借助功率效率与温度相关的光学元器件产生输出激光脉冲的方法和激光系统以及相关的计算机程序产品与流程

本发明涉及一种用于由分别具有先前已知的脉冲能量和脉冲间隔的输入激光脉冲产生输出激光脉冲的方法，这些输入激光脉冲在时间上相继穿过功率效率与温度相关的光学元器件，于此同时使光学元器件变热，并且作为输出激光脉冲从光学元器件出射，并且本发明还涉及一种适于执行此方法的激光系统以及一种相关联的控制程序产品。

背景技术：

1、在功率效率与温度相关的激光系统(例如具有频率转换、热透镜等的激光系统)中，激光脉冲功率可能是与温度相关的，并且由于温度决定的特性，峰值脉冲功率、脉冲能量、脉冲持续时间或脉冲品质的波动可能在非常高的功率下发生。

2、为了在频率转换期间获得恒定的效率，在us 6,697,390 b2中，在非线性转换晶体处测量温度，并且通过将转换晶体保持在恒定温度水平的变热/变冷来实现恒定效率。此外，调适泵浦功率以便补偿非线性晶体中的退化。

3、以任意外部单脉冲触发的、经频率转换的(特别是脉冲化的)激光辐射(所谓的pod(按需脉冲)激光脉冲)在激光系统中产生非恒定的、不可预见的热负载和单脉冲能量的波动(例如，由于相位失配或射束大小改变)。在与典型处理过程相关的时间尺度上，这些波动无法通过调节来充分纠正以便获得典型地小于1％至2％均方根的脉冲间稳定性。

4、在输出参数中(要产生的光学频率的转换效率和激光脉冲能量(相位匹配))，具有非线性频率转换的激光系统特别敏感地对射束大小和射束品质以及输入侧上的基本激光辐射的相位匹配做出反应。如果激光系统脱离其热平衡(负载改变)，那么这些参数会出现非瞬时改变，如在任意外部单脉冲触发的情况下就是如此。pod激光脉冲固有地需要非常快速的动态负载改变，这些改变通常是激光器制造商无法预见的。对于窄规格的脉冲间稳定性(例如1％至2％均方根)，这可能会造成问题，尤其是因为调节(regelung)既而对于一般情况来说太慢。在所请求的脉冲的脉冲间隔在微秒范围内的激光系统的情况下，这些波动不再能够通过温度调节来补偿，因为典型地只可以在毫秒/秒范围内确保热补偿。

5、脉冲持续时间在飞秒或皮秒范围内的已知短脉冲激光系统在恒定泵浦功率下具有与时钟速率相关的激光脉冲能量，并且通常以恒定频率操作。在pod操作中，用户希望使用可自由选择的触发和恒定的可设定脉冲能量来操作激光脉冲。先前的pod方案集中于恒定的脉冲能量。在非线性系统的情况下还必须确保相同的非线性，以便获得相同的时间脉冲特性，比如脉冲持续时间和脉冲宽度。这对于后续的频率转换或其他非线性过程(例如玻璃切割)特别重要。

6、在已知处理程序始终保持恒定(平均功率不会变化太多)时，可以将pod参数设定为具体操作点，并且可以设定最小能量偏差。迄今为止使用的用于优化pod参数的自动参数化例程缓慢，因为这些参数是在固定重复率(加上牺牲激光脉冲)下使用稳定热平衡来确定的。

技术实现思路

1、在这种背景下，本发明基于以下目标：在引言中提到的方法的背景下，不管光学元器件的与温度相关的功率效率如何，都产生具有低抖动(即具有小于5％、优选小于2％的脉冲能量偏差，特别是分别具有相同的脉冲能量)的输出激光脉冲，并且还说明了一种相关联的激光系统。

2、在引言中提到的方法的背景下，根据本发明，这个目标是通过以下事实来实现的：基于对光学元器件的当前变热有贡献的所有先前的输入激光脉冲或输出激光脉冲计算光学元器件的当前温度或当前温度差、或者与温度相关的当前参数，并且基于计算得出的当前温度、计算得出的当前温度差或计算得出的当前参数设定当前输入激光脉冲的功率，使得相关联的输出激光脉冲所包括的脉冲能量与预定脉冲能量的偏差小于5％、优选小于2％，特别是等于预定脉冲能量。优选地，光学元器件放大所选择的输入激光脉冲或对其进行频率转换。

3、温度差可能与光学元器件的“冷”平衡状态(热学平衡)有关。例如，与温度相关的参数可以是与温度相关的控制参数。

4、根据本发明，通过计算模型，几乎实时地计算或模拟光学元器件的温度或温度差、或者与温度相关的参数，并且从中可以导出激光脉冲能量的校正并在当前输入激光脉冲上进行调制。计算得出的温度、温度差和参数不是光学元器件的真实的温度、温度差或测量变量，而是抽象变量。在这种情况下，计算模型纳入已穿过光学元器件并且对光学元器件的当前变热有贡献的每个先前的激光脉冲。接着调适当前输入激光脉冲的功率，以便在穿过光学元器件后获得期望的脉冲能量。举例来说，当前输入激光脉冲的功率可以基于计算得出的当前温度与光学元器件的预定(满负载)操作温度的偏差来设定。

