DE102021103204A1 - System zur Detektion von Pulsdauerschwankungen von Laserpulsen und Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen - Google Patents

System zur Detektion von Pulsdauerschwankungen von Laserpulsen und Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen Download PDF

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Abstract

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches System bereit zu stellen, das es ermöglicht, Schwankungen der Pulsdauer von ultrakurzen Laserpulsen schnell, empfindlich und einfach zu detektieren, und zwar in einer Weise, die es ermöglicht, aus der Detektion ein Fehlersignal für eine Regelung der Pulsdauer abzuleiten. Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein optisches System mit einer Laserquelle (1), ausgelegt zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen, wenigstens einem dispersiven optischen Element (4), ausgelegt dazu, den Laserpulsen eine Gruppenlaufzeitdispersion und damit einen Chirp aufzuprägen, einem nichtlinearen Medium (5), ausgelegt zur nichtlinearen spektralen Verbreiterung der Laserpulse während der Propagation durch das Medium (5), und einer Detektionseinrichtung (6), ausgelegt zur Detektion der spektralen Verbreiterung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Laserquelle, die gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen erzeugt.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung Lasersysteme und Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse im Piko- und Femtosekundenbereich.
  • Eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere wissenschaftliche Anwendungen, erfordern ultrakurze Laserpulse mit höchster Performance und Stabilität. Insbesondere wenn die Pulsspitzenleistung für die Anwendung eine essenzielle Größe darstellt, ist neben der Stabilität der mittleren Leistung sowie der Puls-zu-Puls Energiestabilität die Stabilität der Pulsdauer ausschlaggebend.
  • Die meisten leistungsstarken Femtosekunden-Lasersysteme bedienen sich der sogenannten Chirped Pulse Amplification (kurz: CPA) (vgl. D. Strickland, G. Mourou, „Compression of amplified chirped optical pulses“, Opt. Commun. 55(6), 447-449, 1985). Dabei werden zur Vermeidung störender nichtlinearer Effekte und Vermeidung von Materialzerstörung im Verstärkungsmedium die ultrakurzen Laserpulse vor der Verstärkung mittels dispersiver optischer Komponenten zeitlich gestreckt, wodurch die Pulsspitzenleistung abgesenkt wird und die erwähnten störenden Effekte während des Verstärkungsprozesses vermieden werden. Nach der Verstärkung werden die zeitlich gestreckten Laserpulse idealerweise so komprimiert, dass die resultierenden Laserpulse bandbreitenbegrenzt sind. Dies gelingt wiederum durch dispersive optische Komponenten mit gegenüber den zur Streckung verwendeten Komponenten weitestgehend umgekehrten Dispersionswerten.
  • Schwankungen der Pulsform und/oder Pulsdauer können z.B. durch thermische Effekte in den Komponenten des Lasersystems hervorgerufen werden. Insbesondere thermische Einflüsse in den dispersiven Komponenten der Pulsstreckung bzw. Pulskompression sind typischerweise die Hauptursache für ungewollte Veränderungen der komprimierten Pulsdauer. Anzumerken ist dabei, dass je größer der Streckungsfaktor der zeitlich gestreckten Laserpulse und je größer die mittlere Leistung (und damit der letztlich nie komplett vermeidbare Wärmeeintrag in den für die Kompression verwendeten optischen Komponenten) sind, desto größer ist der negative Einfluss dieser thermischen Effekte. Daher sind Pulsdauerschwankungen insbesondere bei CPA-Systemen mit hohem Streckungsfaktor und hoher mittlerer Leistung zu beobachten.
  • Zur Messung der Pulsdauer kann z.B. ein Autokorrelator verwendet werden. Dieser erlaubt es prinzipiell, Schwankungen der Pulsdauer zu detektieren. Ebenso kann die Abhängigkeit nichtlinearer Effekte von der Pulsspitzenleistung genutzt werden, um eine Abweichung von einer optimalen Pulskompression zu beobachten. Denkbare Ansätze hierzu sind die Frequenzkonversion (z.B. Erzeugung der zweiten Harmonischen) oder spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation. Bezüglich der nötigen Korrektur ergeben sich aber folgende Probleme: Erstens ist die Sensitivität der genannten Effekte zur Detektion von Pulsdauerschwankungen zu gering, um kleinste, letztlich in Anwendungen aber entscheidende Pulsdauerschwankungen zu detektieren. Zweitens ist die Ableitung eines für die Korrektur notwendigen Fehlersignals (Regelgröße) zur Realisierung einer entsprechenden Regelung nicht möglich, da eine Verlängerung der Pulsdauer ausgehend vom Punkt der optimalen Kompression zu keiner Aussage zum Vorzeichen der nötigen Korrektur der Dispersionswerte im verwendeten CPA-System führt.
