WO 2002066379 A2 WO2002066379 A2 WO 2002066379A2 DE 0200659 W DE0200659 W DE 0200659W WO 02066379 A2 WO02066379 A2 WO 02066379A2
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solid
state laser
laser
measured
frequency
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PCT/DE2002/000659
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Achim Kittel
Falk Lange
Tobias Letz
Kestutis Pyragas
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Carl Von Ossietzky Universitaet Oldenburg
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Original Assignee
Carl Von Ossietzky Universitaet Oldenburg
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
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Publication date
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    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
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    • H01S3/131—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1312—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping

Definitions

  • the invention relates to a method for stabilizing the output power of a solid-state laser with intracavity frequency multiplication, in which at least two components of the radiation emitted by the solid-state laser are measured and act on a constant value on at least one manipulated variable to regulate the output power of the solid-state laser.
  • the invention further relates to a solid-state laser system with at least one laser diode, a resonator and an internal frequency-multiplying crystal.
  • Solid-state lasers are increasingly being used in technology and science, with lasers that emit radiation in the visible range in particular being in demand. This is achieved in particular by using lasers in which the frequency of the fundamental radiation is increased by doubling or multiplying the frequency of diode-pumped multimode solid-state lasers within the resonator, the frequency of the fundamental radiation being in the infrared range.
  • Frequency doubling emits visible green radiation with 532nm wavelength with a basic radiation of 1064nm.
  • a KTP crystal is used within the optical resonator.
  • Such frequency doubled or multiplied solid-state lasers are compact and have great efficiency.
  • the invention has for its object to provide a particularly reliable method for stabilizing the output power of a solid-state laser. Furthermore, the invention has for its object to provide a corresponding solid-state laser system. This object is achieved with the features of patent claim 1. In terms of the device, the object is achieved with the features of patent claim 11. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
  • At least two components of the radiation emitted by the solid-state laser are measured in order to stabilize the output power of a solid-state laser with resonator-internal frequency multiplication, and are given to regulate the output power of the solid-state laser to at least two manipulated variables, so that the behavior of the control is improved by intervention in various parameters becomes.
  • the control bandwidth is comparable to the characteristic frequencies of the fluctuation in the intensity of the solid-state laser, in particular the control bandwidth is of the same order of magnitude as the characteristic frequencies of the fluctuations.
  • the manipulated variables can therefore be regulated in particular in the microsecond range or even in the sub-microsecond range. This achieves dynamic regulation of the solid-state laser, which can react directly to the fluctuation in the intensity of the solid-state laser.
  • Three or more manipulated variables can preferably also be influenced, so that overall a particularly reliable stabilization of the output power has been achieved.
  • a manipulated variable is preferably formed by the pump power of a laser diode, in particular by the current flowing through the laser diode.
  • the pump output of a second laser diode, in particular the current flowing through the laser diode, is preferably used as the second manipulated variable, this laser diode also being used as a pump laser diode the solid-state laser.
  • the laser diodes are part of the solid-state laser system as pump laser diodes.
  • the conversion efficiency from infrared to green of the frequency-multiplying crystal in particular an electric field applied to the frequency-multiplying crystal, can also serve as a manipulated variable.
  • the respective intensity of the different polarization directions of the infrared light is preferably measured and measured in the radiation emitted by the solid-state laser system.
  • it is favorable to measure the intensity of the emitted high-frequency beam in the example mentioned at the beginning, the intensity of the green light.
  • other alternative or additional measurement and control variables can be used, such as the temperatures of individual structural components of the solid-state laser system. Influencing the temperature is helpful to support the process, but not an integral part, since in this way no dynamic regulation, but only a comparatively slow change in the operating point can be achieved.
  • the two different directions of polarization of the infrared light are measured and measured variables, and each of these measured and controlled variables is applied to one of two laser diodes as a manipulated variable.
  • Mixed variables are also possible, so that each of the measurement and control variables is applied to both laser diodes as manipulated variables.
  • this is expressed using a 2x2 matrix.
  • the control is preferably carried out in such a way that the intensities of the different polarization directions of the infrared light are or become approximately the same size, since the conversion efficiency from infrared to green is maximum in this configuration.
  • the control is carried out in a preferred embodiment such that the intensities of the different polarization directions of the infrared light are stabilized, regardless of the mode configuration.
  • 'this can be done so that the intensities of the different Polarisat.ionsraumen be stabilized of the infrared light, without pursuing the goal to reduce the number of modes or the number of the polarization directions.
  • It is particularly preferred to stabilize the intensities of the different polarization directions of the infrared light with the aim that which is known from the literature (for example J. Baer, J. Opt. Soc. At the.
  • the solid-state laser system according to the invention which is used in particular to carry out the method described above, is characterized in that at least two laser diodes are provided, which are aligned in such a way that the polarization directions of the radiation emitted by the laser diodes are different. This enables the resonator operating in multimode to be influenced particularly well. In this way, the output power of the solid-state laser system can be stabilized particularly well.
  • the laser diodes are preferably aligned such that the polarization directions of the radiation emitted by the laser diodes are orthogonal to one another.
  • a beam splitter element or a polarization-maintaining y-fiber is preferably provided for coupling in the radiation from the two laser diodes.
  • a device for generating a controllable electric field is provided as a further manipulated variable, which is arranged in the area of the frequency-multiplying crystal, so that the electric field is generated in the area of the frequency-multiplying crystal.
  • the schematic illustration shows a solid-state laser system according to the invention for carrying out the method according to the invention.
  • 1 shows a solid-state laser system 1 with a first laser diode 10 and a second laser diode 11, which serve as pump laser diodes of the solid-state laser system 1.
  • the beams of the two laser diodes 10 and 11 are aligned coaxially with the aid of a beam splitter 12 and guided into an Nd-YAG crystal 15 with the aid of a collimating lens 13 and a focusing lens 14.
  • a KTP crystal 16 and a coupling-out mirror 17 are arranged behind this. These components 10 to 17 form the actual solid-state laser system 1.
  • the laser diodes 10 and 11 emit polarized radiation of a wavelength of, for example, 808 nm, which is in any case energetically above the fundamental frequency of the Nd-YAG laser 15 with the corresponding wavelength of 1064 nm.
  • the laser diodes 10 and 11 are aligned so that their polarization directions are orthogonal to each other, and their beams are focused into the Nd-YAG crystal 15 via the beam splitter 12 and the collimating lens 13 and the focusing lens 14.
  • the laser diodes are equipped with a Peltier element 21 or a heating and cooling device and a temperature sensor 20, with which the temperature can be measured and influenced.
  • the Nd-YAG crystal 15 which has a cylindrical shape and is mirrored in the left end region in the figure, forms together with the coupling mirror 17, which is concave, the actual resonator of the laser system.
  • another crystal for example an Nd-YLF crystal, can also be used.
  • the Nd-YAG crystal 15 has a temperature sensor 22.
  • the frequency-multiplying crystal, here a frequency-doubling KTP crystal 16 is arranged within the resonator, that is to say between the mirrored end of the Nd-YAG crystal 15 and the coupling-out mirror 17, and converts part of the radiation from the laser system to twice the frequency.
  • a temperature sensor 23 and a device 24, in the form of a capacitor, for applying an electrical field are arranged on the crystal.
  • Behind the decoupling mirror 17 are three measuring devices 25, 26 and 27, of which the measuring device 25 the intensity of the emitted green light, i.e. the light with the short wavelength of 532nm, and the measuring devices 26 and 27 each the intensity of the decoupled infrared light in one of the two orthogonal directions of polarization.
  • the measured variables ⁇ include in particular the temperature of the Nd-YAG crystal measured by the temperature sensor 12, the temperature of the KTP crystal measured by the temperature sensor 23, the temperature of the laser diode 10 measured by the temperature sensor 20 and also the temperature of the laser diode 11 measured by a further temperature sensor as well as the intensities of the laser light measured by the measuring devices 25, 26 and 27.
  • Functions Fj (mi, ..., m n ) are applied to these measured values mi to m n , where j can assume whole values from 1 to 0 ( o > 1).
  • the functions F j act on Pj parameters. It is therefore crucial that the measured variable acts on several, at least two parameters or manipulated variables.
  • this means: p-, F-, (mi, ..., m 0 ).
  • the current flowing through the laser diodes 10, 11 or the temperature of the laser diodes 10, 11 which can be changed with the heating device 21 are considered as parameters.
  • the device 24 it is possible to use the device 24 to influence the electric field applied to the KTP crystal 16 in order to be able to influence its birefringent properties and thus the phase shift.
  • F- j can thus be understood as a two-dimensional matrix of coefficients (oxj).
  • the coefficients can be determined by various optimization algorithms known from the literature, in which the fluctuations in the laser output power are minimized. Optimization algorithms include, for example, the gradient method, simulated anealing, described for example in WH Press et al., "Numerical Recipes in C", Cambridge University Press 1992. Optimization with the aid of genetic algorithms or neural networks is also possible. The optimization process can be carried out before the actual use of the laser or dynamically during the operation of the laser The optimization during laser use has the decisive advantage that also drifting system properties can be corrected.

