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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung. Ferner betrifft die Erfindung ein Lasersystem zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es besteht noch immer wachsendes Interesse an der Technologie ultrakurzer gepulster Lasersysteme. Eine Pulsdauer von lediglich einem einzelnen optischen Zyklus und eine Spitzenleistung von bis zu Tera- oder sogar Petawatt sind heute bereits umsetzbar. Zahlreiche vielversprechende Anwendungen haben sich hervorgetan, für welche die hohe Spitzenleistung und ultrakurze Pulsdauer ultraschneller Laser besonders erstrebenswert sind. Beide lassen nichtlineare Effekte aufkommen und eröffnen neue Wege in der Technik und wissenschaftlichen Forschung. Die Nutzer der Technologie verlangen schlichte und robuste Vorrichtungen, welche komfortabel in der Handhabung sind und einfach in komplexe Versuche und Instrumente integriert werden können. Anwendungsgebiete solcher Lasersysteme sind z.B. Biowissenschaften, Terahertz-Spektroskopie, 2-Photonen-Polymerisation, optische Kohärenztomographie, Anregungs-Abfrage bzw. Pump-Probe-Spektroskopie, Materialverarbeitung und Metrologie.
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Handelsübliche ultraschnelle Lasersysteme werden vorteilhafterweise als Faserlasersysteme verwirklicht. Eine Zusammenfassung der Technologie von Faserlasern zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse und deren Anwendung wurde durch Marion Lang, Thomas Hellerer und Jürgen Stuhler bereitgestellt („Technology and applications of ultrafast fiber lasers,‟ Proc. SPIE 8330, Photonics and Optoelectronics Meetings (POEM) 2011: Laser and Terahertz Science and Technology, 833007).
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Faserlaserverstärkungsmaterialien weisen im Vergleich zu Festkörperlasersystemen (z.B. Titan-Saphir-Lasern) üblicherweise eine begrenzte Bandbreite auf. Dieser Effekt kann in Lasersystemen, welche Frequenzumwandlung (z.B. Frequenzverdopplung) in Anwendung bringen, um gepulste Laserstrahlung bei einer angestrebten Wellenlänge bereitzustellen, welche sich von der Grundwellenlänge der in dem Faserverstärkungsmaterial erzeugten Laserstrahlung unterscheidet, beschränkend sein. Nutzer verlangen des Öfteren eine Vorgabe von Laserpulsen unter 100 fs. Ohne konkrete Maßnahmen zur Spektralverbreiterung stellen handelsübliche Systeme auf Faserlaserbasis jedoch üblicherweise frequenzumgewandelte Laserpulse mit einer Dauer von erheblich mehr als 100 fs bereit. Die nichtlineare Frequenzumwandlung bewirkt eine Verkürzung der Laserpulse. Diese Verkürzung beschränkt sich jedoch im Vergleich zu der ursprünglichen Pulslänge auf einen Minimalfaktor von 1/V2, was des Öfteren nicht ausreichend ist. Verfahren, welche bekanntlich geeignet sind, um kurze Pulsdauern durch Spektralverbreiterung zu erzielen, sind Selbstphasenmodulation und Solitonenkompression in nichtlinearen Materialien dritter Ordnung. In Abhängigkeit von der Pulsenergie ist die Nichtlinearität üblicher Bulk-Materialien möglicherweise zu gering, um eine signifikante Spektralverbreiterung zu erzielen. Eine Verbreiterung in einer optischen Faser ist möglich. Geeignete photonische Kristallfasern müssen jedoch verwendet werden und die resultierenden Faserlängen sind unpraktisch. Ferner sind zusätzliche robuste Freistrahloptiken zur effizienten Einkopplung in die Faser notwendig.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aus dem Vorangehenden ist bereits ersichtlich, dass ein Bedarf an einer verbesserten Technik der Erzeugung von gepulster Laserstrahlung besteht. Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens und eines entsprechenden Lasersystems, welche schlicht und robust sind und welche imstande sind, Laserpulse unter 100 fs unter Anwendung nichtlinearer Frequenzumwandlung bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte des:
- - Erzeugens von gepulster Laserstrahlung bei einer Grundwellenlänge;
- - Erhöhens der spektralen Bandbreite der Laserstrahlung durch Leiten der Laserstrahlung durch ein periodisch gepoltes nichtlineares Kristallmaterial, dessen Polungsperiode größer oder kleiner als die Polungsperiode ist, welche die Quasi-Phasenanpassungsbedingung bei der Grundwellenlänge erfüllt; und
- - Frequenzumwandelns der spektral verbreiterten Laserstrahlung
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Erfindungsgemäß kann die gepulste Laserstrahlung bei der Grundwellenlänge mittels eines herkömmlichen und im Handel erhältlichen diodengepumpten modengekoppelten Faserlasers (wie z.B. eines Ytterbium-, Erbium- oder Thulium-Faserlasersystems) mit einer Pulsdauer von weniger als 1 ps, vorzugsweise 100 fs bis 800 fs und einer Wiederholungsrate von 10-100 MHz erzeugt werden. Die anfangs erzeugte gepulste Laserstrahlung wird üblicherweise z.B. mittels eines herkömmlichen seltenerddotierten Faserverstärkers auf eine Durchschnittsleistung von 100 mW oder mehr verstärkt, um eine effiziente nichtlineare Frequenzumwandlung zu ermöglichen.