5、根据本发明的方法尤其提供了以下优点：

6、–虽然不同的操作点表现出不同的热负载，但仍可以启动任意的动态触发程序。

7、–在该过程开始之前，可以省去使激光稳定的停滞时间(totzeit)(典型地为几秒钟)。

8、–例如在多个光学元器件(每个的功率效率均与温度相关)的情况下的更复杂的热性能可以例如通过具有多个独立温度的模型来模拟。

9、优选地，在穿过光学元器件之前，通过修调(beschneiden)当前输入激光脉冲的脉冲形状、特别是通过修调其振幅和/或其两个脉冲边沿中的至少一个脉冲边沿设定或修改当前输入激光脉冲的功率。替代地或附加地，早在产生当前输入激光脉冲时，就可以基于计算得出的当前温度、计算得出的当前温度差或计算得出的当前参数对应地设定当前输入激光脉冲的功率。

10、对于输入激光脉冲在光学元器件的前方被放大并且在此至少一个输入激光脉冲被用作附加脉冲(所谓的牺牲激光脉冲)的情况，优选地将这个牺牲激光脉冲再次在光学元器件的前方从经放大的输入激光脉冲的路径耦合输出。

11、代替单一的输入激光脉冲，多个相邻的输入激光脉冲也可以作为激光脉冲串(laserburst)穿过光学元器件，并作为输出激光脉冲串从光学元器件出射。

12、在一个方法变型中，输入激光脉冲提供的时刻致使输出激光脉冲在单独请求的时刻作为pod激光脉冲到达输出端。如果需要，至少一个输入激光脉冲被用作附加脉冲(所谓的牺牲激光脉冲)，该附加脉冲接着被再次从经放大的输入激光脉冲的路径耦合输出。

13、优选地，各个激光脉冲选自具有已知脉冲能量、特别是分别具有相同的脉冲能量的(种子)激光脉冲的脉冲序列，所述激光脉冲优选以固定频率重复，并且作为分别具有已知的脉冲能量和脉冲间隔的输入激光脉冲提供。替代地，已经可以产生分别具有已知的脉冲能量和脉冲间隔的激光脉冲，并作为输入激光脉冲提供。

14、在另一方面，本发明还涉及一种用于由分别具有先前已知的脉冲能量和脉冲间隔的输入激光脉冲产生输出激光脉冲的激光系统，该激光系统包括：

15、–脉冲源，该脉冲源用于提供分别具有先前已知的脉冲能量和脉冲间隔的输入激光脉冲，

16、–功率效率与温度相关的光学元器件，输入激光脉冲穿过该光学元器件，并且该光学元器件于此同时变热，输入激光脉冲作为输出激光脉冲从光学元器件出射，

17、–功率设定装置，该功率设定装置用于设定输入激光脉冲的相应脉冲功率，以及

18、–控制单元(例如fpga(现场可编程门阵列)或微控制器)，该控制单元被编程，以基于对光学元器件的当前变热有贡献的所有先前的输入激光脉冲计算光学元器件的当前温度或当前温度差、或者与温度相关的当前参数，并且针对当前输入激光脉冲基于计算得出的当前温度、计算得出的当前温度差或计算得出的当前参数如此操控功率设定装置，使得相关联的输出激光脉冲所包括的脉冲能量与预定脉冲能量的偏差小于5％、优选小于2％，特别是等于预定脉冲能量。

19、光学元器件可以是例如用于放大输入激光脉冲的光学放大器或者用于转换输入激光脉冲的频率的(非线性)转换晶体。

20、功率设定装置优选构造为用于修调当前输入激光脉冲的脉冲形状的声光调制器(aom)或电光调制器(eom)。调制器可以由控制单元控制开启时刻和开启持续时间，使得可以根据需要通过修调当前输入激光脉冲的脉冲形状、特别是通过修调其振幅和/或其两个脉冲边沿中的至少一个脉冲边沿来设定当前输入激光脉冲的功率。替代地，功率设定装置也可以通过由脉冲源产生的作为输入激光脉冲的激光脉冲的功率调节(leistungsregelung)形成，以便根据需要设定当前输入激光脉冲的功率。

21、用于放大输入激光脉冲的光学放大器可以布置在光学元器件的前方。对于牺牲激光脉冲也在放大器中被放大的情况，有利地，由控制单元控制的、用于将经放大的牺牲激光脉冲从经放大的输入激光脉冲的路径耦合输出的耦合输出单元(例如aom或eom)设置在放大器的后方并且特别是设置在光学元器件的前方。

22、在一个优选实施方式中，脉冲源包括：激光脉冲发生器，该激光脉冲发生器用于产生具有已知脉冲能量、特别是分别具有相同的脉冲能量的(种子)激光脉冲，所述激光脉冲优选以固定频率重复；以及选择单元，该选择单元用于分别在先前已知的脉冲时刻选择这些激光脉冲中的一些作为输入激光脉冲，所述选择单元由控制单元控制。在另一个优选实施方式中，脉冲源包括激光脉冲发生器，该激光脉冲发生器由控制单元控制，以便产生脉冲能量和脉冲时刻由控制单元预定义的输入激光脉冲。在这种情况下，种子激光脉冲发生器可以被实施为：

23、–脉冲持续时间在飞秒至纳秒范围内的光纤振荡器和放大器(光纤或其他介质)；

24、–脉冲持续时间在纳秒范围内的激光二极管和放大器(光纤或其他介质)。

25、最后，本发明还涉及一种控制程序产品，该控制程序产品包括代码媒介，该代码媒介适于当程序在上述激光系统的控制单元上运行时执行上述方法的所有步骤。

26、本发明主题的进一步优点和有利配置根据说明书、权利要求和附图是显而易见的。同样，上述特征和还将呈现的特征可以分别独立使用或以任何期望的组合作为多个来使用。所示出和描述的实施例不应被理解为穷举，而是具有用于概述本发明的示例性特性。