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Abstract

The invention relates to a method for stabilising the output power of a solid-state laser (1) with frequency multiplication inside the resonator. At least two elements of the beam emitted by the solid-state laser are measured and are used to set the output power of the laser to a constant value of at least one adjustment variable. In order to achieve an especially good stabilisation, at least one second adjustment variable is influenced for setting the output power of the solid-state laser (1). The solid-state laser system (1) is pumped with two laser diodes (10, 11) which are oriented in such a way that the polarisation directions thereof (10, 11) are different.

Description

Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers und FestkörperlasersystemMethod for stabilizing the output power of a solid-state laser and solid-state laser system

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers mit resonatorinterner Frequenzvervielfachung, bei dem mindestens zwei Komponenten der von dem Festkörperlaser abgegebenen Strahlung gemessen und zum Regeln der Ausgangsleistung des Festkörperlasers auf einen konstanten Wert auf mindestens eine Stellgröße wirken. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Festkörperlasersystem mit mindestens einer Laserdiode, einem Resonator und einem resonatorinternen frequenzvervielfachenden Kristall.The invention relates to a method for stabilizing the output power of a solid-state laser with intracavity frequency multiplication, in which at least two components of the radiation emitted by the solid-state laser are measured and act on a constant value on at least one manipulated variable to regulate the output power of the solid-state laser. The invention further relates to a solid-state laser system with at least one laser diode, a resonator and an internal frequency-multiplying crystal.