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Es ist bekannt, dass nichtlineare Prozesse (Frequenzverdopplung, Summen- und Differenzfrequenzerzeugung, usw.) phasenempfindlich sind und erfordern, dass eine Phasenanpassung effizient ist. Es muss gewährleistet werden, dass ein angemessenes Phasenverhältnis zwischen den Wellen der Grundstrahlung und der frequenzumgewandelten Strahlung hergestellt und entlang der Ausbreitungsrichtung in dem verwendeten nichtlinearen Kristall aufrechterhalten wird. Nur wenn die Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist, sind Amplitudenbeiträge von verschiedenen Stellen zu der resultierenden Strahlung an dem Ende des nichtlinearen Kristalls allesamt in Phase. Quasi-Phasenanpassung ist eine bekannte Technik zum Erzielen ähnlicher Ergebnisse. Anstelle eines homogenen nichtlinearen Kristallmaterials wird ein Material mit räumlich modulierten nichtlinearen Eigenschaften verwendet. Das Konzept besteht im Wesentlichen darin, eine Phasenfehlanpassung über eine gewisse Ausbreitungsdistanz zuzulassen, die nichtlineare Wechselwirkung an Positionen, an denen die Wechselwirkung mit der falschen Umwandlungsrichtung sonst stattfinden würde, jedoch umzukehren. Auf diese Weise kann sich die Gesamtamplitude der frequenzumgewandelten Strahlung entlang des nichtlinearen Kristalls kontinuierlich erhöhen und eine ausreichende Gesamtumwandlungseffizienz wird erzielt. Periodische Polung eines nichtlinearen Kristalls ist eine bekannte Technik zum Erlangen einer Quasi-Phasenanpassung. Dies umfasst die Erzeugung einer periodischen Umkehr der Domänenausrichtung (Domäneninversion) in dem nichtlinearen Kristall, sodass sich auch das Vorzeichen des nichtlinearen Koeffizienten ändert. Die gängigste Technik zur periodischen Polung ist das Anlegen eines starken elektrischen Felds an einen ferroelektrischen Kristall vermittels strukturierter Elektroden auf der Kristalloberfläche, welche üblicherweise eine Periode von zwischen wenigen Mikrometern und einigen Dutzend Mikrometern aufweisen. Die Polungsperiode (d.h. die Periode der Elektrodenstruktur) bestimmt die Wellenlängen, für welche der nichtlineare Prozess quasi-phasenangepasst ist.