  • Prinzipiell können bekannte, komplexere Verfahren zur vollständigen Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse (wie FROG-, SPIDER- oder D-Scan-Verfahren) eingesetzt werden, um die zu kompensierenden Phasenterme zu bestimmen. Dies verursacht allerdings einen für viele Anwendungen unangemessen hohen Aufwand und entsprechend hohe Kosten. Weitere Probleme sind die Geschwindigkeit der Messung bei derartigen Verfahren und die mäßige Sensitivität. Eine Echtzeit-Korrektur der Pulsdauer ist damit kaum zu realisieren.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein optisches System bereit zu stellen, das es ermöglicht, Schwankungen der Pulsdauer von ultrakurzen Laserpulsen schnell, empfindlich und einfach zu detektieren, und zwar in einer Weise, die es ermöglicht, aus der Detektion ein Fehlersignal für eine Regelung der Pulsdauer abzuleiten.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein optisches System mit
    • - einer Laserquelle, ausgelegt zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen,
    • - wenigstens einem dispersiven optischen Element, ausgelegt dazu, den Laserpulsen eine Gruppenlaufzeitdispersion und damit einen Chirp aufzuprägen,
    • - einem nichtlinearen Medium, ausgelegt zur nichtlinearen spektralen Verbreiterung der Laserpulse während der Propagation durch das Medium,
    und
    • - einer Detektionseinrichtung, ausgelegt zur Detektion der spektralen Verbreiterung.
  • Außerdem löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, mit den folgenden Verfahrensschritten:
    • - Erzeugen gepulster Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen,
    • - Aufprägen eines Chirps auf die Laserpulse,
    • - nichtlineares spektrales Verbreitern der Laserpulse, und
    • - Detektieren der spektralen Verbreiterung.
  • Der Ansatz der Erfindung basiert auf der spektralen Verbreiterung gechirpter Laserpulse. Der durch das dispersive optische Element zusätzlich aufgeprägte Chirp wirkt sich bei der anschließenden spektralen Verbreiterung in dem nichtlinearen Medium so aus, dass anhand der spektralen Verbreiterung Schwankungen der Pulsdauer der von der Laserquelle erzeugten (ultrakurzen) Laserpulse empfindlich detektiert werden können, und zwar in einer Weise, die es ermöglicht, aus der Detektion ein eindeutiges Fehlersignal für eine Regelung der Pulsdauer abzuleiten. Dabei ergeben sich aus der Aufprägung des zusätzlichen Chirp insbesondere die Vorteile, dass kleinste Schwankungen unkompensierter Dispersion in einem CPA-System bei den zusätzlich gechirpten Laserpulsen einen deutlich größeren Einfluss auf die resultierende Pulsdauer haben als dies bei (nahezu) bandbreitenbegrenzten Laserpulsen der Fall ist. Damit wird durch die Erfindung die Empfindlichkeit der Detektion von Pulsdauerschwankungen erhöht. Durch den zusätzlich aufgeprägten Chirp hängt außerdem die Änderung der spektralen Verbreiterung in dem nichtlinearen Medium (z.B. durch Selbstphasenmodulation) vom Vorzeichen der Schwankung der unkompensierten Dispersion im CPA-System ab. Folglich kann direkt ein Fehlersignal abgeleitet werden, um im Rahmen einer Regelung den auftretenden Schwankungen entgegenzuwirken.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist das dispersive optische Element dazu ausgelegt ist, eine Pulsstreckung der Laserpulse mit Erhöhung der Pulsdauer um zumindest den Faktor 1,1, bevorzugt um zumindest den Faktor 1,5, besonders bevorzugt um zumindest den Faktor 2,0 zu bewirken. Es hat sich gezeigt, dass mit diesen Parametern der durch die Erfindung angestrebte Zweck in praktischen Anwendungen sinnvoll erreicht werden kann.
  • Das dispersive optische Element zum Aufprägen des zusätzlichen Chirps kann durch gängige optische Komponenten, wie z.B. eine optische Faser, eine Gitteranordnung, eine Prismenanordnung oder einen oder mehrere dispersive Spiegel gebildet sein. Damit ist die Erfindung praktisch einfach umsetzbar.