Festkörperlaser werden verstärkt in der Technik und Wissenschaft angewendet, wobei insbesondere Laser gefragt sind, die Strahlung im sichtbaren Bereich abgeben. Dies wird insbesondere durch den Einsatz von Lasern erreicht, bei denen die Frequenz der Grundstrahlung durch eine resonatorinterne Frequenzverdoppelung oder Frequenzver- vielfachung von diodengepumpten Multimode-Festkörperlasern erhöht wird, wobei die Frequenz der Grundstrahlung im infraroten Bereich liegt. Beispielhaft sei hier der Nd-Solid-state lasers are increasingly being used in technology and science, with lasers that emit radiation in the visible range in particular being in demand. This is achieved in particular by using lasers in which the frequency of the fundamental radiation is increased by doubling or multiplying the frequency of diode-pumped multimode solid-state lasers within the resonator, the frequency of the fundamental radiation being in the infrared range. The Nd-

YAG-Laser erwähnt, der mit ' Hilfe einer resonatorinternenYAG laser mentioned, with 'the aid of an intracavity

Frequenzverdoppelung sichtbare grüne Strahlung mit 532nm Wellenlänge bei einer Grundstrahlung von 1064nm abgibt. Innerhalb des optischen Resonators wird dazu ein KTP- Kristall eingesetzt. Derartige frequenzverdoppelte oder -vervielfachte Festkörperlaser sind kompakt und haben eine große Effizienz. Ein Problem besteht jedoch nach wie vor darin, daß die Ausgangsleistung deutlich fluktuiert.Frequency doubling emits visible green radiation with 532nm wavelength with a basic radiation of 1064nm. For this purpose, a KTP crystal is used within the optical resonator. Such frequency doubled or multiplied solid-state lasers are compact and have great efficiency. However, there is still a problem that the output power fluctuates significantly.

Eine sehr einfache Lösung des Problems besteht darin, den frequenzvervielfachenden Kristall außerhalb des Resonators zu plazieren. Da die Wandlungseffizienz überlinear von der Lichtintensität abhängt, ist dies aber mit einer beträchtlichen Reduktion der Wandlungseffizienz verbunden und somit mit einer starken Reduktion der Laserausgangsleistung.A very simple solution to the problem is to place the frequency multiplying crystal outside the resonator. Since the conversion efficiency depends linearly on the light intensity, this is associated with a considerable reduction in the conversion efficiency and thus with a strong reduction in the laser output power.

Vorschläge zur Lösung dieses Problems sind beispielsweise aus US 5,197,073, DE 196 46 073 Cl und JP 08008480 A bekannt. Bei den hier beschriebenen Verfahren werden Stellgrößen, wie beispielsweise die Temperatur, verändert, so daß über vergleichsweise langsame Änderungen ein nahezu statischer Zustand erreicht wird, bei dem der Laser vergleichsweise stabil ist. Der Laser befindet sich dabei in einem Arbeitspunkt mit einer geringen Modenzahl.Proposals for solving this problem are known, for example, from US Pat. No. 5,197,073, DE 196 46 073 Cl and JP 08008480 A. In the methods described here, manipulated variables, such as the temperature, are changed so that an almost static state is achieved via comparatively slow changes, in which the laser is comparatively stable. The laser is in an operating point with a small number of modes.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus Roy et al . , Phys . Rev. Lett. 68 (9), 1992, Seite 1259 ff. bekannt. Diese Arbeit wird auch in der US-Patentschrift 5,442,510 erwähnt. Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren des OPF (Occasional proportional feedback) erfolgt eine Regelung von einer Stellgröße.A method of the type mentioned at the outset is known, for example, from Roy et al. , Phys. Rev. Lett. 68 (9), 1992, page 1259 ff. This work is also mentioned in U.S. Patent 5,442,510. In the OPF (Occasional Proportional Feedback) method proposed here, a control variable is regulated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders zuverlässiges Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers zu schaffen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Festkörperlasersystem zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The invention has for its object to provide a particularly reliable method for stabilizing the output power of a solid-state laser. Furthermore, the invention has for its object to provide a corresponding solid-state laser system. This object is achieved with the features of patent claim 1. In terms of the device, the object is achieved with the features of patent claim 11. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung werden zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlaser mit resonatorinterner Frequenzvervielfachung mindestens zwei Komponenten der von dem Festkörperlasers abgegebenen Strahlung gemessen und zum Regeln der Ausgangsleistung des Festkörperlasers auf mindestens zwei Stellgrößen gegeben, so daß durch Eingriff auf verschiedene Parameter das Verhalten der Regelung verbessert wird. Dabei ist die Regelbandbreite vergleichbar mit den charakteristischen Frequenzen der Fluktuation der Intensität des Festkörperlasers, insbesondere ist die Regelbandbreite in der gleichen Größenordnung wie die charakteristischen Frequenzen der Fluktuationen. Die Stellgrößen sind also insbesondere im Mikrosekundenbereich oder sogar im Submikrosekundenbereich regelbar. Dadurch wird eine dynamische Regelung des Festkörperlasers erreicht, die unmittelbar auf die Fluktuation der Intensität des Festkörperlasers reagieren kann. Bevorzugt können auch drei oder mehr Stellgrößen beeinflußt werden, so daß insgesamt eine besonders sichere Stabilisierung der Ausgangsleistung erreicht ward.According to the basic idea of the invention, at least two components of the radiation emitted by the solid-state laser are measured in order to stabilize the output power of a solid-state laser with resonator-internal frequency multiplication, and are given to regulate the output power of the solid-state laser to at least two manipulated variables, so that the behavior of the control is improved by intervention in various parameters becomes. The control bandwidth is comparable to the characteristic frequencies of the fluctuation in the intensity of the solid-state laser, in particular the control bandwidth is of the same order of magnitude as the characteristic frequencies of the fluctuations. The manipulated variables can therefore be regulated in particular in the microsecond range or even in the sub-microsecond range. This achieves dynamic regulation of the solid-state laser, which can react directly to the fluctuation in the intensity of the solid-state laser. Three or more manipulated variables can preferably also be influenced, so that overall a particularly reliable stabilization of the output power has been achieved.

