EP3607621A1 - Laserverstärkersystem mit zweistufigem kompressorsystem - Google Patents

Laserverstärkersystem mit zweistufigem kompressorsystem

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EP3607621A1
EP3607621A1 EP18715599.9A EP18715599A EP3607621A1 EP 3607621 A1 EP3607621 A1 EP 3607621A1 EP 18715599 A EP18715599 A EP 18715599A EP 3607621 A1 EP3607621 A1 EP 3607621A1
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EP
European Patent Office
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laser
fiber
amplifier
laser pulses
solid
Prior art date
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Pending
Application number
EP18715599.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Aleksander BUDNICKI
Raphael SCELLE
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Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3607621A1 publication Critical patent/EP3607621A1/de
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    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S3/2375—Hybrid lasers

Definitions

  • the present invention relates to ultrashort pulse (UKP) laser systems, in particular to UKP laser systems for amplifying pulsed laser radiation to high power and / or high pulse energy. Furthermore, the invention relates to a method for dispersion compensation in such laser systems.
  • UKP ultrashort pulse
  • fiber laser amplifiers can be used as the input stage and solid-state based amplifiers as post-amplifiers, see eg "Industrial grade fiber-coupled laser systems delivering ultrashort high power pulses for micromachining" in Proc. Of SPIE Vol. 9741 975109- 1.
  • Initial laser pulses coupled into the fiber laser amplifiers are amplified in the fiber and at the same time stretched.
  • the initial laser pulses can be, for example, seed pulses of a seed laser.
  • These preamplified laser pulses are amplified to the desired high output pulse energy in the solid-state based post-amplifier time-compressed the post-amplified laser pulses and output as output laser pulses (also referred to herein as output pulses).
  • the compression of the post-amplified laser pulses is usually carried out with a downstream compressor system, which supplies the gain associated with the amplification
  • Dispersion largely compensated so as to set the desired ultrashort pulse duration for the output laser pulses.
  • the dispersion to be compensated may comprise, in addition to the dispersion supplied in the amplification media, also the dispersion which is supplied to the seed pulses in a gain system which precedes the amplification and which brings about an additional laser pulse extension.
  • a stretching system temporally stretched seed pulses are thus coupled into the fiber as initial laser pulses.
  • the pulse stretching reduces the pulse peak power u.a. in the amplification media and is the basis of the so-called "chirped pulse amplification" (CPA).
  • Strecker and compressor systems can generally be used in transmission or reflection dispersive optical elements such as (diffraction) gratings, volume Bragg gratings, prisms and / or grisms and / or dispersive mirrors such as Gires-Tournois interferometer mirrors (GTI mirrors ) and, for example, as lattice stretchers and lattice compressor assemblies be educated.
  • optical elements such as (diffraction) gratings, volume Bragg gratings, prisms and / or grisms and / or dispersive mirrors such as Gires-Tournois interferometer mirrors (GTI mirrors ) and, for example, as lattice stretchers and lattice compressor assemblies be educated.
  • GTI mirrors Gires-Tournois interferometer mirrors
  • Lattice compressors allow the compensation of large dispersion values, such as those that can occur when amplifying to high power and / or high pulse energy, but are sensitive to changes in the beam position after the solid state amplifier and compressor maladjustment due to high thermal loads, since any path change in the lattice compressor leads to a change in the dispersion and thus the pulse duration change.
  • high power high energy UKP laser systems also require large beam diameters in the lattice compressor, so that correspondingly large and expensive optical gratings are used.
  • US 2013/0223460 A1 further discloses a pulsed laser amplifier system in which the compression of amplified laser pulses takes place in a compressor, which adjoins the amplification process and is usually operated in vacuum.
  • an adjustment compressor is additionally provided for setting the dispersion.
  • the adjustment compressor effectively fine adjusts the pulse duration of the pulses output, particularly while maintaining the initially stretched pulses for the amplification.
  • the adjustment compressor advantageously provides less than 20% and preferably less than 10% of the compression rate of the compressor.
  • An aspect of this disclosure is based on the object of proposing a compression concept which allows the use of smaller gratings and is more tolerant to changes in the beam path of the amplified laser beam. At least one of these objects is achieved by a laser amplifier system according to claim 1 and by a method for amplifying laser pulses according to claim 15. Further developments are given in the subclaims.
  • a laser amplifier system comprises a two-stage compressor system for outputting output laser pulses by amplifying initial laser pulses.
  • the laser amplifier system in this case comprises a fiber laser preamplifier unit for preamplifying coupled-in initial laser pulses and for outputting preamplified laser pulses, an intermediate compressor stage for temporally partial compression of the preamplified laser pulses, a solid state amplifier unit for post-amplifying time-compressed pre-amplified laser pulses and outputting post-amplified laser pulses, and a post-compressor stage for temporally compressing the post-amplified laser pulses to produce the output laser pulses.
  • a method of amplifying laser pulses comprises the steps of providing a seed laser pulse source unit for generating seed laser pulses to be seeded for initial laser pulses, preamplifying the seed laser pulses with a fiber preamplifier unit to produce preamplified laser pulses, and partially compressing the preamplified laser pulses Post-amplifying partially compressed preamplified laser pulses with a solid state amplifier unit and compressing the post-amplified laser pulses.
  • the embodiments disclosed herein may include i.a. have the following advantages:
  • a partial compression means that no maximum spectrally possible compression is performed after the fiber laser preamplifier unit, but that the pulse length is only partially reduced.
  • a two-stage compression reduces the pulse length, for example by at least 30%, preferably by 50%) or more. For example, at least 75% of the pulse length can be removed.
  • the peak pulse power should not become too high due to the optical element damage thresholds and possible non-linearities which, inter alia, determine the minimum minimum input pulse length as the lower limit to the degree of partial compression.
  • reflection gratings for the second compressor disposed after the solid state amplifier since these provide higher efficiency than transmission gratings.
  • large grids have corresponding unevenness, which can adversely affect the beam quality.
  • the larger the grille the greater unevenness must be taken into account.
  • Precompression now allows smaller grids to be used, reducing the impact on beam quality through the grids of the post-compressor stage. In pre-compression itself, small beam diameters and thus small grids or transmission grids can be used, whereby the beam quality is also little affected here.
  • the sensitivity of a compressor to the beam position of the amplified laser pulses increases with the compression factor, eg the size of the lattice compressor. Since a fiber laser system is fundamentally more stable with respect to the beam position than a solid state amplifier (especially at high powers and thus high thermal load in the solid state amplifier), it is generally advantageous to reduce the compression factor after the solid state amplifier and the pulses as possible before the solid state amplifier to compress that too high intensities are not generated in the solid state amplifier. For a setting (in particular optimization) of the pulse duration or the pulse shape of the output laser pulses, it is necessary to adapt the dispersion properties of the compressor and possibly of the straightener.
  • Fiber lasers often use chirped fiber Bragg grating for stretching, which typically offers less freedom to adjust the dispersion as the compressor. Therefore, the dispersion is often adjusted by manipulating the compressor system.
  • high performance UKP systems with only one compressor after the solid state amplifier, such a necessary adjustment of the (only existing) compressor system is demanding due to the high performance in the compressor.
  • the two-stage compressor system proposed herein it may be possible to carry out the dispersion adjustments already in the first compressor at significantly lower powers, or at least partially to contribute thereto.
  • a two-stage compressor design with the same size (same dispersion parameters) of the output compressor can provide higher temporal insertion factors for the fiber laser preamplifier unit and / or the solid state amplifier unit, so that in particular higher pulse energies can be extracted from the fiber stage and from the laser amplifier system as a whole .
  • the concepts of reducing compression factors of compressor stages disclosed herein can be used in amplifier systems that are not substantially based on spectral broadening during post-amplification.
  • the concepts disclosed herein are applicable in amplifier systems employing different amplifier media (e.g., fiber amplifiers for the fiber laser preamplifier unit and rod or disk amplifiers for the solid state repeater unit).
  • different amplifier media e.g., fiber amplifiers for the fiber laser preamplifier unit and rod or disk amplifiers for the solid state repeater unit.
  • FIG. 1 shows an exemplary schematic representation of a laser amplifier system with a two-stage compressor structure
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a low-repetition laser system with a plurality of rod post-amplifiers operating in the kHz range
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a low-repetition laser system with a multipass disc repeater for generating high pulse energies in the MHz range.
  • Aspects described herein are based in part upon the discovery that by a two-stage compressor system having a first compressor between, for example, a fiber laser and a solid state amplifier (referred to herein as an intermediate compressor stage) and a second compressor after the solid state amplifier (referred to herein as the postcompressor stage) the compression factor of the second compressor can be reduced.
  • a two-stage compressor system having a first compressor between, for example, a fiber laser and a solid state amplifier (referred to herein as an intermediate compressor stage) and a second compressor after the solid state amplifier (referred to herein as the postcompressor stage) the compression factor of the second compressor can be
  • a reduced beam diameter in the spectrally dispersive (split) direction is present in a lattice compressor designed as an after-compressor stage due to the smaller compression factor, so that smaller (and more cost-effective) optical lattices are used in this direction for the compression of the output pulses with high powers and / or pulse energies can be.
