用于调制激光脉冲的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于借助电光调制器来调制激光脉冲的装置和方法，所述电光调制器通过脉冲的调制电压运行。

背景技术：

这种类型的装置和相应的方法主要工业应用在借助激光辐射进行材料加工的领域中，例如工业应用在印制工业中的剥离或调制过程的范围中、工业应用在对薄膜穿孔或其他工艺中。但是也不同地应用在测量技术和理论研究中。在此，通过激光器提供脉冲式的激光束，所述激光束的各个脉冲必须根据相应应用的要求来进行调制。

根据对于何种应用使用激光器，则可能要求必须改变一个或多个激光脉冲的强度。也可以仅应将特定的激光脉冲从系统中转出。对此已知的是：由激光器提供的激光脉冲根据相应的应用通过设置在激光器的射束路径中的调制器来调制或处理。

通常，将电光调制器、例如普克尔盒设置为调制器，所述电光调制器在输入端侧加载调制电压，并且在输出端侧能够实现对激光脉冲的相位、极性或强度进行光学调制。

为了能够根据相应的调制预设值有针对性地调制各个或多个激光脉冲而需要：调制电压也被脉冲化。调制电压此外通常位于相对高的、大多甚至处于高压范围(HV)中的电压水平，由此尤其在产生调制电压的极其短的调制脉冲时可能产生问题。因为调制电压通常作为连续电压由高压源提供，并且通过操作连接在下游的高压开关根据调制预设值来转变成脉冲电压。

然而，在这种已知的装置中成问题的是：所述装置尤其在开关时间短的情况下具有整体上耗费的结构，并且由于高压开关的结构条件也不能够任意地减少开关时间。

这尤其在超短激光系统、例如具有高的重复速率的飞秒激光器中调制激光脉冲时证实为是不利的。对此的理由是：高压开关由系统所决定需要一定的开关时间，以便将电压从第一电压水平切换到第二电压水平。也称为上升时间的该开关时间在超短脉冲激光系统中因此通常大于各个激光脉冲之间的间歇时间。由于上升时间持续过长，因此可能造成各个或多个激光脉冲的错误调制，这例如在材料加工中会导致对加工结果的不希望的损害。在加工过程期间，脉冲精确地调节每个激光脉冲也是不可能的。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是：提供一种装置还有一种方法，借助所述装置和方法能够以简单的方式即使在超短脉冲激光系统中也将激光脉冲很少出错地进行调制。

所述目的在开始提出类型的装置中通过连接在调制器上游的电压变换器来实现，所述电压变换器将位于输出电压水平的经脉冲化调制的开关电压变换成相对于输出电压水平提高的调制电压。

在这种装置中，首先可以根据希望的调制预设值产生位于相对低的输出电压水平的开关电压，并且随后通过电压变换器在保持在输出电压水平产生的脉冲序列的情况下变换成相对于输出电压水平提高的调制电压。开关电压能够以简单的方式且以较短的开关时间切换到输出电压水平。因为开关电压的脉冲序列也在其通过电压变换器进行变换之后得以保持，所以在调制电压的较高的电压水平得到短的上升时间。也将超短脉冲激光系统中的错误调制危险以简单地方式显著地降低。

根据一个有利的设计方案，电压变换器构成为变压器。通过构成为变压器，能够以简单的方式和方法实现电压变换器。在该变压器中，将初级侧和次级侧的回路彼此电分离，这尤其在安全方面是有利的。尤其优选的是，变压器可具有变压器芯，由此能够实现更高的效率。替选地，电压变换器例如也能够构成为升压变换器。

有利地，将脉冲发生器、尤其进行调制的脉冲发生器连接在电压变换器上游。通过将脉冲发生器连接在电压变换器上游，已经可以在输出电压水平产生脉冲式的开关电压，所述输出电压水平优选处于低压范围中。低压组件的使用实现了装置的低成本结构。

尤其有利的是如下设计方案，其中，脉冲发生器构成为开关、尤其构成为半导体开关。尤其优选的是，开关构成为晶体管。通过使用半导体开关或晶体管能够以简单的方式和方法实现快速的开关，所述开关能够在没有机械运动的情况下开关电压。机械的磨损作用和由此产生的装置变差因此能够得以避免。半导体开关或晶体管具有短的上升时间，使得对于精确调制所需的快速开关是可能的。可行的晶体管设计方案例如可以是双极晶体管或场效应晶体管。然而尤其优选使用MOSFET作为脉冲发生器。