  • Zweckmäßig ist das nichtlineare Medium dazu ausgelegt, die spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation zu bewirken. Hierzu kann das nichtlineare optische Medium beispielsweise eine optische Faser, ein volumenoptisches Element, eine gasgefüllte Hohlkernstruktur oder eine Multi-Pass-Zelle sein.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Detektionseinrichtung zur Detektion der spektralen Verbreiterung ein optisches Spektrometer oder wenigstens einen Fotosensor in Kombination mit einem spektralen Filter, insbesondere Bandpassfilter, Kantenfilter oder dispersive Elemente wie Gitter und Prismen mit Apertur, dazu ausgelegt, Spektralanteile ober- oder unterhalb der Zentralwellenlänge zu selektieren, und zwar in einem Spektralbereich, in dem die Laserstrahlung durch die nichtlineare spektrale Verbreiterung zusätzliche spektrale Intensität erhält. Auf letztere Weise kann durch den einfachen Einsatz eines spektralen Filters und eines Fotosensors (z.B. Fotodiode) die spektrale Breite und damit indirekt die Pulsdaueränderung detektiert werden, und zwar so, dass das Detektionssignal das analoge Ausgangssignal des Fotosensors ist, das unmittelbar als Fehlersignal im Rahmen einer Regelung verwendet werden kann.
  • Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, die mit der Detektionseinrichtung und der Laserquelle verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung ausgelegt ist, aus der detektierten spektralen Verbreiterung ein Stellsignal zur Ansteuerung der Laserquelle abzuleiten. Dabei beeinflusst das Stellsignal zweckmäßig die Pulsdauer der Laserpulse. Wenn z.B. die Laserquelle ein CPA-System umfasst, kann das Stellsignal verwendet werden, um wenigstens eine dispersive optische Komponente des CPA-Systems zu beeinflussen, die eine Streckung oder eine Kompression der Laserpulse bewirkt, d.h. den Strecker bzw. den Kompressor. Z.B. kann durch Ansteuerung mit dem Stellsignal der Abstand einer dispersiven Gitteranordnung verstellt werden.
  • Bei einer möglichen Ausgestaltung ist die Laserquelle dazu ausgelegt, im Wesentlichen bandbreitenbegrenzte Laserpulse zu erzeugen. Die Erfindung kann dann genutzt werden, um die Pulsdauer zu stabilisieren, um z.B. die Qualität bei einer nachfolgenden Materialbearbeitung oder die Stabilität einer nachgeschalteten nichtlinearen Pulskompression zu verbessern.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1: erfindungsgemäßes optisches System schematisch als Blockdiagramm;
    • 2: Illustration der Ausnutzung der nichtlinearen spektralen Verbreiterung gemäß der Erfindung;
    • 3: Illustration des Einflusses von Dispersion dritter Ordnung auf die nichtlineare spektrale Verbreiterung.
  • Das optische System der 1 umfasst eine Laserquelle 1, z.B. in Form eines CPA-Systems an sich bekannter Ausgestaltung, die Laserpulse mit einer Pulsdauer von 200 fs (FWHM, Gauß-förmige Laserpulse) bei einer Zentralwellenlänge von 1060 nm emittiert. Der eigentliche Nutzstrahl 2 verlässt das System und wird z.B. zur Materialbearbeitung verwendet. Ein Teilstrahl 3 wird zur erfindungsgemäßen Detektion von z.B. thermisch verursachten Schwankungen der Pulsdauer verwendet.
  • In der 1 sind jeweils ober- und unterhalb des Strahlverlaufs die Pulsform des Laserpulses bzw. das Spektrum des Laserpulses dargestellt.
  • Die Laserpulse durchlaufen ein dispersives optisches Element 4 (z.B. eine optische Faser mit geeigneter Dispersion), wodurch den Laserpulsen eine Gruppenlaufzeitdispersion und damit ein Chirp aufgeprägt wird. Durch eine Gruppenlaufzeitdispersion von z.B. 0,025 ps2 wird in diesem Beispiel eine zeitliche Streckung der Laserpulse auf ca. 400 fs bewirkt.