  • the required stretching factors at different amplifier stages may allow, with a partial compression, ie, a compression between the different amplifier stages, to still fulfill a subsequently lower required stretching factor, thereby reducing the compression that becomes necessary in the end becomes.
  • This can simplify the construction of the second (post) compressor stage.
  • An exemplary attractive approach for a high power, high energy UKP laser system is the combination of a fiber laser input stage with a solid state amplifier.
  • the fiber laser is flexible and e.g. very stable with respect to its output beam position.
  • the solid state amplifier allows higher average powers and pulse energies (peak powers).
  • the pulses Prior to boosting the pulses in the fiber laser system, the pulses are typically stretched in time to reduce peak power and, therefore, must subsequently be time compressed again.
  • a complete (pre-) compression of the pulses directly after the fiber laser input stage is usually not possible because then occurring in the solid state amplifier Intensities would be too high and, for example, non-linear effects or damage to the amplifier medium (solid state, eg in the form of a rod, slab or a write) or optical components such as a Pockels cell can occur. Therefore, amplification of stretched pulses in the solid state amplifier and thus compression after the solid state amplifier is necessary.
  • solid-state amplifiers In comparison to fiber-based amplifiers, solid-state amplifiers typically operate with significantly larger mode surfaces and thus with the same pulse duration at lower intensities and nonlinearities. For this reason, less stretching is required for a solid state amplifier than for a fiber laser. This allows the compression of the pulses, for example, in two stages, i. with a first compressor immediately after the fiber laser and a second compressor after the solid state laser to perform. The advantages of such a two-stage compressor approach have been explained in the introduction. In the following, the amplification process and the associated components of a (UKP) laser amplifier system 1 are explained by way of example in connection with FIG.
  • the laser amplifier system 1 comprises a seed laser pulse source unit 3, optionally a gain system 5 upstream of the amplification process, a fiber laser preamplifier unit 7, an intermediate compressor stage 9, a solid-state amplifier unit 11 and a post-compressor stage 13.
  • the fiber laser preamplifier unit 7 and the solid-state amplifier unit 11 are designed such that In the case of the respective amplification processes in the operating range of the laser amplifier system 1, the fiber laser preamplifier unit 7 requires a greater stretching factor than the solid-state amplifier unit 11.
  • the laser pulses which leave the respective component are indicated schematically as intensity curves over time.
  • the amplification process z. B. designed such that the spectrum of a laser pulse when passing through the solid state amplifier unit 11 (or possibly when passing through the entire Laserverstär- kersystems 1) substantially spectrally broadened, possibly due to "gain narrowing" spectrally narrower.
  • the seed laser pulse source unit 3 provides a train of seed laser pulses 3A for subsequent amplification.
  • the seed laser pulses 3A have a seed pulse length in the range from ns to fs, for example, and are generated at a repetition rate in the kHz range up to the MHz range.
  • the seed laser pulse source unit 3 is exemplified in FIG. 1 as a fiber oscillator 3B.
  • the fiber oscillator 3B comprises, for example, an Ytterbium-doped, fiber-based and mode-locked fs oscillator for generating laser pulses with pulse lengths of, for example, a few 100 fs at wavelengths around 1030 nm, pulse energies in the range from, for example, 20 pJ to 100 pJ and repetition rates in the range of eg less than 50 MHz, such as 20 MHz or 10 MHz or a few 100 kHz.
  • thulium-doped and erbium-doped fibers in the ⁇ wavelength range and holmium-doped fibers in the 2 ⁇ wavelength range.
  • solid-state oscillators for example, bar, slab or disk lasers
  • diode lasers or microchip lasers can be used to generate the seed laser pulses 3A.
  • part of the generation of the seed laser pulses 3A may be a spectral broadening in a fiber upstream of the fiber laser preamplifier unit.
  • the optional straightener system 5 (also referred to as pulse length straightener) makes it possible to set the pulse length of the laser pulses coupled into the fiber laser preamplifier unit 7, ie, the initial laser pulses 5A, such that a minimum fiber output pulse length T m i n , fiber out at (explained below) Output of the fiber laser amplifier unit 7 is not exceeded.
  • the extensor system 5 may be formed, for example, as a chirped fiber Bragg grating stretcher 5B. Furthermore, (diffraction) grating straighteners can be used.
  • the optional traction system 5 may be implemented separately or as part of the seed laser pulse source unit 3.
  • Pulse length stretching over a dispersive fiber or dispersive optical structure may reduce the pulse length of the seed laser pulses to e.g. 100 ps to 1 ns (or up to several ns) before they are provided to the fiber preamplification system 5 as initial laser pulses 5 A.
  • a first preamplification operation may occur even before the pulse length stretching.
  • the amplification process begins with the coupling of the initial laser pulses 5A into the fiber laser preamplifier unit 7.
  • Two reinforcing fibers 7B are shown by way of example in Figure 1.
  • the amplification process in an amplification fiber 7B is characterized in particular by a mode size in the amplification fiber 7B, a maximum laser pulse energy / pulse peak power present in the amplification fiber 7B and / or a material property of the amplification fiber 7B, such as an optical nonlinearity, and the minimum fiber output pulse length l min, fiber out for the pre-amplified laser pulses 7A.
  • the solid-state amplifier unit 11 has a minimum solid-state input pulse length T mm , FK in, which is required for a stable operation of the laser amplifier system 1, which is particularly uninfluenced by nonlinearities. This is shorter than the minimum fiber output pulse length Tmin, fiber out.
  • the fiber laser preamplifier unit 7 may comprise, for example, a sequence of fiber optic amplifier stages optically coupled in series, wherein the input laser pulses 5A are sequentially amplified in the fiber laser amplifier stages and output as an intermediate pulse train comprising the intermediate pulse length comprising the preamplified laser pulses 7A.
  • the intermediate pulse length is greater than the minimum fiber output pulse length l min, fiber out, but also larger than would be necessary in view of the required minimum solid-state input pulse length T m in, FK in.
  • the pulse lengths of the preamplified laser pulses 7A are above (or comparable to) the minimum fiber output pulse length T m in, fiber out, which is presupposed for a stable, in particular with respect to nonlinearities controllable operation of the fiber laser preamplifier unit 7.
  • Exemplary values of minimum output pulse length l min, fiber out are 10 ps to several 100 ps.
  • An example of a gain fiber 7B is a "single clad" single-mode step-index fiber that is pumped, for example, with a “single-mode” pumping unit.
  • pulse energies of up to 1 ⁇ can be achieved starting from the seed pulses, for example low repetition at a power of 500 mW and a repetition rate of 500 kHz See also the description in connection with Figures 2 and 3.
  • a pulse selection unit can be provided in order to more efficiently amplify individual selected laser pulses in the fiber laser preamplifier unit 7 and / or solid state amplifier unit 11.
  • fiber-coupled acousto-optic modulators or free jet acousto-optic modulators - AOM
  • EOM electro-optical modulators
  • preamplified laser pulses 7A are output, which are then fed to the intermediate compressor stage 9 for time compression to shorten the laser pulses to values above (equal to) the minimum minimum input pulse length ⁇ min, FK in ZU. That is, in the intermediate compressor stage 9, a first temporal recompression of the laser pulses takes place at pulse lengths of, e.g. a few 10 ps or a few 100 ps.
  • the first temporal recompression may e.g. with a grating compressor 9B, shown schematically in FIG. 1, with a transmission grating.
  • a (chirped) volume Bragg grating or GTI mirror can also be used alternatively or additionally, which allows a jet-stable intermediate compressor stage 9 by its compact construction, since only the coupling is to be made stable.
  • the first temporal partial compression is designed to compensate for as much dispersion as possible before post-amplification, but the post-amplification should not be adversely affected, but at the same time the remaining dispersion to be compensated should be reduced as much as possible.
  • the intermediate compressor stage 9 is designed such that the pulse length of the pre-amplified laser pulses 7A, which is greater than or equal to the minimum fiber output pulse length T m i n , fiber out, is compressed to a pulse length which is smaller than the minimum fiber output pulse length l min, Fiber is out and greater than or in the range of minimum solids input pulse length T m m, FK is in.
  • dispersive elements can thus be considered in the further beam path.
  • the intermediate compressor stage 9 outputs temporally partially compressed pre-amplified laser pulses 9A.
  • the partially time-compressed pre-amplified laser pulses 9A are supplied to the solid-state amplifier unit 11 for post-amplification. Accordingly, the solid-state amplifier unit 11 outputs amplified laser pulses I IA.
  • the solid-state amplifier unit 11 may comprise at least one solid-state laser amplifier stage, which is designed as a rod, slab or disk laser amplifier stage. Furthermore, optionally, the at least one solid-state laser amplifier stage can be designed as a linear amplifier or regenerative amplifier.