Eine Stellgröße wird bevorzugt von der Pumpleistung einer Laserdiode, insbesondere von dem durch die Laserdiode fließenden Strom, gebildet. Als zweite Stellgröße wird bevorzugt die Pumpleistung einer zweiten Laserdiode, insbesondere der durch die Laserdiode fließende Strom, verwendet, wobei auch diese Laserdiode als Pumplaserdiode des Festkörperlasers dient. Die Laserdioden sind als Pumplaserdioden Bestandteil des Festkörperlasersystems. Alternativ oder zusätzlich kann als Stellgröße auch die Wandlungseffizienz von infrarot zu grün des frequenz- vervielfachenden Kristalls, insbesondere ein an den frequenzvervielfachenden Kristall angelegtes elektrisches Feld dienen. Durch das Anlegen einer Hochspannung an den frequenzvervielfachenden Kristall ändert sich die Stärke der Doppelbrechung dieses Kristalls, und es ergibt sich eine Änderung der Phasenverschiebung. Auch andere Stellgrößen oder Parameter, wie beispielsweise die Temperatur der Pumplaserdioden können verwendet werden. Die Beeinflussung der Temperatur ist hilfreich zur Unterstützung des Verfahrens, jedoch nicht integraler Bestandteil, da auf diese Weise keine dynamische Regelung, sondern nur eine vergleichsweise langsame Änderung des Arbeitspunktes erreicht werden kann.A manipulated variable is preferably formed by the pump power of a laser diode, in particular by the current flowing through the laser diode. The pump output of a second laser diode, in particular the current flowing through the laser diode, is preferably used as the second manipulated variable, this laser diode also being used as a pump laser diode the solid-state laser. The laser diodes are part of the solid-state laser system as pump laser diodes. As an alternative or in addition, the conversion efficiency from infrared to green of the frequency-multiplying crystal, in particular an electric field applied to the frequency-multiplying crystal, can also serve as a manipulated variable. Applying a high voltage to the frequency-multiplying crystal changes the birefringence strength of this crystal and changes the phase shift. Other manipulated variables or parameters, such as the temperature of the pump laser diodes, can also be used. Influencing the temperature is helpful to support the process, but not an integral part, since in this way no dynamic regulation, but only a comparatively slow change in the operating point can be achieved.

Als Meß- und Regelgröße wird bevorzugt bei der von dem Festkörperlasersystem abgegebenen Strahlung die jeweilige Intensität der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichtes gemessen. Alternativ oder zusätzlich ist es günstig, die Intensität des abgegebenen Strahls hoher Frequenz, im eingangs genannten Beispiel die Intensität des grünen Lichtes, zu messen. Auch hier sind andere alternative oder zusätzliche Meß- und Regelgrößen verwendbar, wie beispielsweise die Temperaturen einzelner Baukomponenten des Festkörperlasersystems. Die Beeinflussung der Temperatur ist hilfreich zur Unterstützung des Verfahrens, jedoch nicht integraler Bestandteil, da auf diese Weise keine dynamische Regelung, sondern nur eine vergleichsweise langsame Änderung des Arbeitspunktes erreicht werden kann. Zwischen den Meß- und Regelgrößen und den Stellgrößen besteht ein funktionaler Zusammenhang. In einfachen Fällen ist dieser linear, so daß die Meß- und Regelgrößen mit Gewichtungsfaktoren gewichtet werden, und die Stellgrößen dann entsprechend geändert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Meß- und Regelgrößen die beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichtes gemessen, und jede dieser Meß- und Regelgrößen wird auf jeweils eine von zwei Laserdioden als Stellgröße angewendet. Auch Mischgrößen sind möglich, so daß also jede der Meß- und Regelgrößen auf beide Laserdioden als Stellgrößen angewendet wird. Mathematisch wird dies mit einer 2x2 Matrix ausgedrückt. Die Regelung erfolgt dabei bevorzugt so, daß die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichtes ungefähr gleich groß sind oder werden, da bei dieser Konfiguration die Wandlungseffizienz von infrarot zu grün maximal ist.The respective intensity of the different polarization directions of the infrared light is preferably measured and measured in the radiation emitted by the solid-state laser system. Alternatively or additionally, it is favorable to measure the intensity of the emitted high-frequency beam, in the example mentioned at the beginning, the intensity of the green light. Here, too, other alternative or additional measurement and control variables can be used, such as the temperatures of individual structural components of the solid-state laser system. Influencing the temperature is helpful to support the process, but not an integral part, since in this way no dynamic regulation, but only a comparatively slow change in the operating point can be achieved. There is a functional connection between the measured and control variables and the manipulated variables. In simple cases, this is linear, so that the measured and control variables are weighted with weighting factors, and the manipulated variables are then changed accordingly. In a particularly preferred embodiment of the invention, the two different directions of polarization of the infrared light are measured and measured variables, and each of these measured and controlled variables is applied to one of two laser diodes as a manipulated variable. Mixed variables are also possible, so that each of the measurement and control variables is applied to both laser diodes as manipulated variables. Mathematically, this is expressed using a 2x2 matrix. The control is preferably carried out in such a way that the intensities of the different polarization directions of the infrared light are or become approximately the same size, since the conversion efficiency from infrared to green is maximum in this configuration.