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Die Erfindung macht sich zunutze, dass eine wirksame Spektralverbreiterung durch Selbstphasenmodulation durch die kaskadierende Wechselwirkung mit der frequenzumgewandelten Laserstrahlung in dem nichtlinearen Kristall unter Phasenfehlanpassungsbedingungen auf die Laserstrahlung bei der Grundfrequenz induziert werden kann. Somit schlägt die Erfindung vor, die gepulste Laserstrahlung dadurch spektral zu verbreitern, dass sie durch einen periodisch gepolten nichtlinearen Kristall geleitet wird, welcher phasenfehlangepasst ist, d.h. die Polungsperiode ist größer oder kleiner als die Polungsperiode, welche die Quasi-Phasenanpassungsbedingung bei der Grundwellenlänge erfüllt. Die Phasenfehlanpassung hängt von den Ausbreitungskonstanten der Grund- und der frequenzumgewandelten Laserstrahlung in dem nichtlinearen Kristall und der Polungsperiode ab. In einem üblicherweise verwendeten Material dritter Ordnung (z.B. Lithiumniobat) weist die Nichtlinearität einen positiven Wert auf. Daher kann eine größere oder kleinere Polungsperiode als die Polungsperiode, welche die Quasi-Phasenanpassungsbedingung erfüllt, verwendet werden, um jeweils einen negativen oder positiven Beitrag der Selbstphasenmodulation zu erlangen.
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Es muss darauf hingewiesen werden, dass sich der Begriff „periodisch gepolter nichtlinearer Kristall“, welcher in der Beschreibung und den Ansprüchen durchweg verwendet wird, auf jedwedes Kristallmaterial mit räumlich modulierten nichtlinearen Eigenschaften bezieht. Die Modulation muss nicht streng periodisch sein. Insbesondere kann die Periode der räumlichen Modulation entlang des Ausbreitungswegs der Laserstrahlung variieren. Mit anderen Worten umfasst die Bedeutung der Begriffs „periodisch gepolter nichtlinearer Kristall“ erfindungsgemäß ebenso einen „nichteinheitlich gepolten nichtlinearen Kristall“.
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Nach Leiten der Grundlaserstrahlung durch den phasenfehlangepassten periodisch gepolten nichtlinearen Kristall wird die resultierende spektral verbreiterte Laserstrahlung erfindungsgemäß frequenzumgewandelt. Auf diese Weise werden spektralbreite frequenzumgewandelte Laserpulse erlangt, welche besonders kurze Pulsdauern unterstützen.
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Die Erfindung erfordert lediglich, dass der phasenfehlangepasste periodisch gepolte nichtlineare Kristall die Spektralbreite erhöht und die Erzeugung von Laserpulsen unter 100 fs ermöglicht. Daher stellt die Erfindung eine sehr schlichte, robuste und kostengünstige Lösung der oben genannten Aufgabe der Erfindung bereit.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Pulsdauer der frequenzumgewandelten Laserstrahlung durch Leiten der frequenzumgewandelten Laserstrahlung durch ein dispersives Element verkürzt. Durch Leiten der frequenzumgewandelten Laserstrahlung durch ein Element von geeigneter Dispersion kann die Pulsdauer in einer unkomplizierten Weise auf den Minimalwert reduziert werden, welcher durch die Spektralbreite der frequenzumgewandelten Laserstrahlung unterstützt wird. Vorteilhafterweise kann infolge des Spektralverbreiterungsschritts der Erfindung erreicht werden, dass die somit verkürzte Pulsdauer weniger als das 1/√2-Fache der Pulsdauer der ursprünglich erzeugten Laserstrahlung bei der Zentralwellenlänge beträgt. Mit anderen Worten ermöglicht die Erfindung die Verkürzung der Laserpulse erheblich über die durch die nichtlineare Frequenzumwandlung bewirkte Verkürzung hinaus.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die ursprünglich erzeugte gepulste Laserstrahlung gechirpt. In vielen Anwendungsfällen, z.B. in der Mikroskopie, ist ein definierter Pre-Chirp der Laserpulse erforderlich, um die Dispersion der stromabwärtigen optischen Komponenten in dem Strahlengang, z.B. des Mikroskop-Objektivs, zu kompensieren. Üblicherweise weisen diese optischen Komponenten eine normale Dispersion auf. Somit sind mit anomaler Dispersion vorgechirpte Laserpulse, d.h. ein negativer Pre-Chirp, erforderlich. Dies wird herkömmlicherweise unter Verwendung von Gires-Tournois-Interferometerspiegeln (GTI-Spiegeln), Mikrostrukturfasern, Prismenpaaren oder Gitterpaaren erreicht. All diese Lösungen weisen Nachteile wie hohe Kosten und Ausrichtungsempfindlichkeit auf. Es hat sich herausgestellt, dass das Verfahren der Erfindung die Übertragung des Chirps der Grundlaserpulse durch den Frequenzumwandlungsschritt derart ermöglicht, dass die frequenzumgewandelte Laserstrahlung negativ vorgechirpt wird, wie es zur Kompensation der Dispersion der stromabwärtigen optischen Komponenten in dem Strahlengang erforderlich ist. Ein zweckmäßiges (Vor-)Chirpen der Grundlaserpulse kann z.B. unter Anwendung einer Verstärkung gechirpter Pulse (CPA) in dem Schritt des Erzeugens der Laserstrahlung bei der Grundwellenlänge mit einer geeigneten Einstellung von Pulsstrecker und Pulskompressor erreicht werden. Es sind keine zusätzlichen Komponenten erforderlich.