  • the solid-state amplifier unit 11 may in particular comprise a sequence of solid-state laser amplifier stages optically coupled in series, wherein laser pulses in the solid-state laser amplifier stages are sequentially amplified and output as post-amplified laser pulses I IA.
  • the solid-state amplifier unit 11 can be operated, for example, as a low repetitive amplifier stage in the repetition range of eg 20 kHz to 1 MHz (or up to a few MHz, for example 10 MHz).
  • the solid-state amplifier unit 11 may comprise optical components such as a solid-state laser medium I IB and in particular beam guiding optics such as deflection mirrors 1 IC and optionally an optical switching element (pulse selection unit) such as a Pockels cell HD interacting with a polarizer (indicated schematically in FIG. 1).
  • at least one of the optical components is associated with a maximum pulse power that the solid-state minimum input pulse length T m i n, FK in extent.
  • the maximum pulse power is given, for example, by a maximum tolerable nonlinearity associated with the present optical parameters.
  • the maximum pulse power depends, for example, on the mode size, the frequency dependence of the gain in one of the optical elements, in particular in a solid-state laser medium, such as a rod, slab, or disk laser solid-state laser medium, and / or the influence of the beam quality by the nonlinearity, for example the formation a spatial chirp by self-phase modulation, from.
  • the frequency dependence of the gain here refers to an undesired influence on the spectrum of the pulses, which leads to a reduced pulse quality can.
  • the maximum pulse power can be given by a (in particular surface) damage threshold associated with a mode variable in one of the optical elements, in particular the optical switching element such as the Pockels cell HD, or the onset of a degradation of the optical parameters.
  • the post-amplified laser pulses 11 A in the post-compressor stage 13 are time-recompressed to the desired (usually the minimum possible) pulse length. For example, pulse lengths of a few 100 fs to a few 100 ps can be achieved.
  • Recompression may e.g. again with a, as in the figure 1 schematically indicated grating compressor 13B done. The recompression can in turn take into account subsequent optical dispersive elements in the further beam path. For example, a chirped volume Bragg Grating or GTI mirror may also be used for recompression.
  • the time-recompressed post-amplified laser pulses may be used as output laser pulses 13A of the post-compressor stage 13 for workpiece processing in a machine tool, e.g. for micromachining, with the desired pulse length and corresponding peak pulse powers.
  • Figures 2 and 3 illustrate that the concept of two-stage compression can be implemented in differently oriented laser systems depending on the type of amplifier stages. So you can get pulses with very different pulse duration and pulse intensity.
  • FIG. 2 relates to a low-repetition laser system with a plurality of bar amplifiers and FIG. 3 to a low-repetition laser system with a multi-pass slice amplifier.
  • the fiber laser preamplifier unit 7 ' may comprise one or more (for example two) 10 ⁇ MFD fibers, which, for example at a repetition rate of 10 kHz pulses with one Pulse duration of 500 ps and a pulse energy of 1 ⁇ ] (ie, output power of 0.01 W) spend.
  • the pulses are compressed to a pulse length of 10 ps (with substantially equal pulse energy and output power of 0.01 W) and then amplified into a plurality of post-repeaters 11' to a pulse energy of, for example, 1 mJ (at substantially the same Pulse length of 10 ps), so that the output power is 10 W.
  • the 1 mJ pulses are compressed to a pulse duration of, for example, 1 ps (with essentially the same output power of 10 W).
  • the fiber laser preamplifier unit 7 shown schematically in FIG.
  • 3 may comprise, for example, one (or more) 50 ⁇ m MFD-Rod fibers which, for example, have pulses at a repetition rate of 1 MHz Pulse duration of 1 ns and a pulse energy of 100 ⁇ (ie, an output power of 100 W.
  • the pulses are compressed to a pulse length of 100 ps (with substantially equal pulse energy and output power of 100 W).
  • the partially compressed pulses pass through a disk repeater 11 "several times and are amplified to a pulse energy of, for example, 3 mJ (with substantially the same pulse length of 100 ps), so that the output power of the disk replenisher 11" is 3 kW.
  • the 3 mJ pulses are compressed to a pulse duration of, for example, 1 ps (with essentially the same output power of 3 kW).
  • high pulse peak powers or very high pulse energies can be generated at a very short pulse duration.
  • the pulse lengths, the optical media used, for example, the amplification fibers and solid-state laser media and their gain factors can be selected accordingly the.
  • B-integrals in the range of 30 rads and smaller (eg, 5 rads and smaller or, for example, 3 rads and smaller) associated with the initial laser pulses 5A / pre-amplified laser pulses 7A may be used.
  • the B integrals associated with the post-amplified laser pulses 11A may also be used in the range of 30 radians and smaller (eg 10 radians and less than or 5 radians and less than or equal to 3 radians and smaller).
  • B integrals of the post-amplified pulses can be present, for example, in the range of 10 radians and smaller, at least for the fundamental mode.
  • the concept of two-stage compression disclosed herein further also includes multi-stage compression when, for example, there is a split first compression between reinforcing fibers and / or the second compression is effected with a plurality of compressors.
  • the concept disclosed herein also includes, among other things, an amplification system based on a diode laser as a seeded laser pulse source unit with a subsequent spectral broadening in a fiber, a fiber laser preamplifier unit of an intermediate compressor stage, a solid state amplifier unit and an aftercompressor stage.

Abstract

Ein Laserverstärkersystem (1) mit zweistufigem Kompressorsystem zum Ausgeben von Ausgangslaserpulsen (13A) durch Verstärken von Anfangslaserpulsen (5A) umfasst eine Faserlaservorverstärkereinheit (7) zum Vorverstärken der Anfangslaserpulse (5A) und zum Ausgeben von vorverstärkten Laserpulsen (7A), eine Zwischenkompressorstufe (9) zum zeitlichen Teilkomprimieren der vorverstärkten Laserpulse (7A), eine Festkörpernachverstärkereinheit (11) zum Nachverstärken von zeitlich teilkomprimierten vorverstärkten Laserpulsen (9A) und zum Ausgeben von nachverstärkten Laserpulsen (11A) und eine Nachkompressorstufe (13) zum zeitlichen Komprimieren der nachverstärkten Laserpulse (11A) zur Erzeugung der Ausgangslaserpulse (13A).

Description

LASERVERSTÄRKERSYSTEM MIT ZWEISTUFIGEM KOMPRESSORSYSTEM
Die vorliegende Erfindung betrifft Ultrakurzpuls (UKP)-Lasersysteme, insbesondere UKP- Lasersysteme zur Verstärkung von gepulster Laserstrahlung auf hohe Leistung und/oder hohe Pulsenergie. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Dispersionskompensation bei derartigen Lasersystemen.
In Hochleistungs-Hochenergie-UKP-Lasersystemen können Faserlaserverstärker als Eingangsstufe und Festkörper-basierte Verstärker als Nachverstärker eingesetzt werden, siehe z.B.„Industrial grade fiber-coupled laser Systems delivering ultrashort high power pulses for micromachining" in Proc. of SPIE Vol. 9741 975109-1. In den Faserlaserverstärker eingekoppelte Anfangslaserpulse werden in der Faser verstärkt und zugleich zeitlich gestreckt. Die Anfangslaserpulse können beispielsweise Seed-Pulse eines Seed-Lasers sein. Derartig vorverstärkte Laserpulse werden im Festkörper-basierten Nachverstärker auf die gewünschte hohe Ausgangspulsenergie verstärkt. Nach erfolgter Verstärkung werden die nachverstärkten Laserpulse zeitlich komprimiert und als Ausgangslaserpulse (hierin auch als Ausgangspulse bezeichnet) ausgegeben.
Die Komprimierung der nachverstärkten Laserpulse erfolgt üblicherweise mit einem nachge- schalteten Kompressorsystem, das die im Zusammenhang mit der Verstärkung zugeführte
Dispersion weitgehend kompensiert, um so die gewünschte ultrakurze Pulsdauer für die Ausgangslaserpulse einzustellen.
Die zu kompensierende Dispersion kann neben der in den Verstärkungsmedien zugeführten Dispersion auch die Dispersion umfassen, die den Seed-Pulsen in einem der Verstärkung vorausgehenden und eine zusätzliche Laserpulsstreckung bewirkenden Streckersystem zugeführt wird. Im Fall der Verwendung eines Streckersystems werden somit zeitlich gestreckte Seed- Pulse als Anfangslaserpulse in die Faser eingekoppelt. Die Pulsstreckung reduziert die Pulsspitzenleistung u.a. in den Verstärkungsmedien und ist die Grundlage der sogenannten„chir- ped pulse amplification" (CPA).