Bei der Verwendung der beiden unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts als Meß- und Regelgröße erfolgt die Regelung in einer bevorzugten Ausführungsform so, daß die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts stabilisiert werden, ungeachtet der Modenkonfiguration. Das heißt, Multimodenbetrieb ist in einer oder beiden Polarisationsrichtungen möglich. Alternativ kann 'dies so erfolgen, daß die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisat.ionsrichtungen des infraroten Lichts stabilisiert werden, ohne das Ziel zu verfolgen, die Modenzahl oder die Anzahl der Polarisationsrichtungen zu reduzieren. Besonders bevorzugt ist es, die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts zu stabilisieren, mit dem Ziel, die aus der Literatur (beispielsweise J. Baer, J. Opt. Soc. Am. B3, 1175 (1986) und G.E. James, E.M. Harrel II, C. Bracikowski, K. Wiesenfeld, und R. Roy, Opt. Lett . 15, 1141 (1990)) bekannte Antiphasendynamik zwischen den Polarisationsrichtungen zu unterdrücken.When using the two different polarization directions of the infrared light as a measurement and control variable, the control is carried out in a preferred embodiment such that the intensities of the different polarization directions of the infrared light are stabilized, regardless of the mode configuration. This means that multimode operation is possible in one or both polarization directions. Alternatively, 'this can be done so that the intensities of the different Polarisat.ionsrichtungen be stabilized of the infrared light, without pursuing the goal to reduce the number of modes or the number of the polarization directions. It is particularly preferred to stabilize the intensities of the different polarization directions of the infrared light, with the aim that which is known from the literature (for example J. Baer, J. Opt. Soc. At the. B3, 1175 (1986) and GE James, EM Harrel II, C. Bracikowski, K. Wiesenfeld, and R. Roy, Opt. Lett. 15, 1141 (1990)) to suppress known anti-phase dynamics between the polarization directions.

Das erfindungsgemäße Festkörperlasersystem, das insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens dient, zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens zwei Laserdioden vorgesehen sind, die derart ausgerichtet sind, daß die Polarisationsrichtungen der von den Laserdioden ausgesandten Strahlung unterschiedlich sind. Dadurch ist eine besonders gute Beeinflussung des im Multimode arbeitenden Resonators möglich. Auf diese Weise läßt sich das Festkörperlasersystem in seiner Ausgangsleistung besonders gut stabilisieren.The solid-state laser system according to the invention, which is used in particular to carry out the method described above, is characterized in that at least two laser diodes are provided, which are aligned in such a way that the polarization directions of the radiation emitted by the laser diodes are different. This enables the resonator operating in multimode to be influenced particularly well. In this way, the output power of the solid-state laser system can be stabilized particularly well.