在本文中还有利的是：脉冲发生器构成为半导体半桥或半导体全桥。尤其优选的是，半导体半桥或半导体全桥可构成为晶体管半桥或晶体管全桥。这种半桥或全桥的特点在于：在切换期间仅出现较小的开关损耗，由此得到有利的效率。此外，能够实现短的上升或切换时间。

另一有利的设计方案提出：将低压源连接在脉冲发生器上游。通过对脉冲发生器馈送低压得到如下优点：可以使用低压组件。由此，相对于现有技术中大多使用的高压组件能够实现安全优点，这是因为然而例如也能够减小飞弧危险还有电磁损害。有利地，低压源具有10V至1000V之间的电压，尤其有利地为10V至250V之间的电压，然而尤其优选大致100V的电压。

在本发明的另一设计方案中提出：脉冲发生器能够通过由控制单元产生的控制电压操控。通过经由控制电压来操控脉冲发生器，能够根据例如通过材料加工工艺的类型预设的调制预设值、例如经由预设的比特流来调制优选位于低压范围中的开关电压。因此，经由控制电压能够根据相应的应用的调制预设值例如在材料加工中产生脉冲式的开关电压，并且随后在保持该调制的情况下经由电压变换器变换到调制电压的所需要的电压水平。经由控制电压尤其能够调节开关电压的幅度和脉冲持续时间。

根据本发明的另一有利的设计方案，最大调制电压处于800V至10kV之间的范围中。大多电光调制器和尤其普克尔盒能够可靠地在该范围中运行。优选地，最大的调制电压位于800V至5kV之间的范围中、尤其优选位于800V至3kV之间的范围中。

另一有利的设计方案设有激光器，所述激光器提供脉冲式的激光束，所述激光束引导通过电光调制器。有利地，激光器的脉冲和调制电压的脉冲相互协调。为了能够实现脉冲精确的调制，在本文中尤其有利的是：将在激光器中用于产生脉冲激光束的激光器信号与控制单元的控制信号平衡，以便获得激光脉冲的希望的调制。

尤其有利的是如下设计方案，其中，调制电压的上升时间小于两个激光脉冲之间的间歇时间的一半。由此能够显著地降低可能的错误调制危险，因为所述间歇会容易用于开关过程。有利地，调制电压的上升时间小于两个激光脉冲之间的间歇时间的四分之一，然而尤其优选小于两个激光脉冲之间的间歇时间的八分之一。

在结构方面有利的因为整体上极其安装友好的设计方案提出：将脉冲发生器、电压变换器和控制单元尤其在空间上组合成一个模块。也可以考虑在功能上组合成一个模块。该模块能够在装置之内形成自身闭合的结构和/或功能单元。通过将各个部件组合成一个模块，可降低安装耗费。此外，模块例如可设置在壳体中，由此能够保护各个部件免受环境影响或损坏。有利地，包括脉冲发生器、电压变换器和控制单元的模块可通过高压线路与电光模块连接，所述电光模块不必是模块的必要部分。

一个替选的设计方案提出：脉冲发生器和控制单元组合为第一模块并且电光调制器组合为第二模块。在此，两个模块能够通过低压线路彼此连接，由此得到如下优点：通过在两个模块之间传递低压而存在较小的安全风险以及损耗。

根据另一替选的设计方案，将脉冲发生器、电压变换器和电光调制器组合成一个模块。在这种结构中，仅将控制单元与模块绝缘地设置，因此仅须在模块和控制单元之间设置一条信号线路。由此在安全方面以及在电池兼容性(EMV)方面得到另外的优点。

该装置的另一有利的设计方案提出：脉冲发生器和/或电压变换器能够借助于冷却体、尤其借助于液体冷却的陶瓷载体来冷却。通过冷却脉冲发生器和/或电压变换器，例如能够导出通过损耗和再充电电流产生的损耗热量，从而不造成各部件的过热进而失效。有利地，能够将为激光器所设置的激光器冷却装置顺带用于冷却脉冲发生器和/或电压变换器，由此得到更简单且成本较低的结构。

有利地，冷却体包围脉冲发生器和/或电压变换器。通过这种设计方案能够确保：热量大面积地且沿多个方向导出。

替选地或附加地，冷却体也能够构成为液体穿流的板。这尤其当脉冲发生器具有晶体管时是有利的。所述晶体管优选能够平放地安装在冷却板上，使得已经在仅一个方向上能够实现良好的散热。

此外，为了实现之前提出的目的，在开始提出类型的方法中提出：连接在调制器上游的电压变换器将位于输出电压水平的脉冲式的开关电压变换成相对于输出电压水平提高的调制电压。