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Erfindungsgemäß wird zudem ein Lasersystem zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung offenbart. Das Lasersystem weist auf:
- - eine Laserquelle, welche gepulste Laserstrahlung bei einer Grundwellenlänge erzeugt;
- - einen ersten periodisch gepolten nichtlinearen Kristallabschnitt, welcher in dem Strahlengang angeordnet ist und eine Polungsperiode aufweist, welche größer oder kleiner als die Polungsperiode ist, welche die Quasi-Phasenanpassungsbedingung bei der Grundwellenlänge erfüllt, um die Laserstrahlung spektral zu verbreitern; und
- - einen zweiten periodisch gepolten nichtlinearen Kristallabschnitt, welcher in dem Strahlengang stromabwärts des ersten Abschnitts angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt bei der Grundwellenlänge quasi-phasenangepasst ist, um die Laserstrahlung frequenzumzuwandeln.
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Das Lasersystem implementiert das oben beschriebene Verfahren der Erfindung durch Einsetzen des ersten periodisch gepolten nichtlinearen Kristallabschnitts zur Spektralverbreiterung der Laserstrahlung und des zweiten periodisch gepolten nichtlinearen Kristallabschnitts zur Frequenzumwandlung. Daher erfolgen sowohl die Spektralverbreiterung als auch die Frequenzumwandlung in einem periodisch gepolten nichtlinearen Kristall.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die zwei Abschnitte in einem einzelnen monolithischen periodisch gepolten nichtlinearen Kristall ausgebildet.
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In einer möglichen Ausführungsform weist der einzelne periodisch gepolte nichtlineare Kristall zwei Bereiche von unterschiedlichen Polungsperioden auf, einen (den ersten periodisch gepolten nichtlinearen Kristallabschnitt bildenden) Bereich, welcher erfindungsgemäß zur Spektralverbreiterung der Grundstrahlung phasenfehlangepasst ist, und einen (den zweiten periodisch gepolten nichtlinearen Kristallabschnitt bildenden) Bereich, welcher bei der Grundwellenlänge quasi-phasenangepasst ist, um die Laserstrahlung frequenzumzuwandeln.
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In einer weiteren Ausführungsform variiert die Polungsperiode linear entlang des Strahlengangs in mindestens einem der Bereiche. Ein linear gechirpter periodisch gepolter nichtlinearer Kristall ist zur effizienten Frequenzumwandlung gechirpter Laserpulse besonders gut geeignet. Somit kann im Fall von (vor-)gechirpten Laserpulsen bei der Grundwellenlänge die Frequenzumwandlungseffizienz durch Bereitstellen eines linear gechirpten Bereichs (d.h. eines Bereichs mit linear variierender Polungsperiode), welcher den zweiten periodisch gepolten nichtlinearen Kristallabschnitt bildet, verbessert werden.