Strecker- und Kompressorsysteme können allgemein in Transmission oder in Reflexion eingesetzte dispersive optische Elemente wie (Diffraktions-)Gitter, Volumen-Bragg-Gitter, Prismen und/oder Grisms und/oder dispersive Spiegel wie Gires-Tournois-Interferometer-Spiegel (GTI-Spiegel) umfassen und beispielsweise als Gitterstrecker- und Gitterkompressoraufbauten ausgebildet sein. Gitterkompressoren erlauben die Kompensation von großen Dispersionswerten, wie sie beispielsweise bei der Verstärkung auf hohe Leistung und/oder hohe Pulsenergie auftreten können, sind aber sensitiv auf Änderungen in der Strahllage nach dem Festkörperverstärker und Dejustage des Kompressors durch hohe thermische Lasten, da jede Wegände- rung im Gitterkompressor zu einer Änderung der Dispersion und damit zur Pulsdaueränderung führt. Zur Vermeidung hoher Intensitäten auf den Gittern eines Gitterkompressors sind bei Hochleistungs-Hochenergie-UKP-Lasersystemen ferner große Strahldurchmesser im Gitterkompressor notwendig, so dass entsprechend große und teure optische Gitter verwendet werden.
US 2013/0223460 AI offenbart ferner ein Verstärkersystem für gepulste Laser, bei dem die Kompression verstärkter Laserpulse in einem Kompressor erfolgt, der sich an den Verstär- kungsprozess anschließt und üblicherweise in Vakuum betrieben wird. Um ein Verändern der Einstellungen des Kompressors nicht durchführen zu müssen, ist für die Einstellung der Dis- persion zusätzlich ein Einstellkompressor vorgesehen. Der Einstellkompressor dient einer effektiven Feinjustage der Pulsdauer der ausgegebenen Pulse, insbesondere unter Beibehalten der eingangs gestreckten Pulse für die Verstärkung. Der Einstellkompressor stellt vorteilhafter Weise weniger als 20% und bevorzugt weniger als 10% der Kompressionsrate des Kompressors bereit.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kompressionskonzept vorzuschlagen, das die Verwendung von kleineren Gittern erlaubt und toleranter auf Änderungen des Strahlengangs des verstärkten Laserstrahls ist. Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Laserverstärkersystem nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Verstärkung von Laserpulsen nach Anspruch 15. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt weist ein Laserverstärkersystem ein zweistufiges Kompressorsystem zum Ausgeben von Ausgangslaserpulsen durch Verstärken von Anfangslaserpulsen auf. Das Laserverstärkersystem umfasst dabei eine Faserlaservorverstärkereinheit zum Vorverstärken von eingekoppelten Anfangslaserpulsen und zum Ausgeben von vorverstärkten Laserpulsen, eine Zwischenkompressorstufe zum zeitlichen Teilkomprimieren der vorverstärkten Laserpulse, eine Festkörpernachverstärkereinheit zum Nachverstärken von zeitlich komprimierten vorverstärkten Laserpulsen und zum Ausgeben von nachverstärkten Laserpulsen und eine Nachkom- pressorstufe zum zeitlichen Komprimieren der nachverstärkten Laserpulse zur Erzeugung der Ausgangslaserpulse.
In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zur Verstärkung von Laserpulsen die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer Seed-Laserpulsquelleneinheit zur Erzeugung von zu verstärkenden Seed-Laserpulsen als Grundlage für Anfangslaserpulse, Vorverstärken der Anfangslaserpulse mit einer Faservorverstärkereinheit zur Erzeugung von vorverstärkten Laserpulsen, Teilkomprimieren der vorverstärkten Laserpulse, Nachverstärken von teilkomprimierten vorverstärkten Laserpulsen mit einer Festkörpernachverstärkereinheit und Komprimieren der nachverstärkten Laserpulse.
In einigen Ausführungsformen ist die Faserlaservorverstärkereinheit für Verstärkungsfaktoren von >=3dB von Laserpulsen mit einer spektralen Breite >=lnm und einer Zwischenpulsener- gie >=0.5μΙ (nach der Vorverstärkung) bei einer Modengröße in der Verstärkungsfaser der letzten Verstärkerstufe von MFD >=10μιη ausgebildet, wobei der Modenfelddurchmesser MFD dem Doppelten des Radius entspricht, bei dem die Intensität auf 1/e2 abfällt. In einigen Ausführungsformen ist die Festkörpernachverstärkereinheit für Verstärkungsfaktoren >=3dB von Laserpulsen mit Pulslängen >=lps bei einer Modengröße in dem Festkörperverstärker von MFD >=100μιη ausgebildet. Ferner kann die Festkörpernachverstärkereinheit für Ausgangspulsenergien >=100μΧ
Die hierin offenbarten Ausführungsformen können u.a. folgende Vorteile aufweisen:
Bei einer Teilkomprimierung bei noch relativ niedrigen Intensitäten können für den Zwischenkompressor kleinere und damit günstigere Gitter verwendet werden. Durch die Teilkomprimierung sind des Weiteren auch kleinere Gitter für den Kompressor nach dem Festkörperverstärker einsetzbar, da der Kompressionsfaktor des zweiten Kompressors kleiner ist als bei der Verwendung nur eines einzigen Kompressors nach dem Festkörperverstärker. Dadurch sinken insgesamt die Kosten des Laserverstärkersystems, insbesondere für die Umsetzung des Kompressorkonzepts. Allgemein wird hierin unter einer Teilkomprimierung verstanden, dass keine spektral maximal mögliche Komprimierung nach der Faserlaservorverstärkereinheit vorgenommen wird, sondern dass die Pulslänge nur zu einem Teil reduziert wird. Eine zweistufige Komprimierung reduziert in der ersten Stufe die Pulslänge beispielsweise um mindestens 30%, bevorzugt um 50%) oder mehr. So können beispielsweise mindestens 75% der Pulslänge weggenommen werden. Allerdings sollte die Pulsspitzenleistung wegen der Zerstörschwellen optischer Element und möglicher nachteiliger Nichtlinearitäten nicht zu hoch werden, welche u.a. die Festkör- per-Mindesteingangspulslänge als untere Grenze für das Ausmaß der Teilkomprimierung bestimmen.
Auf Grund der hohen Leistungen kann es vorteilhaft sein, für den nach dem Festkörperverstärker angeordneten zweiten Kompressor Reflexionsgitter zu verwenden, da diese eine höhere Effizienz als Transmissionsgitter bieten. Allerdings kann es technologisch anspruchsvoll sein, derart große Reflexionsgitter zu fertigen. Denn in der Praxis weisen große Gitter entspre- chende Unebenheiten auf, die die Strahlqualität negativ beeinflussen können. Generell gilt: Je größer die Gitter desto größere Unebenheiten müssen in Kauf genommen werden. Durch die Vorkomprimierung können nun kleinere Gitter verwendet werden, wodurch der Einfluss auf die Strahlqualität durch die Gitter der Nachkompressorstufe reduziert wird. Bei der Vorkomprimierung selbst können kleine Strahldurchmesser und damit kleine Gitter oder Transmissi- onsgitter benutzt werden, wodurch auch hier die Strahlqualität wenig beeinträchtig wird.
Die Sensitivität eines Kompressors auf die Strahllage der nachverstärkten Laserpulse steigt mit dem Komprimierungsfaktor, z.B. der Größe des Gitterkompressors. Da ein Faserlasersystem bzgl. der Strahllage prinzipiell stabiler ist als ein Festkörperverstärker (vor allem bei ho- hen Leistungen und damit hoher thermischer Last im Festkörperverstärker), ist es allgemein vorteilhaft, den Komprimierungsfaktor nach dem Festkörperverstärker zu reduzieren und die Pulse möglichst vor dem Festkörperverstärker so zu komprimieren, dass keine zu hohen Intensitäten im Festkörperverstärker erzeugt werden. Für eine Einstellung (insbesondere Optimierung) der Pulsdauer oder der Pulsform der Ausgangslaserpulse ist es notwendig, die Dispersionseigenschaften des Kompressors und evtl. des Streckers anzupassen. Bei Faserlasern wird häufig ein Chirped-Fiber-Bragg-Grating zur Streckung eingesetzt, das typischerweise weniger Freiheiten zur Anpassung der Dispersion bietet als der Kompressor. Daher wird häufig die Dispersion durch Manipulation des Kompressorsystems angepasst. Bei Hochleistungs-UKP-Systemen mit nur einem Kompressor nach dem Festkörperverstärker ist eine derartige notwendige Einstellung des (einzig vorhandenen) Kompressorsystems auf Grund der hohen Leistung im Kompressor anspruchsvoll. Dagegen kann es im hierin vorgeschlagenen zweistufigen Kompressorsystem möglich sein, die Dispersionsanpassungen bereits im ersten Kompressor bei deutlich niedrigeren Leistungen vorzunehmen oder zumindest teilweise dazu beizutragen.