在此，得到已经结合装置所阐述的优点。

在本文中还有利的是：为了执行该方法使用具有之前描述的特征的装置，其中，装置的特性能够单独地或组合地应用。

根据方法的一个有利的改进形式提出：通过改变开关电压的幅度来调整调制电压的幅度。通过改变优选处于低压范围中的开关电压的幅度能够实现开关电压的脉冲到脉冲的精确变化，由此能够实现优选位于高压范围中的调制电压的脉冲到脉冲的精确变化。由此得到更精确调制激光脉冲的优点。

根据方法的另一设计方案，将用于产生脉冲式的激光束的激光器信号与用于控制控制单元的控制信号同步，使得对激光脉冲的脉冲精确的调制能够通过调制电压来实现。

有利地，借助电光调制器产生脉冲精确的激光脉冲调制序列，由此能够精确地加工、测量等。

附图说明

根据本发明的装置以及还有根据本发明的方法的其他优点和细节接下来参考所附的、部分极度示意化的实施例附图来阐述。其中示出：

图1首先示出根据现有技术的装置的方框视图，

图2示出根据现有技术的在激光脉冲、调制电压和控制电压之间的关联的示意图，

图3示出根据本发明的装置的对应于图1中视图的视图，

图4示出根据本发明的装置的激光脉冲、调制电压和控制电压的对应于图2中视图的视图，

图5示出脉冲发生器的视图，

图6示出根据本发明的装置的不同的实施方案，

图7示出具有冷却体第一实施方案的高压变换器的视图，

图8示出具有冷却体第二实施方案的脉冲发生器的视图。

具体实施方式

首先，在随后借助图3至8中的视图探讨根据本发明的装置100的细节之前，应借助图1和2中的视图探讨从现有技术中已知的装置100和与其关联的缺点。

图1示出装置100的从现有技术中已知的结构，所述装置具有激光器1和连接在激光器1下游的电光调制器4，所述电光调制器应根据特定的调制预设值来调制由激光器1产生的脉冲式的激光束2。这种装置100通常应用在材料加工中、但是也应用在测量技术中或原理研究中。因此在这里必须根据应用的相应要求来调制以脉冲方式提供的激光束2，其中通常需要有针对性地调制各个脉冲3。

根据应针对何种应用使用脉冲式的激光束2而需要：调制激光脉冲3的强度和/或将各个激光脉冲3从激光束2中转出。对于该调制已知的是：设有电光调制器4、例如普克尔盒。借助该调制器4可以调制激光脉冲3的极性、相位和强度。

如这同样可从图1的视图中得出，已知的装置100中的电光调制器4以高压运行，尤其以调制电压5运行。在此，调制电压5也被脉冲化，这在现有技术中经由高压开关6实现。高压开关6在输入端侧连接到高压源7上，所述高压源能够产生1000V和更高的连续电压。

然而在图1中示出的装置100的缺点是：由于在高压开关6中因系统所决定而相对长的上升时间，那么通过使用这样的高压开关6不可能快速进行开关。更确切地说，将这种高压开关6限制于通常1MHz的开关频率上。

如这在图2中示出，因此尤其在对短脉冲式的激光束2进行调制时通常出现问题。因为调制电压5的上升时间A在这种情况下通常大于两个激光脉冲3之间的间歇时间P。上升时间A在此是如下时间，调制电压5从第一电压值、在此为0V上升到第二电压值、在此为5kV，对此尤其参见图2a)和2b)。

虽然为了也能够直接开关而可以精确地通过控制电压10(参见图2c)操控高压开关6，然而开关6由于结构条件而过于迟缓。因此，在达到所需要的高压调制电压5之前，上升时间A在高压开关6的范围中大于25ns是完全常见的。因此会造成错误调制，在错误调制时，根据图2d)中的视图，不希望地改变或完全截去一些激光脉冲3的强度。这会负面地影响例如材料处理中的工件的加工过程。

在使用超短脉冲激光系统、例如飞秒激光器的情况下，这证实为是尤其成问题的。因为在那里，由激光器1产生非常高重复的激光器2，所述激光器具有直至100MHz和更高的脉冲频率。借助已知的系统能够仅非常不令人满意地调制这种激光束2。为了获得良好的结果而需要提供大于1MHz的开关频率。附加地，对于每个单独的激光脉冲3也寻求脉冲精确地改变调制电压5，这借助已知的高压开关6无法实现。

在图3至8中示出并且在下面应详细阐述根据本发明的装置100，所述装置借助简单的手段解决所述问题。

在根据本发明的装置100中，同样在激光器1的光路中存在调制器4，所述调制器应调制激光脉冲3。然而，与图1中示出的装置100不同，将电压变换器12连接在调制器4上游，所述电压变换器将位于输出电压水平的脉冲式的开关电压13变换成相对于输出电压水平提高的调制电压5。