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Ein Bereich des nichtlinearen Kristalls mit einer festen (längeren oder kürzeren) Polungsperiode zur Spektralverbreiterung durch Selbstphasenmodulation und ein Bereich von gechirpter periodischer Polung zur Frequenzumwandlung können durch einen vollständig linear gechirpten Kristall ersetzt werden, was bedeutet, dass die Polungsperiode entlang des Strahlengangs über die gesamte Länge des nichtlinearen Kristalls linear variiert. In dieser Ausführungsform bewirken längere Polungsperioden in dem ersten Abschnitt des nichtlinearen Kristalls die Selbstphasenmodulation und die kürzeren Polungsperioden in dem zweiten Abschnitt, d.h. in Richtung des Endes des Kristalls stellen eine Quasi-Phasenanpassung her, um die Frequenzumwandlung zu ermöglichen. Diese Ausführungsform weist den Vorteil „lockerer“ Konstruktionsanforderungen auf, da der Bereich innerhalb des nichtlinearen Kristalls, in dem der Laserstrahl fokussiert wird, und somit die Polungsperiode, welche eine effizienteste Frequenzumwandlung liefert, eingestellt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Lasersystem ferner ein einstellbares dispersives Element auf, welches in dem Strahlengang stromaufwärts des ersten periodisch gepolten nichtlinearen Kristallabschnitts angeordnet ist, um einen negativen Pre-Chirp der Laserstrahlung zu erzeugen. Die Anforderung des Anlegens eines Pre-Chirps an die Laserpulse wurde oben ausführlich erläutert.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Lasersystem ein dispersives Element auf, welches in dem Strahlengang stromabwärts des zweiten periodisch gepolten Kristallabschnitts angeordnet ist, um die frequenzumgewandelten Laserpulse vorübergehend zu komprimieren. Das Lasersystem der Erfindung erfordert lediglich den konkreten periodisch gepolten nichtlinearen Kristall mit zwei Bereichen und das dispersive Element, um eine Spektralverbreiterung bei der Grundwellenlänge in Kombination mit einer vorübergehenden Kompression in dem dispersiven Element zu erzielen, um letztlich frequenzumgewandelte Laserpulse mit minimaler Pulsdauer (unter 100 fs) zu erlangen.
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Figurenliste
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Die beigefügten Zeichnungen offenbaren bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen lediglich zu Veranschaulichungszwecken und nicht als Definition der Beschränkungen der Erfindung ausgelegt sind. In den Zeichnungen zeigt:
- 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Lasersystem;
- 2 Schaubilder zur Veranschaulichung der Eigenschaften (Dauer, Spektrum) von erfindungsgemäß erzeugten Laserpulsen;
- 3 schematisch eine erste Konstruktion eines in dem Lasersystem der Erfindung zu verwendenden periodisch gepolten nichtlinearen Kristalls;
- 4 schematisch eine zweite Konstruktion eines in dem Lasersystem der Erfindung zu verwendenden periodisch gepolten nichtlinearen Kristalls;
- 5 schematisch eine dritte Konstruktion eines in dem Lasersystem der Erfindung zu verwendenden periodisch gepolten nichtlinearen Kristalls;
- 6 schematisch ein Lasersystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasersystems.
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Das Lasersystem weist eine Laserquelle 1 auf. Die Laserquelle 1 kann aufweisen einen seltenerdionendotierten Faserlaseroszillator (nicht abgebildet), welcher einen Laserpulszug mit einer festen Wiederholungsrate von z.B. 100 MHz emittiert, einen Abschnitt aus dispersiver optischer Faser (nicht abgebildet), um die Laserpulse vorübergehend zu strecken, und einen diodengepumpten Faserverstärker (nicht abgebildet), welcher die gechirpten Laserpulse empfängt und deren Energie derart steigert, dass die Durchschnittsleistung des verstärkten Pulszugs in der Größenordnung von 100 mW oder mehr liegt. Die somit verstärkten Laserpulse werden aus der optischen Faser ausgekoppelt und in einem Gitterkompressor 2 vorübergehend komprimiert. Die resultierenden Laserpulse weisen in der abgebildeten Ausführungsform eine Dauer von 175 fs bei einer Grundwellenlänge von 1560 nm auf. Die Spektralbreite Δλ der Laserstrahlung beträgt 25 nm.