Überdies kann ein zweistufiger Kompressor- Aufbau bei der gleichen Baugröße (gleichen Dis- persionsparametern) des Ausgang-Kompressors höhere zeitliche Steckfaktoren für die Faserlaservorverstärkereinheit und/oder die Festkörpernachverstärkereinheit ermöglichen, so dass insbesondere höhere Pulsenergien aus der Faserstufe und insgesamt aus dem Laserverstärkersystem extrahiert werden können. Allgemein sind die hierin offenbarten Konzepte der Verkleinerung der Komprimierungsfaktoren von Nachkompressorstufen in Verstärkersystemen einsetzbar, die im Wesentlichen nicht auf einer spektralen Verbreiterung während der Nachverstärkung basieren.
Insbesondere sind die hierin offenbarten Konzepte in Verstärkersystemen einsetzbar, die ver- schiedene Verstärkermedien verwenden (z.B. Faserverstärker für die Faserlaservorverstärkereinheit und Stab- oder Scheibenverstärker für die Festkörpernachverstärkereinheit).
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Figur 1 eine beispielhafte schematische Darstellung eines Laserverstärkersystems mit einem zweistufigen Kompressor- Aufbau,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines nie- derrepetitiven Lasersystems mit mehreren Stab-Nachverstärkern betrieben im kHz-Bereich und Figur 3 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines nie- derrepetitiven Lasersystems mit einem Multipass-Scheibennachverstärker zur Erzeugung hoher Pulsenergien betrieben im MHz-Bereich. Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass durch ein zweistufiges Kompressorsystem mit einem ersten Kompressor zwischen z.B. einem Faserlaser und einem Festkörperverstärker (hierin als Zwischenkompressorstufe bezeichnet) sowie einem zweiten Kompressor nach dem Festkörperverstärker (hierin als Nachkompressorstufe bezeichnet) der Komprimierungsfaktor des zweiten Kompressors reduziert werden kann. Dadurch wird es möglich, den Kompressor weniger sensitiv auf Änderungen in der Strahllage und damit weniger anfällig auf eine Strahllage bedingte Dejustage auszuführen. Insbesondere liegt in einem als Nachkompressorstufe ausgebildeten Gitterkompressor durch den kleineren Komprimierungsfaktor ein reduzierter Strahldurchmesser in der spektral dispersiven (aufgespaltenen) Richtung vor, so dass in dieser Richtung kleinere (und kostengünstigere) optische Gitter für die Komprimierung der Ausgangspulse mit hohen Leistungen und/oder Pulsenergien verwendet werden können.
Mit anderen Worten, es wurde erkannt, dass die benötigten Streckfaktoren bei unterschiedlichen Verstärkerstufen es erlauben können, mit einer Teilkomprimierung, d.h., einer Kompri- mierung zwischen den unterschiedlichen Verstärkerstufen, einen nachfolgend geringer benötigten Streckfaktor noch zu erfüllen, wodurch eine abschließend notwendig werdende Komprimierung geringer wird. Dies kann den Aufbau der zweiten (Nach-) Kompressorstufe vereinfachen. Ein beispielhafter attraktiver Ansatz für ein Hochleistungs-Hochenergie-UKP-Lasersystem ist die Kombination eines Faserlasers als Eingangsstufe mit einem Festkörperverstärker. Der Faserlaser ist flexibel und z.B. hinsichtlich seiner Ausgangsstrahllage sehr stabil. Im Vergleich zu einem reinen Faserlasersystem erlaubt der Festkörperverstärker höhere mittlere Leistungen und Pulsenergien (Spitzenleistungen).
Vor der Verstärkung der Pulse im Faserlasersystem werden die Pulse typischerweise zeitlich gestreckt, um die Spitzenleistung zu reduzieren, und müssen daher anschließend wieder zeitlich komprimiert werden. Eine vollständige (Vor-)Komprimierung der Pulse direkt nach der Faserlasereingangsstufe ist meist nicht möglich, da dann im Festkörperverstärker auftretende Intensitäten zu hoch ausfallen würden und beispielsweise nichtlineare Effekte oder Beschädigungen des Verstärkermediums (Festkörperkristalls, z.B. in Form eines Stabs, Slab oder einer Schreibe) oder optischer Komponenten wie einer Pockels-Zelle eintreten können. Daher ist eine Verstärkung gestreckter Pulse im Festkörperverstärker und somit eine Komprimierung nach dem Festkörperverstärker notwendig.
Festkörperverstärker arbeiten im Vergleich zu faserbasierten Verstärkern typischerweise mit deutlich größeren Modenflächen und somit bei gleicher Pulsdauer bei geringeren Intensitäten und Nichtlinearitäten. Aus diesem Grund ist für einen Festkörperverstärker eine geringere Streckung als für einen Faserlaser notwendig. Dies erlaubt es, die Komprimierung der Pulse beispielsweise in zwei Stufen, d.h. mit einem ersten Kompressor direkt nach dem Faserlaser und einem zweiten Kompressor nach dem Festkörperlaser, durchzuführen. Die Vorteile eines derartigen zwei-stufigen Kompressoransatzes wurden eingangs erläutert. Nachfolgend werden in Verbindung mit Figur 1 der Verstärkungsvorgang sowie die zugehörigen Komponenten eines (UKP-)Laserverstärkersystems 1 beispielhaft erläutert.
Das Laserverstärkersystem 1 umfasst eine Seed-Laserpulsquelleneinheit 3, optional ein dem Verstärkungsvorgang vorgeschaltetes Streckersystem 5, eine Faserlaservorverstärkereinheit 7, eine Zwischenkompressorstufe 9, eine Festkörpernachverstärkereinheit 11 und eine Nachkom- pressorstufe 13. Allgemein sind dabei die Faserlaservorverstärkereinheit 7 und die Festkörpernachverstärkereinheit 11 derart ausgebildet, dass bei den jeweiligen Verstärkungsvorgängen im Betriebsbereich des Laserverstärkersystems 1 die Faserlaservorverstärkereinheit 7 einen größeren Streckfaktor voraussetzt als die Festkörpernachverstärkereinheit 11.
In Figur 1 sind die Laserpulse, die die jeweilige Komponente verlassen, schematisch als Intensitätsverläufe über die Zeit angedeutet. Im Laserverstärkersystem 1 ist der Verstärkungsvorgang z. B. derart ausgelegt, dass sich das Spektrum eines Laserpulses beim Durchlaufen der Festkörpernachverstärkereinheit 11 (oder evtl. beim Durchlaufen des gesamten Laserverstär- kersystems 1) im Wesentlichen spektral nicht verbreitert, evtl. aufgrund von„gain narrowing" spektral schmaler wird.
Die Seed-Laserpulsquelleneinheit 3 stellt eine Folge von Seed-Laserpulsen 3A für die nachfolgende Verstärkung bereit. Die Seed-Laserpulse 3A weisen eine Seed-Pulslänge im Bereich von z.B. ns bis fs auf und werden mit einer Wiederholrate im kHz-Bereich bis MHz-Bereich erzeugt. Die Seed-Laserpulsquelleneinheit 3 ist in Figur 1 beispielhaft als ein Faseroszillator 3B dargestellt. Der Faseroszillator 3B umfasst beispielsweise einen Ytterbium-dotierten, faserbasierten und modengekoppelten fs-Oszillator zur Erzeugung von Laserpulsen mit Pulslän- gen von z.B. einigen 100 fs bei Wellenlängen um 1030 nm, Pulsenergien im Bereich von z.B. 20 pJ bis 100 pJ und Repetitionsraten im Bereich von z.B. kleiner 50 MHz wie 20 MHz oder 10 MHz oder einige 100 kHz. Neben den erwähnten Ytterbium-dotierten Fasern als beispielhafte Selten-Erd-Dotierung können ferner Thulium-dotierte und Erbium-dotierte Fasern im μιη- Wellenlängenbereich und Holmium-dotierte Fasern im 2 μιη- Wellenlängenbereich einge- setzt werden. Ferner können Festkörperoszillatoren (beispielsweise Stab-, Slab- oder Scheibenlaser) oder Diodenlaser oder Microchiplaser zur Erzeugung der Seed-Laserpulse 3A eingesetzt werden. Ferner kann Teil der Erzeugung der Seed-Laserpulse 3 A eine spektrale Verbreiterung in einer der Faserlaservorverstärkereinheit vorgelagerten Faser sein. Das optionale Streckersystem 5 (auch als Pulslängenstrecker bezeichnet) erlaubt es, die Pulslänge der in die Faserlaservorverstärkereinheit 7 eingekoppelten Laserpulse, d.h. der Anfangslaserpulse 5A, derart einzustellen, dass eine (nachfolgend erläuterte) Faser-Mindestausgangs- pulslänge Tmin,Faser out am Ausgang der Faserlaserverstärkereinheit 7 nicht unterschritten wird. Das Streckersystem 5 kann z.B. als Chirped-Fiber-Bragg-Gitterstrecker 5B ausgebildet wer- den. Ferner können (Diffraktions-)Gitter-Strecker eingesetzt werden. Das optionale Streckersystem 5 kann separat oder als Teil der Seed-Laserpulsquelleneinheit 3 ausgeführt werden.