  • Danach durchlaufen die gestreckten Laserpulse ein nichtlineares Medium 5 (z.B. eine optische Faser mit geeignetem nichtlinearen Brechungsindex), in dem eine spektrale Verbreiterung der Laserpulse im Wesentlichen durch Selbstphasenmodulation stattfindet. Unter der Annahme konstanter Pulsenergie beeinflusst eine Veränderung der Pulsdauer der Laserpulse die spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation quadratisch, was einen zusätzlichen „Hebel“ zur Steigerung der Sensitivität bei der Detektion von Pulsdauerschwankungen in dem CPA-System der Laserquelle 1 bereitstellt. Die spektral verbreiterten Laserpulse werden einer Detektionseinrichtung 6 zugeführt. Diese erzeugt an ihrem Ausgang ein von der spektralen Verbreiterung abhängiges Signal. Dieses dient als Eingangssignal, d.h. als Regelgröße bzw. als Fehlersignal, einer Regeleinrichtung 7, die ihrerseits mir der Laserquelle 1 verbunden ist. Die Regeleinrichtung 7 leitet aus dem Ausgangssignal der Detektionseinrichtung 6 ein Stellsignal zur Ansteuerung der Laserquelle 1 ab. Das Stellsignal beeinflusst die Pulsdauer der Laserpulse, indem durch das Stellsignal wenigstens eine dispersive optische Komponente der Laserquelle 1 (z.B. CPA-Lasersystem) beeinflusst wird. Auf diese Weise wird die Pulsdauer der Laserpulse im Nutzstrahl 2 stabilisiert.
  • Die eindeutige Ableitung des Fehlersignals wird im Folgenden anhand der 2 näher erläutert. Dabei wird die spektrale Verbeiterung der gechirpten Laserpulse betrachtet. Bei diesem Beispiel gelten die folgenden Parameter: Pulsenergie = 1µJ, nichtlinearer Brechungsindex = 3.2·10-20 m2/W, Modenfelddurchmesser der als nichtlineares Medium 5 verwendeten optischen Faser = 20 µm, Wechselwirkungslänge = 1 cm, keine Dispersion während der Propagation durch das nichtlineare Medium 5. Das Diagramm der 2a zeigt das Ergebnis der spektralen Verbreiterung nach vorheriger Aufprägung des zusätzlichen Chirps, wie oben erläutert. Spektrum 8 zeigt den Fall ohne Pulsdauerschwankung, d.h. den Fall, in dem das CPA-System der Laserquelle 1 bandbreitenbegrenzte Laserpulse emittiert. Dies ist der Soll-Zustand der Regelung. Eine im CPA-System z.B. aufgrund thermischer Effekte im Kompressor ungewollt aufgeprägte zusätzliche Gruppenlaufzeitdispersion von +0,0025 ps2 (entsprechend einer Pulsdaueränderung von 200 fs auf 203 fs im nahezu bandbreitenbegrenzten Ausgangsstrahl) führt zu einer deutlichen Reduktion der spektralen Verbeiterung, wie man anhand des Spektrums 9 erkennt. Die Pulsdauer hinter dem dispersiven optischen Element 4 ist in dem Beispiel von 400 fs (im Fall bandbreitenbegrenzter Laserpulse) auf ca. 430 fs gestiegen. Eine ungewollte Gruppenlaufzeitdispersion in der Laserquelle 1 von -0,0025 ps2 führt, wie man anhand des Spektrums 10 erkennt, demgegenüber zu einer deutlichen Verstärkung der spektralen Verbreiterung. In diesem Fall ist die Dauer der Laserpulse am Eingang des nichtlinearen Mediums 5 von 400 fs auf ca. 370 fs gesunken. Voraussetzung für den in dem Diagramm der 2a zu erkennenden, deutlichen Einfluss der genannten, vergleichsweise geringen Dispersionsschwankungen in dem CPA-System der Laserquelle 1 auf die nichtlineare Verbreiterung, und damit auf die Empfindlichkeit der Detektion der Schwankungen, ist die Aufprägung des zusätzlichen Chirps mittels des dispersiven optischen Elementes 4. Dies ist die wesentliche Erkenntnis, die sich die Erfindung zu Nutze macht.