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Die Laserpulse werden dann durch einen nichteinheitlich gepolten nichtlinearen Lithiumniobat-Kristall (NUPLN) 3 geleitet. Der NUPLN 3 weist eine Länge von 2 mm mit einem linearen Chirp der Polungsperiode von -2,00 µm/mm auf. Mit dieser Konstruktion tritt keine Frequenzumwandlung, sondern eine Spektralverbreiterung durch Selbstphasenmodulation in einem ersten Abschnitt des NUPLN auf, in dem die Polungsperiode größer als die Polungsperiode ist, welche die Quasi-Phasenanpassungsbedingung erfüllt. Eine Frequenzverdopplung tritt in einem zweiten Abschnitt auf, in dem die Polungsperiode klein genug wird, um eine Quasi-Phasenanpassung herzustellen. Auf diese Weise werden Laserpulse bei 780 nm mit einer Pulsdauer von 340 fs und einer Spektralbreite Δλ von 15 nm erzeugt. Diese spektrale Bandbreite unterstützt eine Pulsdauer von 80 fs. Die frequenzverdoppelten Laserpulse weisen einen negativen Chirp auf, da die Phasenfehlanpassung in dem ersten Abschnitt des NUPLN 3 negativ ist. Dieser negative Chirp kann in einem Block aus dichtem Flintglas 4 als dispersives Element mit einer Länge von wenigen cm einfach kompensiert werden. Wie ersichtlich wird eine Pulsdauer von 80 fs in der zweiten Harmonischen mit einer Grundpulsdauer von 175 fs erzielt. Die Endpulsdauer beträgt somit erheblich weniger als das 1/√2-Fache der Pulsdauer der Laserstrahlung bei der Grundwellenlänge. Dies ist das Ergebnis der Spektralverbreiterung in dem ersten Abschnitt des NUPLN 3.
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Das Schaubild aus 2a zeigt den zeitlichen Verlauf (Leistung als Zeitfunktion) eines einzelnen Pulses an dem Ausgang des Flintglasblocks 4. Ein Puls 5 ist abgebildet, welcher unter Verwendung eines herkömmlichen (eine konstante Polungsperiode aufweisenden und vollständig quasi-phasenangepassten) periodisch gepolten Lithiumniobat-Kristalls (PPLN) erzeugt wird, im Vergleich zu einem Puls 6, welcher erfindungsgemäß wie oben erläutert unter Verwendung des NUPLN 3 erzeugt wird. Wie ersichtlich wird die Pulsdauer durch das Konzept der Erfindung von ungefähr 150 fs bis auf 80 fs reduziert.
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Das Schaubild aus 2b zeigt die entsprechenden Spektren der Laserpulse. Wie ersichtlich beträgt die Breite des unter Verwendung des herkömmlichen PPLN erlangten Spektrums 7 ungefähr 6 nm, wohingegen die Breite des unter Verwendung des NUPLN 3 erlangten Spektrums 8 ungefähr 15 nm beträgt.
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Die 3-5 zeigen mögliche Konstruktionen des NUPLN 3, welcher erfindungsgemäß zur Spektralverbreiterung und Frequenzumwandlung verwendet wird. Der Strahlengang und die Richtung der Laserstrahlung sind als gestrichelter Pfeil gekennzeichnet.
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3 zeigt eine Konstruktion des Kristalls mit zwei unterschiedlichen direkt benachbarten Polungsbereichen, einen zur Selbstphasenmodulation (Polungsperiode Λ=ΛSPM), ohne dass eine Frequenzumwandlung stattfindet, und einen zur effizienten Frequenzverdopplung (Polungsperiode Λ=ΛQPM), in dem die Quasi-Phasenanpassungsbedingung erfüllt ist. Die Effizienz der Frequenzumwandlung kann in dieser Ausführungsform jedoch reduziert sein, da der auf den zweiten Bereich auftreffende Laserpuls im Allgemeinen gechirpt sein wird und die feste Polungsperiode eine Quasi-Phasenanpassung lediglich für die Zentralwellenlänge, jedoch nicht für die gechirpten Teile des Pulses bereitstellt.
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Ein linearer Chirp der Polungsperiode in dem zweiten Bereich (Λ=ΛQPM+Λ'x, wobei x für die Position entlang des Strahlengangs steht) hat sich wie in 4 abgebildet als effizienter zur Frequenzverdopplung gechirpter Laserpulse erwiesen.