Bevorzugt sind die Laserdioden derart ausgerichtet, daß die Polarisationsrichtungen der von den Laserdioden ausgesandten Strahlung orthogonal zueinander sind. Zur Einkopplung der Strahlung der beiden Laserdioden ist bevorzugt ein Strahlteilerelement oder eine polarisations- erhaltende y-Faser vorgesehen. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist als weitere Stellgröße eine Einrichtung zur Erzeugung eines regelbaren elektrischen Feldes vorgesehen, die im Bereich des frequenzvervielfachenden Kristalls angeordnet ist, so daß das elektrische Feld im Bereich des frequenzvervielfachenden Kristalls erzeugt wird.The laser diodes are preferably aligned such that the polarization directions of the radiation emitted by the laser diodes are orthogonal to one another. A beam splitter element or a polarization-maintaining y-fiber is preferably provided for coupling in the radiation from the two laser diodes. In a preferred development of the invention, a device for generating a controllable electric field is provided as a further manipulated variable, which is arranged in the area of the frequency-multiplying crystal, so that the electric field is generated in the area of the frequency-multiplying crystal.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. In der schematischen Darstellung wird ein erfindungsgemäßes Festkörperlasersystem zur Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens dargestellt. In der Fig. 1 ist ein Festkörperlasersystem 1 mit einer ersten Laserdiode 10 und einer zweiten Laserdiode 11 dargestellt, die als Pumplaserdioden des Festkörperlasersystems 1 dienen. Mit Hilfe eines Strahlteilers 12 werden die Strahlungen der beiden Laserdioden 10 und 11 koaxial ausgerichtet und mit Hilfe einer Kollimierlinse 13 und einer Fokussierlinse 14 in einen Nd-YAG-Kristall 15 geleitet. Hinter diesem ist ein KTP-Kristall 16 und ein Auskoppelspiegel 17 angeordnet. Diese Komponenten 10 bis 17 bilden das eigentliche Festkörperlasersystem 1. Die Laserdioden 10 und 11 senden polarisierte Strahlung einer Wellenlänge von beispielsweise von 808nm aus, die in jedem Fall energetisch über der Grundfrequenz des Nd-YAG-Lasers 15 mit der entsprechenden Wellenlänge von 1064nm liegt. Die Laserdioden 10 und 11 sind so ausgerichtet, daß ihre Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander stehen, und ihre Strahlen werden über den Strahlteiler 12 und die Kollimierlinse 13 und die Fokussierlinse 14 in den Nd-YAG- Kristall 15 fokussiert. Die Laserdioden sind mit einem Peltierelement 21 bzw. einer Heiz- und Kühleinrichtung und einem Temperaturfühler 20 ausgestattet, mit denen die Temperatur gemessen und beeinflußt werden kann. Der Nd- YAG-Kristall 15, der eine zylindrische Form hat und im in der Figur linken Endbereich verspiegelt ist, bildet zusammen mit dem Auskoppelspiegel 17, der konkav ausgebildet ist, den eigentlichen Resonator des Lasersystems. Anstelle des ' Nd-YAG-Kristalls 15 kann auch ein anderer Kristall, beispielsweise ein Nd-YLF-Kristall verwendet werden. Der Nd-YAG-Kristall 15 weist einen Temperaturfühler 22 auf. Innerhalb des Resonators, also zwischen dem verspiegelten Ende des Nd-YAG-Kristalls 15 und dem Auskoppelspiegel 17 ist der frequenzvervielfachende Kristall, hier ein frequenzverdoppelnder KTP- Kristall 16, angeordnet, der einen Teil der Strahlung des Lasersystems auf die doppelte Frequenz umsetzt. Dies entspricht einer Verkürzung der Wellenlänge um die Hälfte, im vorliegenden Fall also von 1064nm auf 532nm. An dem Kristall ist ein Temperaturfühler 23 und eine Einrichtung 24, in der Art eines Kondensators, zum Anlegen eines elektrischen Feldes angeordnet. Hinter dem Auskoppelspiegel 17 sind drei Meßeinrichtungen 25, 26, und 27 angeordnet, wovon die Meßeinrichtung 25 die Intensität des abgegebenen grünen Lichtes, also des Lichtes mit der kurzen Wellenlänge von 532nm, und die Meßeinrichtungen 26 und 27 jeweils die Intensität des ausgekoppelten infraroten Lichtes in einer der beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen misst.The invention is explained in more detail below on the basis of a preferred exemplary embodiment shown in the drawing. The schematic illustration shows a solid-state laser system according to the invention for carrying out the method according to the invention. 1 shows a solid-state laser system 1 with a first laser diode 10 and a second laser diode 11, which serve as pump laser diodes of the solid-state laser system 1. The beams of the two laser diodes 10 and 11 are aligned coaxially with the aid of a beam splitter 12 and guided into an Nd-YAG crystal 15 with the aid of a collimating lens 13 and a focusing lens 14. A KTP crystal 16 and a coupling-out mirror 17 are arranged behind this. These components 10 to 17 form the actual solid-state laser system 1. The laser diodes 10 and 11 emit polarized radiation of a wavelength of, for example, 808 nm, which is in any case energetically above the fundamental frequency of the Nd-YAG laser 15 with the corresponding wavelength of 1064 nm. The laser diodes 10 and 11 are aligned so that their polarization directions are orthogonal to each other, and their beams are focused into the Nd-YAG crystal 15 via the beam splitter 12 and the collimating lens 13 and the focusing lens 14. The laser diodes are equipped with a Peltier element 21 or a heating and cooling device and a temperature sensor 20, with which the temperature can be measured and influenced. The Nd-YAG crystal 15, which has a cylindrical shape and is mirrored in the left end region in the figure, forms together with the coupling mirror 17, which is concave, the actual resonator of the laser system. Instead of the ' Nd-YAG crystal 15, another crystal, for example an Nd-YLF crystal, can also be used. The Nd-YAG crystal 15 has a temperature sensor 22. The frequency-multiplying crystal, here a frequency-doubling KTP crystal 16, is arranged within the resonator, that is to say between the mirrored end of the Nd-YAG crystal 15 and the coupling-out mirror 17, and converts part of the radiation from the laser system to twice the frequency. This corresponds to a shortening of the wavelength by half, in the present case from 1064nm to 532nm. A temperature sensor 23 and a device 24, in the form of a capacitor, for applying an electrical field are arranged on the crystal. Behind the decoupling mirror 17 are three measuring devices 25, 26 and 27, of which the measuring device 25 the intensity of the emitted green light, i.e. the light with the short wavelength of 532nm, and the measuring devices 26 and 27 each the intensity of the decoupled infrared light in one of the two orthogonal directions of polarization.