  • Zur Ableitung eines sensitiven und eindeutigen Fehlersignals bietet sich in dem Beispiel die Detektion der transmittierten Leistung durch einen spektralen Bandpassfilter z.B. bei 1027 nm Wellenlänge, d.h. außerhalb der Zentralwellenlänge der Laserpulse an. Die Filtercharakteristik ist je nach Anwendungsfall entsprechend anzupassen. Dies illustrieren die 2b und 2c. 2a zeigt das gesamte Spektrum der spektral verbreiterten Laserpulse in einem logarithmischen Diagramm. 2b ist eine lineare Darstellung der Flanken der Spektren 8, 9, 10 auf der kurzwelligen Seite des Spektrums. 2c zeigt das Ausgangssignal einer Fotodiode, die die Intensität der Laserstrahlung bei 1027 nm, d.h. nach Durchlaufen des Bandpassfilters in ein elektrisches Signal umsetzt, in Abhängigkeit von der in der Laserquelle 1 ungewollt aufgeprägten Gruppenlaufzeitdispersion. Eine negative ungewollte Gruppenlaufzeitdispersion führt zu einer Erhöhung und eine positive ungewollte Gruppenlaufzeitdispersion zu einer Absenkung des Signals relativ zu einem Sollwert entsprechend dem Fall bandbreitenbegrenzter Laserpulse. Im dargestellten Beispiel und unter der Annahme, dass das Signal eine Spannung in Volt ist, beträgt der Sollwert bei 0,0 ps2 (bandbreitenbegrenzte Laserpulse) 5.6 V und die Antwort bei Abweichungen davon -1.5 mV pro fs2. Mit einer entsprechend rauscharmen Detektion des Signals der Fotodiode ist somit eine Sensitivität von ca. 10 fs2 ungewollter Gruppenlaufzeitdispersion um den Soll-Zustand bandbreitenbegrenzter Laserpulse herum praktisch möglich, was bei 200 fs Pulsdauer einer Schwankung von nur wenigen Attosekunden entspricht.
  • Das so gemessene Signal wird, wie oben anhand der 1 erläutert, als Fehlersignal für die Regelung genutzt. Denkbar ist nicht nur die darauf basierende Anpassung des Gitterabstandes in einem Gitterkompressor des CPA-Systems, sondern auch die Korrektur der Dispersion durch einen sogenannten Spatial-Light-Modulator (SLM) oder einen sogenannten Acousto-Optic Programmable Dispersive Filter (AOPDF / DAZZLER). Ebenso denkbar sind neben weiteren Möglichkeiten die Verwendung temperaturgesteuerter gechirpter Faser-Bragg-Gitter als variable Streckerelemente im CPA-System, eines variablen Mini-Kompressors oder eines zusätzlichen Prismenkompressors.
  • Anzumerken ist noch Folgendes:
    • - Der Soll-Zustand der Regelung muss nicht der Zustand bandbreitenbegrenzter Laserpulse sein. Ebenso kann auf eine andere, vorgegebene Pulsdauer stabilisiert werden.
    • - Der erfindungsgemäß zusätzlich aufgeprägte Chirp kann auch negativ sein. Dadurch ändert sich lediglich das Vorzeichen der Fehlersignalcharakteristik in 2c.
    • - Die Sensitivität der Detektion kann durch die Stärke der nichtlinearen Verbreiterung, den zusätzlichen Chirp und die Wahl der Wellenlänge des spektralen Filters vor der Fotodiode beeinflusst werden.
    • - Die spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation ist nur beispielhaft. Jeder nichtlineare Effekt, der zu einer von der Pulsdauer bzw. der Pulsspitzenleistung abhängigen spektralen Verbreiterung führt, kann genutzt werden. Entsprechend sind verschiedene Arten von nichtlinearen Medien für die spektrale Verbreiterung einsetzbar.
    • - Die Detektion der Pulsdauer kann durch Schwankungen der Pulsenergie beeinträchtigt sein (da z.B. eine geringere Pulsenergie ebenfalls zu einer reduzierten Verbreiterung führt). Dieser Fehlerfall kann z.B. durch das gleichzeitige Messen der Gesamtleistung / Pulsenergie oder das Messen an mehreren spektralen Positionen herausgerechnet werden.