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Ein Bereich mit einer längeren Polungsperiode zur Selbstphasenmodulation und ein Bereich mit gechirpter Polung, welcher eine Quasi-Phasenanpassung bereitstellt, in einem einzelnen monolithischen periodisch gepolten nichtlinearen Kristall 3 können ebenso durch lineares Variieren der Polungsperiode (linearer Chirp) entlang des Strahlengangs über die gesamte Länge des nichtlinearen Kristalls 3 verwirklicht werden. Dies ist in 5 abgebildet, in der die Polungsperiode Λ=ΛSPMQPM+Λ'x beträgt. Die längeren Polungsperioden in dem ersten Abschnitt des Kristalls bewirken eine Selbstphasenmodulation und die kürzeren Polungsperioden in dem zweiten Abschnitt in Richtung des Endes des Kristalls stellen eine Quasi-Phasenanpassung her und bewirken somit eine Frequenzumwandlung. Diese Ausführungsform ermöglicht lockere Konstruktionsregeln, da der Bereich innerhalb des Kristalls 3, in dem der Laserstrahl fokussiert wird, und daher die Polungsperiode zur effizientesten Frequenzumwandlung eingestellt werden kann.
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Mit anderen Worten schlägt die Erfindung eine Verwendung eines monolithischen, nichteinheitlich gepolten, teilweise quasi-phasenangepassten Materials vor, um das Spektrum bei der Grundwellenlänge der gepulsten Laserstrahlung zu verbreitern und die spektral verbreiterte Laserstrahlung frequenzumzuwandeln.
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Wie oben erwähnt erfordern viele Anwendungsfälle, z.B. konfokale Mikroskopiesysteme, einen definierten Pre-Chirp der Laserpulse, um die Dispersion der stromabwärtigen optischen Komponenten in dem Strahlengang zu kompensieren. In der Ausführungsform aus 6 wird der Gitterkompressor 2 verwendet, um die Laserstrahlung bei der Grundwellenlänge von 1840 nm mit einem negativen Pre-Chirp zu versehen. Die resultierenden Laserpulse weisen eine Pulsdauer von 500 fs bei einer Spektralbreite von Δλ=50 nm auf. Erneut erfolgt die Frequenzverdopplung unter Verwendung des NUPLN 3 mit der Konstruktion aus 5. Die Umwandlungseffizienz hat sich als so gut wie mit einem ungechirpten Eingangspuls in einem herkömmlichen PPLN erwiesen. Bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge von 920 nm beträgt die Pulsdauer noch immer 500 fs bei einer Spektralbreite Δλ von nun 30 nm. Der Pre-Chirp der Laserpulse wird bei dem Frequenzverdopplungsprozess derart erhalten, dass die Laserpulse ihre kürzeste Dauer von 70 fs nach Durchlaufen des Mikroskop-Objektivs 9 mit normaler Dispersion aufweisen. Eine Feineinstellung des negativen Pre-Chirps kann entweder durch Einführen von Glaskeilen nach dem NUPLN 3 vor dem Objektiv 9 oder durch Einstellen der Gittertrennung in dem Kompresser 2 erfolgen. Erfindungsgemäß wird der NUPLN 3 zur effizienten Frequenzverdopplung mit einer erhöhten spektralen Bandbreite verwendet. Ein Walk-Off in dem NUPLN 3 kann einigen zusätzlichen Pre-Chirp produzieren, dieser ist jedoch im Vergleich zu dem durch das Gitterpaar 2 bereitgestellten Pre-Chirp gering.
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Mit anderen Worten ermöglicht das Konzept der Erfindung die Übertragung des Pre-Chirps, welcher bei der Grundwellenlänge durch den Frequenzumwandlungsschritt derart einfach bereitgestellt werden kann, dass die frequenzumgewandelte Laserstrahlung negativ vorgechirpt wird, wie es zur Kompensation der Dispersion der stromabwärtigen optischen Komponenten in dem Strahlengang erforderlich ist. Gleichzeitig kann eine minimale Pulsdauer in dem Bereich unter 100 fs erfindungsgemäß nach Leiten der optischen Komponenten der jeweiligen Anwendung durch Spektralverbreitern der Grundlaserstrahlung in dem phasenfehlangepassten nichtlinearen Kristallabschnitt erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Technology and applications of ultrafast fiber lasers,‟ Proc. SPIE 8330, Photonics and Optoelectronics Meetings (POEM) 2011: Laser and Terahertz Science and Technology, 833007 [0003]