在该实施例中，开关电压13的输出电压水平处于低压范围中，并且调制电压5的电压水平处于高压范围中。为了将电压水平进行术语分开，下面，使用表述“低压开关电压(LV开关电压)”以及“高压调制电压(HV调制电压)”。然而需要指出的是：根据本发明，如下设计方案也是可行的，在这些设计方案中，调制电压5同样处于低压范围中，但是相对于开关电压13却显著地提高。

通过连接在调制器4上游的电压变换器12，可以在低压范围中就已经根据调制预设值来产生脉冲式的LV开关电压13，所述LV开关电压随后借助于高压变换器12在保持脉冲序列的情况下变换成HV调制电压5，所述电压变换器将处于低压范围中的开关电压13变换成提高的、优选处于高压范围中的调制电压5。

电压变换器12在该实施例中构成为变压器，所述变压器构成为高压变换器，所述变压器为了改进其物理特性和为了提高效率而具有铁氧体磁芯20。也可行的是：变压器12构成为印刷电路板变压器，其中，绕组构成为印刷电路板。在初级侧将LV开关电压13施加到变压器12上，其中，借助于变压器12随后根据预先限定的绕组比例将LV开关电压13在次级侧变换成HV调制电压5。随后用该HV调制电压加载调制器4。

如这已经针对现有技术阐述的那样，调制器4必须加载脉冲式的HV调制电压5，所述HV调制电压匹配于激光束2的脉冲序列。根据本发明，在低压范围中产生该脉冲。对此，设有脉冲发生器6，所述脉冲发生器将由低压源11连续提供的低压根据调制预设值来脉冲化。

低压源11连接在脉冲发生器6上游并且提供10V至1000V范围中的、然而尤其优选100V的电压。通过在变压器12的初级侧上使用低压，可以使用低压组件。所述低压组件大多为标准组件，所述标准组件大量提供进而能够简单地制成。飞弧危险以及与应用高压组件关联的电磁负载显著更小。然而该组件的最大优点在于：得到极其短的上升时间A。

脉冲发生器6构成为开关，所述开关根据调制预设值能够接通和切断由低压源11产生的低压。在当前的实施例中，开关元件构成为包括各个半导体组件14(如晶体管)的半导体或晶体管级联装置或包括多个并联的半导体组件14的半导体或晶体管级联装置，并且连接为晶体管半桥。图5示出这种晶体管半桥作为脉冲发生器5的示意图。然而替选地，也可以使用晶体管全桥。

晶体管14和尤其MOSFET的使用提供了短的上升时间A的优点，使得可以在低压范围中快速地开关。因此，即使在使用超短脉冲激光系统的情况下也可以精确地脉冲到脉冲地调制激光脉冲3。通过使用晶体管半桥或全桥，在第一和第二电压之间进行切换期间出现较小的开关损耗。通过高的再充电电流产生的热量损耗保持得小。

如这同样可从图5中得出：由两个晶体管14构成的晶体管级联装置在初级侧与变压器12连接，所述变压器将脉冲式的LV开关电压13在次级侧变换成HV调制电压5。

为了使脉冲发生器6能够产生脉冲式的LV开关电压13而需要：对所述脉冲发生器根据调制预设值加载控制电压10，参见图3。控制电压10也因此根据调制预设值来脉冲化。

通过控制单元8提供控制电压10。控制单元8例如能够与计算机等连接，从所述计算机出发将控制信号9发送给控制单元8，所述控制信号可以是预设的比特流。控制信号9为原本的调制预设值，也由控制电压10、开关电压13至调制电压5保持所述调制预设值。控制电压10借助于控制信号来调制并且作为开关预设值输送给脉冲发生器6，使得LV开关电压13根据调制预设值被脉冲化。通过使用LV脉冲发生器6得到如下优点：与例如在现有技术中的高压开关的情况下相比，控制电压10可以位于显著较低的电压水平。因此，得到简单的且低成本的结构。

下面，现在应根据图4中的视图详细阐述根据本发明的装置100的所得到的优点。通过使用低压组件，相对于现有技术显著缩短HV调制电压5的上升时间A。因此，能够实现小于两个脉冲3之间的间歇时间P的一半的上升时间A。为了能够精确地调制超短脉冲激光系统的激光脉冲3，小于P/2的上升时间A是有利的，然而尤其有利的是：该上升时间小于P/4并且尤其小于P/8。在图4b)中示出根据本发明的装置100的HV调制电压5的相应视图。