Durch die Anordnung des frequenzvervielfachenden Kristalls 16 innerhalb des Resonators läßt sich zwar eine hohe Ausgangsleistung des Festkörperlasersystems für die hochfrequente Strahlung erreichen, jedoch treten starke Fluktuationen in der Ausgangsleistung auf. Diese sind deterministischer Natur und können erfindungsgemäß kompensiert werden. Dazu werden einer Regeleinrichtung 30 verschiedene Regelgrößen zugeführt, die als πti bezeichnet werden können, wobei i = 1 bis n ganze Werte annimmt. Als Meßgrößen ± kommen insbesondere die vom Temperaturfühler 12 gemessene Temperatur des Nd-YAG-Kristalls, die vom Temperaturfühler 23 gemessene Temperatur des KTP- Kristalls, die vom Temperaturfühler 20 gemessene Temperatur der Laserdiode 10 und zudem die von einem weiteren Temperaturfühler gemessene Temperatur der Laserdiode 11 sowie die Intensitäten des Laserlichtes, die von den Meßeinrichtungen 25, 26 und 27 gemessen werden, in Betracht. Auf diese Meßwerte mi bis mn werden Funktionen Fj (mi, ... , mn) angewendet, wobei j von 1 bis 0 (o > 1) ganze Werte annehmen kann. Die Funktionen Fj wirken auf Pj-Parameter. Entscheidend ist also, daß die Meßgröße auf mehrere, mindestens zwei Parameter oder Stellgrößen wirkt. Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies: p-, = F-, (mi, ... , m0) . Als Parameter kommen insbesondere der durch die Laserdioden 10, 11 fließende Strom oder auch die mit der Heizeinrichtung 21 veränderbare Temperatur der Laserdioden 10, 11 in Betracht. Weiterhin besteht die Möglichkeit, mit Hilfe der Einrichtung 24 das an den KTP-Kristall 16 angelegte elektrische Feld zu beeinflussen, um auf diese Weise dessen doppelbrechende Eigenschaften und damit die Phasenverschiebung beeinflussen zu können.By arranging the frequency-multiplying crystal 16 within the resonator, a high output power of the solid-state laser system for the high-frequency radiation can be achieved, but there are strong fluctuations in the output power. These are deterministic in nature and can be compensated for according to the invention. For this purpose, 30 control variables are supplied to a control device, which can be referred to as πti, where i = 1 to n assumes whole values. The measured variables ± include in particular the temperature of the Nd-YAG crystal measured by the temperature sensor 12, the temperature of the KTP crystal measured by the temperature sensor 23, the temperature of the laser diode 10 measured by the temperature sensor 20 and also the temperature of the laser diode 11 measured by a further temperature sensor as well as the intensities of the laser light measured by the measuring devices 25, 26 and 27. Functions Fj (mi, ..., m n ) are applied to these measured values mi to m n , where j can assume whole values from 1 to 0 ( o > 1). The functions F j act on Pj parameters. It is therefore crucial that the measured variable acts on several, at least two parameters or manipulated variables. Expressed mathematically, this means: p-, = F-, (mi, ..., m 0 ). In particular, the current flowing through the laser diodes 10, 11 or the temperature of the laser diodes 10, 11 which can be changed with the heating device 21 are considered as parameters. Furthermore, it is possible to use the device 24 to influence the electric field applied to the KTP crystal 16 in order to be able to influence its birefringent properties and thus the phase shift.

Die Meßwerte werden zunächst als Abweichung zu einem Sollwert bestimmt und daraus eine Änderung des Parameters um einen Vorgabewert herum (Δp-, = p-, - p^o) bestimmt. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Damit ergibt sich Am! = m - m1/0 und somit Δp-, = F-, (Δmi, ... , Δm0) .The measured values are initially determined as a deviation from a nominal value and from this a change in the parameter around a preset value (Δp-, = p-, - p ^ o ) is determined. However, this is not absolutely necessary. This results in Am ! = m - m 1/0 and thus Δp-, = F-, (Δmi, ..., Δm 0 ).

Es ist hilfreich, die Funktionen F-, (mi, ... , mn) durch eine Polynomapproximation darzustellen. In vielen Fällen kann nach dem linearen Glied abgebrochen werden. Damit läßt sich F-j als zweidimensionale Matrix von Koeffizienten (o x j) auffassen. Die Koeffizienten lassen sich durch unterschiedliche aus der Literatur bekannte Optimierungsalgorithmen bestimmen, bei denen die Fluktuationen der Laserausgangsleistung minimiert werden. Als Optimierungsalgorithmen kommen beispielsweise die Gradientenmethode, simulated Anealing, beispielsweise beschrieben in W.H. Press et al., „Numerical Recipes in C", Cambridge University Press 1992 beschrieben wird. Weiterhin ist eine Optimierung mit Hilfe genetischer Algorithmen oder neuronaler Netze möglich. Der Optimierungsprozeß läßt sich vor dem eigentlichen Einsatz des Lasers oder aber auch dynamisch während des Betriebs des Lasers durchführen. Die Optimierung während des Lasereinsatzes hat den entscheidenden Vorteil, daß auch driftende Systemeigenschaften korrigiert werden können. It is helpful to represent the functions F-, (mi, ..., m n ) by a polynomial approximation. In many cases it can be broken off after the linear link. F- j can thus be understood as a two-dimensional matrix of coefficients (oxj). The coefficients can be determined by various optimization algorithms known from the literature, in which the fluctuations in the laser output power are minimized. Optimization algorithms include, for example, the gradient method, simulated anealing, described for example in WH Press et al., "Numerical Recipes in C", Cambridge University Press 1992. Optimization with the aid of genetic algorithms or neural networks is also possible. The optimization process can be carried out before the actual use of the laser or dynamically during the operation of the laser The optimization during laser use has the decisive advantage that also drifting system properties can be corrected.