Die Pulslängenstreckung über eine dispersive Faser oder einen dispersiven optischen Aufbau (z.B. Gitter- Strecker) kann die Pulslänge der Seed-Laserpulse auf z.B. 100 ps bis 1 ns (oder bis zu einigen ns) verlängern, bevor diese dem Faservorverstärkungssystem 5 als Anfangslaserpulse 5 A bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann ein erster Vorverstärkungsvorgang schon vor der Pulslängenstreckung erfolgen.
Bezugnehmend auf das Ausführungsbespiel der Fig. 1 beginnt der Verstärkungsvorgang mit der Einkopplung der Anfangslaserpulse 5A in die Faserlaservorverstärkereinheit 7. Beispielhaft sind in Figur 1 zwei Verstärkungsfasern 7B gezeigt. Der Verstärkungsvorgang in einer Verstärkungsfaser 7B wird insbesondere durch eine Modengröße in der Verstärkungsfaser 7B, eine maximale in der Verstärkungsfaser 7B vorliegende Laserpulsenergie/Pulsspitzenleistung und/oder eine Materialeigenschaft der Verstärkungsfaser 7B, wie eine optische Nichtlinearität, sowie die Faser-Mindestausgangspulslänge l min, Faser out für die vorverstärkten Laserpulse 7A charakterisiert. Es sei angemerkt, dass im hierin offenbarten Verstärkungskonzept die Festkörpernachverstärkereinheit 11 eine Festkörper-Mindesteingangspulslänge Tmm,FK in aufweist, welche für einen stabilen, insbesondere von Nichtlinearitäten unbeeinflussten Betrieb des La- serverstärkersystems 1 vorausgesetzt wird. Diese ist kürzer als die Faser-Mindestausgangspulslänge Tmin,Faser out.
Die Faserlaservorverstärkereinheit 7 kann beispielsweise eine Sequenz von optisch in Reihe gekoppelten Faserlaserverstärkerstufen umfassen, wobei die Eingangslaserpulse 5 A in den Fa- serlaserverstärkerstufen sequentiell verstärkt und als eine die vorverstärkten Laserpulse 7A umfassende Zwischenpulsfolge mit einer Zwischenpulslänge ausgegeben werden. Die Zwi- schenpulslänge ist größer als die Faser-Mindestausgangspulslänge l min, Faser out, aber auch größer als es in Anbetracht der erforderlichen Festkörper-Mindesteingangspulslänge Tmin,FK in notwendig wäre.
Beispielhaft sind in Fig. 1 zwei Verstärkungsfasern 7B angedeutet. Beispielhafte Verstärkungsfasern erlauben einen Verstärkungsfaktor >=3dB, z.B. von 20 dB bis 30 dB (Faktor 100 bis 1000), ohne Reduzierung der Repetitionsrate zur Erzeugung von Zwischenpulsenergien >=0.5μΙ (nach der Vorverstärkung) bei einer Modengröße in der Verstärkungsfaser (der letzten Verstärkungsfaser der Faserverstärkerstufen einer Sequenz) von MFD >=10μιη. Die Pulslängen der vorverstärkten Laserpulse 7A liegen oberhalb der (oder sind vergleichbar mit der) Faser- Mindestausgangspulslänge Tmin,Faser out, die für einen stabilen, insbesondere bezüglich Nichtlinearitäten kontrollierbaren Betrieb der Faserlaservorverstärkereinheit 7 vorausgesetzt wird. Beispielhafte Werte der Mindestausgangspulslänge l min, Faser out sind 10 ps bis einige 100 ps.
Ein Beispiel einer Verstärkungsfaser 7B ist eine„Single clad - Single mode" Stufenindexfaser, die z.B. mit einer„Single mode"-Pumpeinheit gepumpt wird. Unter Berücksichtigung der Verluste aufgrund von Isolatorelementen können mit z.B. mehreren derartigen„single clad - Single mode" Stufenindexfasern Pulsenergien von bis zu 1 μΐ, ausgehend von den Seed-Pulsen erreicht werden, beispielsweise niederrepetitiv bei einer Leistung von 500 mW und einer Repetitionsrate von 500 kHz. Siehe auch die Beschreibung in Verbindung mit den Figuren 2 und 3. Allgemein können je nach Seed-Energie und Seed-Frequenz sehr unterschiedliche Parameter erzielt werden. Hierbei steht„niederrepetitiv" typischerweise für Pulswiederholraten im Bereich von 10 MHz oder weniger, wie z.B. 1 MHz, 100 kHz oder 50 kHz bis herab zu 20 kHz oder 10 kHz oder weniger, während„hochrepetitiv" typischerweise Pulswiederholraten im Bereich von 10 MHz und mehr, beispielsweise im Bereich bis 100 MHz oder mehr, wie z.B. bis zu 1GHz, umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann vor, innerhalb oder nach der Faserlaservorverstärkereinheit 7 zur Reduzierung der Pulsrepetitionsrate eine Pulsselektionseinheit vorgesehen werden, um effizienter einzelne selektierte Laserpulse in der Faserlaservorverstärkereinheit 7 und/oder Festkörpernachverstärkereinheit 11 verstärken zu können. Typischerweise werden hierfür fasergekoppelte akusto-optische Modulatoren (oder Freistrahl-akusto-optische Modulatoren - AOM) verwendet. Auch der Einsatz von elektro-optischen Modulatoren (EOM) ist möglich.
Als Ergebnis des Vorverstärkern werden vorverstärkte Laserpulsen 7A ausgegeben, die dann der Zwischenkompressorstufe 9 zum zeitlichen Komprimieren zugeführt werden, um die Laserpulse auf werte oberhalb (gleich) der Festkörper-Mindesteingangspulslänge ί min,FK in ZU verkürzen. D.h., in der Zwischenkompressorstufe 9 erfolgt eine erste zeitliche Rekomprimie- rung der Laserpulse auf Pulslängen von z.B. einigen 10 ps oder einigen 100 ps. Die erste zeitliche Rekomprimierung kann z.B. mit einem wie in Figur 1 schematisch gezeigten Gitter- Kompressor 9B mit einem Transmissionsgitter erfolgen. Beispielsweise kann ferner alternativ oder ergänzend ein (chirped) Volume-Bragg-Grating oder GTI-Spiegel verwendet werden, das durch seinen kompakten Aufbau eine strahlstabile Zwischenkompressorstufe 9 ermöglicht, da nur die Einkopplung stabil zu gestalten ist.
Die erste zeitliche Teilkomprimierung ist derart ausgelegt, dass so viel Dispersion wie möglich vor der Nachverstärkung kompensiert wird, wobei die Nachverstärkung allerdings nicht nachteilig beeinflusst werden darf, aber gleichzeitig die verbleibende zu kompensierende Dispersion soweit wie möglich reduziert werden soll. Entsprechend ist die Zwischenkompressorstufe 9 derart ausgebildet, dass die Pulslänge der vorverstärkten Laserpulse 7A, die größer als oder gleich der Faser-Mindestausgangspulslänge Tmin,Faser out ist, auf eine Pulslänge komprimiert wird, die kleiner als die Faser-Mindestausgangspulslänge l min, Faser out ist und größer als oder im Bereich der Festkörper-Mindesteingangspulslänge Tmm,FK in ist. Bei dieser ersten zeitlichen Teilkomprimierung der Laserpulse können somit auch im weiteren Strahlengang nachfolgende optische, dispersive Elemente berücksichtigt werden. Die Zwischenkompressorstufe 9 gibt zeitlich teilkomprimierte vorverstärkten Laserpulse 9A aus. Die zeitlich teilkomprimierten vorverstärkten Laserpulse 9A werden der Festkörpernachverstärkereinheit 11 zur Nachverstärkung zugeführt. Entsprechend gibt die Festkörpernachverstärkereinheit 11 nachverstärkte Laserpulse I IA aus.
Die Festkörpernachverstärkereinheit 11 kann mindestens eine Festkörperlaserverstärkerstufe umfassen, die als Stab-, Slab- oder Scheibenlaserverstärkerstufe ausgebildet ist. Ferner kann optional die mindestens eine Festkörperlaserverstärkerstufe als Linearverstärker oder regenerativer Verstärker ausgebildet sein. Die Festkörpernachverstärkereinheit 11 kann insbesondere eine Sequenz von optisch in Reihe gekoppelten Festkörperlaserverstärkerstufen umfassen, wobei Laserpulse in den Festkörperlaserverstärkerstufen sequentiell verstärkt und als nachverstärkte Laserpulse I IA ausgegeben werden. Die Festkörpernachverstärkereinheit weist z.B. einen Verstärkungsfaktor >=3 dB bei Laserpulsen mit Pulslängen >=1 ps bei einer Modengröße in dem Festkörperverstärker (Festkörperlasermedium) von MFD >=100 μιη auf. Ferner kann die Festkörpernachverstärkereinheit für Ausgangspulsenergien >=100 μΐ ausgebildet sein.