因为HV调制电压5的上升时间A小于两个激光脉冲3之间的间歇时间P，所以预防错误调制。因为可以以一定的安全性或公差在时间上更长的间歇时间P之内禁止开关过程。结果不再造成不希望地截断一些激光脉冲3或不再造成不希望地改变激光脉冲3的强度。可靠地预防错误调制。因此例如可以产生精确的灰度比特图。

如果控制电压10的幅度进而还有LV开关电压13的幅度改变，那么这也在HV调制电压5中延续。如这可从图4b)的视图中得出：HV调制电压5例如能够从5kV的电压值降低到3kV或2kV，这于是又引起降低激光脉冲3的强度，如这在图4d)中示出。

还有利的是：激光器信号22与控制信号9或与控制电压10同步，所述激光器信号被激光器1用于产生脉冲式的激光束2。因此可以以简单的方式和方法在激光脉冲3和用作调制预设值的控制信号9之间进行时间上的相均衡。不需要各个相位的耗费的变化。

现在应根据图6a)-6c)中的视图阐述装置100的各个元件的可行的模块构建方式，其中，下面应将术语“模块”理解为空间上的和/或功能上的单元。

图6a示出如下装置，在该装置中，高压变换器12、脉冲发生器6和控制单元8组合成一个模块15。模块15通过高压线路17与激光器1连接，也将调制器4设置在所述激光器上。激光器1和调制器4同样形成共同的模块16。

在图6b)中示出如下实施方案，其中，脉冲发生器6和控制单元8组合成一个模块15。相反，高压变换器12设置在调制器4上，由此得到高压模块16。因为高压变换首先在模块16中发生，所以模块15可以通过低压线路18与模块16连接，因此在此降低用于布线的耗费。得到适宜地分配到LV模块15和HV模块16中。

图6c)示出第三实施方案，其中，同样设有LV模块15和HV模块16。脉冲发生器6、高压变换器12还有电光调制器4位于模块16中。因此仅需要将控制单元8通过信号线路19与模块16连接，这进一步简化装置和尤其其布线的构建，所述控制单元设置在模块15中。

通过将各个或多个部件设置在调制器4或激光器1上，简化各个模块15、16之间的线路要求。因此，可以弃用图6a)中示出的高压线路17或甚至弃用图6b)中示出的低压线路18。从高压线路17到低压线路18已经是非常有利，因为能够降低飞弧的危险、但也降低对这种装置100的安全性的要求。通过从低压线路18到信号线路19的步骤，进一步简化并且成本较低地构成装置100。由此也显著进一步降低EMV损害。

因为由于在脉冲发生时、但是也在对LV开关电压13进行变换时的高的再充电电流而形成损耗热量，所以需要冷却脉冲发生器6和/或高压变换器12。对此，根据图7和8中的视图设有冷却体21和尤其液体冷却的陶瓷冷却体。陶瓷是有优势的，因为所述陶瓷不损害装置的电学特性。例如铝亚硝酸盐陶瓷证实为是有利的材料。

如这可从图7的视图中得出：第一实施方案提出：变压器12位于轭梁形的冷却体21的内部中。在变压器12的内部中，设置有所述铁氧体磁芯20。如从图7中的视图还能够得出：冷却体21具有开口23，所述开口能够实现水穿流经过冷却体21。通过使冷却体21完全地围绕变压器12，能够实现沿多个方向大面积地散热。因此不造成器件的过热进而也不造成装置100的失效。

图8示出冷却体21的替选的实施方案，其中，将变压器14设置在同样液体冷却的陶瓷板21上，所述变压器用作为脉冲发生器6。如该视图示出：变压器14面状地靠置在陶瓷板21上，使得能够冷却变压器14的大的面积。在此，也将开口23用于供应水和导出水。通过这种设计方案能够向下进行散热。

如果在激光器1上或在调制器4上已经设有冷却系统，那么所述冷却系统也能够用于冷却高压变换器12或脉冲发生器6。由此，形成简单的成本低的结构。

上面描述的装置100还有相应的方法的特征在于：能够在低压范围中产生位于输出电压水平的脉冲式的开关电压13，所述开关电压随后通过电压变换器12能够变换成相对于输出电压水平提高的所需要的调制电压5，使得根据调制预设值能够调制激光脉冲3。

附图标记列表

1 激光器

2 激光束

3 激光脉冲

4 电光调制器

5 调制电压

6 脉冲发生器

7 高压源

8 控制单元

9 控制信号

10 控制电压

11 低压源

12 电压变换器

13 开关电压

14 半导体组件

15 模块

16 模块

17 高压线路

18 低压线路

19 信号线路

20 铁氧体磁芯

21 冷却体

22 激光器信号

23 开口

100 装置

P 间歇时间

A 上升时间