Claims

Patentansprüche Patent claims 1. Verfahren zur Stabilisierung der Ausgangsleistung eines Festkörperlasers mit resonatorinterner Frequenzvervielfachung, bei dem mindestens zwei Komponenten der von dem Festkörperlaser abgegebenen Strahlung gemessen und zum Regeln der Ausgangsleistung des Festkörperlasers auf einen konstanten Wert auf mindestens eine Stellgröße wirken, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zum Regeln der Ausgangsleistung des Festkörperlasers mindestens eine zweite Stellgröße beeinflußt wird und daß die Regelbandbreite vergleichbar mit den charakteristischen Frequenzen der Fluktuation der Intensität des Festkörperlasers ist.1. Method for stabilizing the output power of a solid-state laser with frequency multiplication internal to the resonator, in which at least two components of the radiation emitted by the solid-state laser are measured and act on at least one manipulated variable to regulate the output power of the solid-state laser to a constant value, so that the output power of the Solid-state laser at least a second manipulated variable is influenced and that the control bandwidth is comparable to the characteristic frequencies of the fluctuation of the intensity of the solid-state laser. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei oder mehr Stellgrößen beeinflußt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that three or more manipulated variables are influenced. 3^ Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellgröße von der Pumpleistung einer Laserdiode, insbesondere von dem durch die Laserdiode fließenden Strom, gebildet wird.3^ Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that a manipulated variable is formed by the pump power of a laser diode, in particular by the current flowing through the laser diode. 4^ Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stellgröße von der Pumpleistung einer zweiten Laserdiode, insbesondere dem durch die Laserdiode fließendem Strom, gebildet wird.4^ Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second manipulated variable is formed by the pump power of a second laser diode, in particular the current flowing through the laser diode. 5^ Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stellgröße von dem frequenzvervielfachenden Kristall, insbesondere einem an den frequenzvervielfachenden Kristall angelegten elektrischen Feld, gebildet wird. 5^ Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second manipulated variable is formed by the frequency-multiplying crystal, in particular an electric field applied to the frequency-multiplying crystal. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meß- und Regelgrößen bei der von dem Festkörperlaser abgegebenen Strahlung die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts gemessen werden.6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the intensities of the different polarization directions of the infrared light are measured as measurement and control variables for the radiation emitted by the solid-state laser. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meß- und Regelgrößen bei der von dem Festkörperlaser abgegebenen Strahlung die Intensität des abgegebenen frequenzvervielfachten Lichts gemessen wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the intensity of the frequency-multiplied light emitted is measured as measurement and control variables for the radiation emitted by the solid-state laser. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Regelgrößen mit einem funktionalen Zusammenhang auf die Stellgrößen einwirken.8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measured and controlled variables act on the manipulated variables with a functional relationship. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meß- und Regelgrößen die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts gemessen werden und jede dieser Meß- und Regelgrößen auf die Pumpleistungen von zwei Laserdioden als Stellgrößen wirken.9. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the different polarization directions of the infrared light are measured as measured and controlled variables and each of these measured and controlled variables act as manipulated variables on the pump powers of two laser diodes. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung so erfolgt, daß die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts ungefähr gleich groß sind.10. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the control is carried out in such a way that the intensities of the different polarization directions of the infrared light are approximately the same size. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung so erfolgt, daß die Intensitäten der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen des infraroten Lichts stabilisiert werden. 11. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the control is carried out in such a way that the intensities of the different polarization directions of the infrared light are stabilized. 12. Festkörperlasersystem mit mindestens einer Laserdiode, einem Resonator und einem resonatorinternen frequenzvervielfachenden Kristall (16), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens zwei Laserdioden (10, 11) vorgesehen sind, die derart ausgerichtet sind, daß die Polarisationsrichtungen der von den Laserdioden (10, 11) ausgesandten Strahlung unterschiedlich sind.12. Solid-state laser system with at least one laser diode, a resonator and an internal resonator frequency-multiplying crystal (16), in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, so that at least two laser diodes (10, 11) are provided, which are aligned in such a way that the polarization directions of the radiation emitted by the laser diodes (10, 11) are different. 13. Festkörperlasersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdioden (10, 11) derart ausgerichtet sind, daß die Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander sind.13. Solid-state laser system according to claim 12, characterized in that the laser diodes (10, 11) are aligned such that the polarization directions are orthogonal to one another. 1 . Festkörperlasersystem nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteilerelement (12) zur Einkopplung der Strahlen der beiden Laserdioden (10, 11) in den Resonator vorgesehen ist.1 . Solid-state laser system according to one of claims 12 or 13, characterized in that a beam splitter element (12) is provided for coupling the beams from the two laser diodes (10, 11) into the resonator. 15. Festkörperlasersystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des frequenzvervielfachenden Kristalls (16) eine Einrichtung (24) zur Erzeugung eines regelbaren elektrischen Feldes vorgesehen ist. 15. Solid-state laser system according to one of claims 12 to 14, characterized in that a device (24) for generating a controllable electric field is provided in the area of the frequency-multiplying crystal (16).
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