Die Festkörpernachverstärkereinheit 11 kann beispielsweise als niederrepetitive Verstärkerstufe im Repetitionsbereich von z.B. 20 kHz bis 1 MHz (oder bis einige MHz, beispielsweise 10 MHz) betrieben werden. Die Festkörpernachverstärkereinheit 11 kann optische Komponenten wie ein Festkörperlasermedium I IB und insbesondere Strahlführungsoptiken wie Umlenkspiegel 1 IC sowie optional ein optisches Schaltelement (Pulsselektionseinheit) wie eine mit einem Polarisator zusammenwirkende Pockels-Zelle HD umfassen (schematisch in Fig. 1 angedeutet). Üblicherweise ist mindestens einer der optischen Komponenten eine Maximal- pulsleistung zugeordnet, die die Festkörper-Mindesteingangspulslänge Tmin,FK in bedingt.
Die Maximalpulsleistung ist z.B. durch eine den vorliegenden optischen Parametern zugeordnete, maximal tolerierbare Nichtlinearität gegeben. Die Maximalpulsleistung hängt beispielsweise von der Modengröße, der Frequenzabhängigkeit der Verstärkung in einem der optischen Elemente, insbesondere in einem Festkörperlasermedium, wie ein Stab-, Slab-, oder Scheibenlaser-Festkörperlasermedium, und/oder der Beeinflussung der Strahlqualität durch die Nichtlinearität, beispielsweise die Ausbildung eines räumlichen Chirps durch Selbstphasenmodulation, ab. Die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung bezieht sich hier auf eine ungewünschte Beeinflussung des Spektrums der Pulse, die zu einer reduzierten Pulsqualität führen kann. Ferner kann die Maximalpulsleistung durch eine einer Modengröße in einem der optischen Elemente, insbesondere des optischen Schaltelements wie der Pockels-Zelle HD, zugeordneten (insbesondere Oberflächen-) Zerstörschwelle oder dem Einsetzen einer Degradation der optischen Parameter gegeben sein.
Mit Pulsenergien von z.B. 100 μ] oder mehr (z.B. bis in den mJ-Bereich) werden die nachverstärkten Laserpulse 11 A in der Nachkompressorstufe 13 auf die gewünschte (üblicherweise die minimal mögliche) Pulslänge zeitlich rekomprimiert. Beispielsweise können Pulslängen von einigen 100 fs bis einigen 100 ps erzielt werden. Die Rekomprimierung kann z.B. wieder- rum mit einem, wie in der Figur 1 schematisch angedeuteten, Gitter-Kompressor 13B erfolgen. Die Rekomprimierung kann wiederum auch im weiteren Strahlengang nachfolgende optische dispersive Elemente berücksichtigen. Beispielsweise kann ferner ein (chirped) Volume- Bragg-Grating oder GTI-Spiegel zur Rekomprimierung verwendet werden. Die zeitlich rekomprimierten nachverstärkten Laserpulse können als Ausgangslaserpulse 13A der Nachkompressorstufe 13 zur Werkstückbearbeitung in einer Werkzeugmaschine, z.B. zur Mikromaterialbearbeitung, mit der gewünschten Pulslänge und entsprechenden Pulsspitzenleistungen bereitgestellt werden. Die Figuren 2 und 3 verdeutlichen, dass das Konzept der zweistufigen Kompression je nach Art der Verstärkerstufen in unterschiedlich ausgerichteten Lasersystemen umgesetzt werden kann. So kann man Pulse mit stark unterschiedlicher Pulsdauer und Pulsintensität erhalten.
Figur 2 bezieht sich auf ein niederrepetitives Lasersystem mit mehreren Stabverstärkern und Figur 3 auf ein niederrepetitives Lasersystem mit einem Multipass-Scheibenverstärker.
Bezugnehmend auf Fig. 2 kann - ausgehend von beispielsweise einem Faseroszillator mit beispielsweise einem integriertem Pulsstrecker - die Faserlaservorverstärkereinheit 7' einen oder mehrere (beispielsweise zwei) 10 μηι-MFD-Fasern umfassen, die beispielsweise bei einer Re- petitionsrate von 10 kHz Pulse mit einer Pulsdauer von 500 ps und einer Pulsenergie von 1 μ] (d.h., einer Ausgangsleistung von 0,01 W) ausgeben. Im Zwischenkompressor 9' werden die Pulse auf eine Pulslänge von 10 ps komprimiert (bei im Wesentlichen gleicher Pulsenergie und Ausgangsleistung von 0,01 W) und anschließend in mehrere Stab-Nachverstärkern 11 ' auf eine Pulsenergie von z.B. 1 mJ verstärkt (bei im Wesentlichen gleicher Pulslänge von 10 ps), so dass die Ausgangsleistung bei 10 W liegt. Im Nachkompressor 13' werden die 1 mJ-Pulse auf eine Pulsdauer von z.B. 1 ps komprimiert (bei im Wesentlichen gleicher Ausgangsleistung von 10 W). Wiederum ausgehend von beispielsweise einem Faseroszillator mit beispielsweise einem integrierten Pulsstrecker - kann die in Fig. 3 schematisch gezeigte Faserlaservorverstärkereinheit 7" beispielsweise eine (oder mehrere) 50 μιη-MFD-Rod-Fasern umfassen, die beispielsweise bei einer Repetitionsrate von 1 MHz Pulse mit einer Pulsdauer von 1 ns und einer Pulsenergie von 100 μΐ (d.h., einer Ausgangsleistung von 100 W) ausgeben. Im Zwischenkompressor 9" werden die Pulse auf eine Pulslänge von 100 ps komprimiert (bei im Wesentlichen gleicher Pulsenergie und Ausgangsleistung von 100 W). Die teilkomprimierten Pulse durchlaufen einen Scheibennachverstärker 11" mehrmals und werden auf eine Pulsenergie von z.B. 3 mJ verstärkt (bei im Wesentlichen gleicher Pulslänge von 100 ps), so dass die Ausgangsleistung des Scheibennachverstärkers 11" bei 3 kW liegt. Im Nachkompressor 13" werden die 3 mJ- Pulse auf eine Pulsdauer von z.B. 1 ps komprimiert (bei im Wesentlichen gleicher Ausgangsleistung von 3 kW).
Zusammenfassend können mit der Faserlaservorverstärkereinheit und der Festkörpernachverstärkereinheit und der zweistufigen Kompression hohe Pulsspitzenleistungen oder sehr hohe Pulsenergien bei sehr kurzer Pulsdauer erzeugt werden. Um dabei z.B. eine ausreichende Pulsqualität zu gewährleisten, Zerstörschwellen nicht zu überschreiten und/oder keine oder zumindest keine wesentliche spektrale Verbreiterung während des Verstärkungsvorgangs zu bewirken, können u.a. die Pulslängen, die verwendeten optischen Medien der z.B. Verstärkungsfasern und Festkörperlasermedien sowie deren Verstärkungsfaktoren entsprechend gewählt wer- den. Beispielsweise können somit den Anfangslaserpulsen 5A/den vorverstärkten Laserpulsen 7A zugeordnete B-Integrale im Bereich von 30 rad und kleiner (beispielsweise 5 rad und kleiner oder beispielsweise 3 rad und kleiner) verwendet werden. Entsprechend können den nachverstärkten Laserpulsen 11 A zugeordnete B-Integrale ebenfalls im Bereich von 30 rad und kleiner (beispielsweise 10 rad und kleiner oder 5 rad und kleiner oder beispielsweise 3 rad und kleiner) verwendet werden. So können für den austretenden Freistrahl B-Integrale der nachverstärkten Pulse beispielsweise im Bereich von 10 rad und kleiner zumindest für die Grundmode vorliegen. Das hierin offenbarte Konzept der zweistufigen Kompression umfasst des Weiteren auch eine mehrstufige Kompression, wenn beispielsweise zwischen Verstärkungsfasern eine aufgeteilte erste Kompression erfolgt und/oder die zweite Kompression mit mehreren Kompressoren bewirkt wird.
Das hierin offenbarte Konzept umfasst unter anderem auch ein Verstärkungssystem basierend auf einem Diodenlaser als Seed-Laserpulsquelleneinheit mit einer nachfolgenden spektralen Verbreiterung in einer Faser, einer Faserlaservorverstärkereinheit einer Zwischenkompressor- stufe, einer Festkörpernachverstärkereinheit und einer Nachkompressorstufe.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche
1. Laserverstärkersystem (1) mit zweistufigem Kompressorsystem zum Ausgeben von Ausgangslaserpulsen (13A) durch Verstärken von Anfangslaserpulsen (5A) mit
einer Faserlaservorverstärkereinheit (7) zum Vorverstärken von eingekoppelten Anfangslaserpulsen (5A) und zum Ausgeben von vorverstärkten Laserpulsen (7A),
einer Zwischenkompressorstufe (9) zum zeitlichen Teilkomprimieren der vorverstärkten Laserpulse (7A) um mindestens 30%,
einer Festkörpernachverstärkereinheit (11) zum Nachverstärken von zeitlich teilkom- primierten vorverstärkten Laserpulsen (9A) und zum Ausgeben von nachverstärkten Laserpulsen (HA) und
einer Nachkompressorstufe (13) zum zeitlichen Komprimieren der nachverstärkten Laserpulse (HA) zur Erzeugung der Ausgangslaserpulse (13A).