  • In der Praxis werden die erwähnten thermisch induzierten und ungewollten Pulsdauerschwankungen zumeist von Effekten hervorgerufen werden, die vorrangig durch Dispersion zweiter Ordnung beschrieben werden können. Dennoch sei erwähnt, dass die Methode der Erfindung auch die Unterscheidung von Dispersion zweiter Ordnung und Dispersion dritter Ordnung erlaubt. Angelehnt an das oben im Zusammenhang mit 2 beschriebene Beispiel zeigt das Diagramm der 3 die Auswirkung einer zusätzlichen ungewollten Dispersion dritter Ordnung auf die spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation unter ansonsten identischen Annahmen wie oben dargestellt. Das Spektrum 8 korrespondiert wiederum zu dem Soll-Zustand bandbreitenbegrenzter Laserpulse. Eine ungewollte und zu detektierende bzw. kompensierende Dispersion dritter Ordnung von 0,0005 ps3 führt aufgrund der Asymmetrie des resultierenden zeitlichen Intensitätsprofils des Laserpulses zu einer deutlichen und somit einfach detektierbaren Asymmetrie in der spektralen Verbreiterung (Spektrum 11). Durch Detektion der spektralen Leistungsdichten an den Flügeln der Verbreiterung (z.B. bei 1027 nm und 1100 nm Wellenlänge) kann diese Asymmetrie detektiert werden und somit die Relation zwischen ungewollter Dispersion zweiter und dritter Ordnung bestimmt werden.

Claims (13)

  1. Optisches System mit - einer Laserquelle (1), ausgelegt zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen, - wenigstens einem dispersiven optischen Element (4), ausgelegt dazu, den Laserpulsen eine Gruppenlaufzeitdispersion und damit einen Chirp aufzuprägen, - einem nichtlinearen Medium (5), ausgelegt zur nichtlinearen spektralen Verbreiterung der Laserpulse während der Propagation durch das Medium (5), und - einer Detektionseinrichtung (6, ausgelegt zur Detektion der spektralen Verbreiterung.
  2. Optisches System nach Anspruch 1, wobei das dispersive optische Element (4) dazu ausgelegt ist, eine Pulsstreckung der Laserpulse mit Erhöhung der Pulsdauer um zumindest den Faktor 1,1, bevorzugt um zumindest den Faktor 1,5, besonders bevorzugt um zumindest den Faktor 2,0 zu bewirken.
  3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das dispersive optische Element (4) durch eine optische Faser, eine Gitteranordnung, eine Prismenanordnung oder einen oder mehrere dispersive Spiegel gebildet ist.
  4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das nichtlineare Medium (5) dazu ausgelegt ist, die spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation zu bewirken.
  5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das nichtlineare optische Medium (5) eine optische Faser, ein volumenoptisches Element, eine gasgefüllte Hohlkernstruktur oder eine Multi-Pass-Zelle ist.
  6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Detektionseinrichtung (6) umfasst: - ein optisches Spektrometer oder - wenigstens einen Fotosensor in Kombination mit einem spektralen Filter, insbesondere Bandpassfilter, Kantenfilter oder dispersives Element mit Apertur, dazu ausgelegt, Spektralanteile ober- oder unterhalb der Zentralwellenlänge zu selektieren, und zwar in einem Spektralbereich, in dem die Laserstrahlung durch die nichtlineare spektrale Verbreiterung zusätzliche spektrale Intensität erhält.
  7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter aufweisend eine Regeleinrichtung (7), die mit der Detektionseinrichtung (6) und der Laserquelle (1) verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung (7) ausgelegt ist, aus der detektierten spektralen Verbreiterung ein Stellsignal zur Ansteuerung der Laserquelle (1) abzuleiten.
  8. Optisches System nach Anspruch 7, wobei das Stellsignal die Pulsdauer der Laserpulse beeinflusst.
  9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Laserquelle (1) ein Chirped Pulse Amplification-System umfasst, wobei das Stellsignal wenigstens eine dispersive optische Komponente des Chirped Pulse Amplification-Systems beeinflusst, die eine Streckung oder eine Kompression der Laserpulse bewirkt.
  10. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Laserquelle (1) dazu ausgelegt ist, im Wesentlichen bandbreitenbegrenzte Laserpulse zu erzeugen.
  11. Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, mit den folgenden Verfahrensschritten: - Erzeugen gepulster Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen, - Aufprägen eines Chirps auf die Laserpulse, - nichtlineares spektrales Verbreitern der Laserpulse, und - Detektieren der spektralen Verbreiterung.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Pulsdauer der Laserpulse stabilisiert wird, indem aus der detektierten spektralen Verbreiterung ein die Pulsdauer beeinflussendes Stellsignal abgeleitet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Stellsignal eine dispersive optische Komponente einer die gepulste Laserstrahlung erzeugenden Laserquelle beeinflusst.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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