2. Laserverstärkersystem (1) nach Anspruch 1, wobei
die Faserlaservorverstärkereinheit (7) mindestens einen Faserlaserverstärker mit einer Verstärkungsfaser (7B), insbesondere einer Rod-Faser, umfasst, wobei ein Verstärkungsvorgang in der Verstärkungsfaser (7B), insbesondere eine Modengröße in der Verstärkungsfaser (7B), eine maximal in der Verstärkungsfaser (7B) vorliegende Laserpulsenergie und/oder eine Materialeigenschaft der Verstärkungsfaser (7B) wie eine optische Nichtlinearität, eine Faser- Mindestausgangspulslänge (Tmin,Faser out) für die vorverstärkten Laserpulse (7A) erfordert, die Festkörpernachverstärkereinheit (11) eine Festkörper-Mindesteingangspulslänge (Tmin,FK in) für die zeitlich teilkomprimierten vorverstärkten Laserpulse (7A) in einem Betriebsbereich des Laserverstärkersystems (1) ermöglicht, die kürzer ist als die Faser-Mindest- ausgangspulslänge (Tmin,Faser out) und
die Zwischenkompressorstufe (9) derart ausgebildet ist, die Pulslänge der vorverstärkten Laserpulse (7A), die größer als oder gleich der Faser-Mindestausgangspulslänge (Tmin,Faser out) ist, auf eine Pulslänge zu komprimieren, die kleiner als die Faser-Mindestausgangspulslänge (Tmin,Faser out) ist und größer als oder gleich der Festkörper-Mindesteingangspulslänge
3. Laserverstärkersystem (1) nach Anspruch 2, wobei
die Festkörpernachverstärkereinheit (11) optische Komponenten wie ein Festkörperlasermedium (HB) und insbesondere Strahlführungsoptiken wie Umlenkspiegel (1 IC) sowie optional ein optisches Schaltelement wie eine Pockels-Zelle (HD) und/oder einen Polarisator umfasst, und mindestens einer der optischen Komponenten eine Maximalpulsleistung zugeordnet ist, die die Festkörper-Mindesteingangspulslänge (Tmin,FK in) bedingt.
4. Laserverstärkersystem (1) nach Anspruch 3, wobei
die Maximalpulsleistung
durch eine einer Modengröße und/oder einer Vermeidung von räumlichen Chirp und/oder einer Frequenzabhängigkeit der Verstärkung in einem der optischen Elemente, insbesondere in einem Festkörperlasermedium wie ein Stab-, Slab- oder Scheibenlaser-Festkörperlasermedium, zugeordnete Nichtlinearität und/oder
durch eine einer Modengröße in einem der optischen Elemente, insbesondere des optischen Schaltelements wie eine Pockels-Zelle, zugeordneten (insbesondere Oberflächen-) Zerstörschwelle gegeben ist.
5. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Zwischenkompressorstufe (9) als optischer Gitterkompressor in Reflexionskonfiguration oder in Transmissionskonfiguration ausgebildet ist und/oder mindestrens ein Diffraktionsgitter, ein Volume-Bragg-Grating, ein Grism und/oder einen GTI-Spiegel umfasst und/oder
wobei die Zwischenkompressorstufe (9) zum zeitlichen Teilkomprimieren der vorverstärkten Laserpulse (7A) um mindestens 50% oder um mindestens 75% der Pulslänge ausgebildet ist.
6. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Nachkompressorstufe mindestens ein Diffraktionsgitter, ein Volume-Bragg-Grating, ein Prisma, ein Grism und/oder einen GTI-Spiegel umfasst und optional als optischer Gitterkompressor in Reflexionskonfiguration oder in Transmissionskonfiguration ausgebildet ist.
7. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Faserlaservorverstärkereinheit und die Festkörpernachverstärkereinheit
derart ausgebildet sind, dass bei den entsprechenden Verstärkungsvorgängen im Betriebsbereich des Laserverstärkersystems (1) die Faserlaservorverstärkereinheit (7) einen größeren Streckfaktor voraussetzt als die Festkörpernachverstärkereinheit (11).
8. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Faserlaservorverstärkereinheit (7) für Verstärkungsfaktoren von >=3dB von Laserpulsen mit einer spektralen Breite >lnm und einer Zwischenpulsenergie >=0.5μΙ bei einem Modenfelddurchmesser >=10μιη in der Verstärkungsfaser, optional in der letzten Vorverstärkerstufe, ausgebildet ist.
9. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Faserlaservorverstärkereinheit (7) mindestens eine Faserlaserverstärkerstufe auf- weist und
wobei optional die Faserlaservorverstärkereinheit (7) eine Sequenz von optisch in Reihe gekoppelten Faserlaserverstärkerstufen umfasst, in denen die Anfangslaserpulse (5A) sequentiell verstärkt und als die vorverstärkten Laserpulse (7A) umfassende Zwischenpuls- folge mit einer Zwischenpulslänge ausgegeben werden.
10. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem der Faserlaservorverstärkereinheit (7) vorgeschalteten Streckersystem (5), mit dem die Pulslänge der in die Faserlaservorverstärkereinheit (7) eingekoppelten Laserpulse derart einstellbar ist, dass die Faser-Mindestausgangspulslänge (Tmin,Faser out) am Ausgang der Faserlaserverstärkereinheit (7) nicht unterschritten wird, wobei optional das Streckersystem (5) als Chirped-Fiber-Bragg-Gitterstrecker ausgebildet ist und/oder
einer Pulsselektionseinheit, die vor, innerhalb oder nach der Faserlaservorverstärkereinheit (7) zur Reduzierung der Pulsrepetitionsrate angeordnet ist.
11. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Festkörpernachverstärkereinheit (11) mindestens eine Festkörperlaserverstärkerstufe umfasst, die als Stab-, Slab-, oder Scheibenlaserverstärkerstufe ausgebildet ist, und wobei optional
die mindestens eine Festkörperlaserverstärkerstufe als Linearverstärker oder regenera- tiver Verstärker ausgebildet ist und/oder
die Festkörpernachverstärkereinheit (11) eine Sequenz von optisch in Reihe gekoppelten Festkörperlaserverstärkerstufen umfasst, wobei Laserpulse in den Festkörperlaserverstärkerstufen sequentiell verstärkt und als die Ausgangslaserpulse (13A) umfassende Ausgangspulsfolge ausgegeben werden.
12. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Festkörpernachverstärkereinheit (11) für Verstärkungsfaktoren >=3dB von Laserpulsen mit Pulslängen >lps bei einem Modenfelddurchmesser in dem Festkörperverstärker >=100μιη ausgebildet ist und wobei
die Festkörpernachverstärkereinheit (11) ferner für Ausgangspulsenergien >=100μΙ ausgebildet ist.
13. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Seed-Laserpulsquelleneinheit (3) zum Bereitstellen einer Folge von Seed-Laser- pulsen (3A) für die nachfolgende Verstärkung, und
wobei optional die Seed-Laserpulsquelleneinheit (3) als Faseroszillator (3B), Diodenlaser oder Staboszillator oder Microchiplaser ausgebildet ist.
14. Laserverstärkersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die spektrale Breite nach der Festkörpernachverstärkereinheit (11) im Wesentlichen im Bereich der spektrale Breite vor der Festkörpernachverstärkereinheit (11), und insbesondere nicht größer als die spektrale Breite vor der Festkörpernachverstärkereinheit (11), ist.
15. Verfahren zur Verstärkung von Laserpulsen, insbesondere mit einem Laserverstärkersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit den Schritten:
Bereitstellen einer Seed-Laserpulsquelleneinheit (3) zur Erzeugung von zu verstärkenden Seed-Laserpulsen (3A) als Grundlage für Anfangslaserpulse (5A),
Vorverstärken der Anfangslaserpulse (5A) mit einer Faservorverstärkereinheit (7) zur Erzeugung von vorverstärkten Laserpulsen (7A),
Teilkomprimieren der vorverstärkten Laserpulse (7A) um mindestens 30%, optional um mindestens 50% oder um mindestens 75% der Pulslänge,
Nachverstärken von teilkomprimierten vorverstärkten Laserpulsen (9A) mit einer Festkörpernachverstärkereinheit (11) und
Komprimieren der nachverstärkten Laserpulse.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei
eine Repetitionsrate der Seed-Laserpulsquelleneinheit (3) vor dem oder während dem Vorverstärken reduziert wird.
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