CN115210967A - 用于脉冲式激光辐射的对比度增加的光学系统、用于脉冲式激光辐射的对比度增加的激光系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过使用非线性椭圆偏振旋转来进行脉冲式激光辐射(9)的对比度增加的光学系统(3)，所述光学系统包括：第一偏振调设光学器件(19)，所述第一偏振调设光学器件用于调设所述脉冲式激光辐射(9)的椭圆偏振状态(17B)，多通池(5)，所述多通池具有至少两个相对置的镜(25A，25B)，在构造多个中间聚焦区(29)的情况下，所述脉冲式激光辐射(9)穿过所述多通池，其中，所述多通池(5)填充有具有光学非线性的气体(5A)，所述光学非线性实现所述脉冲式激光辐射(9)的所述椭圆偏振状态(17B)的定向的强度相关的旋转，使得由于所述强度相关的旋转，所述多通池(5)输出具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分，以及光学射束分离系统(41)，所述光学射束分离系统用于分离具有不同定向的椭圆偏振状态的所述射束部分。

Description

用于脉冲式激光辐射的对比度增加的光学系统、用于脉冲式 激光辐射的对比度增加的激光系统和方法
技术领域
本发明涉及用于脉冲式激光辐射的对比度增加的光学系统，并且涉及用于发射具有高功率和/或高脉冲能量的脉冲式激光辐射的激光系统、尤其是超短脉冲(ultrashortpulse，USP)激光系统。此外，本发明涉及一种用于脉冲式激光辐射、尤其是超短脉冲串的对比度增加的方法。
背景技术
当使用脉冲式激光辐射时，具有高峰值强度的初级激光脉冲与背景之间的对比度是重要参数。形成背景的激光辐射通常由可归因于ASE的辐射基础(Strahlungspodest)、和/或在时间上在初级激光脉冲之前或之后到达并且峰值强度显著低于初级激光脉冲的峰值强度的激光脉冲组成。
例如，为了减少在实验期间或材料处理期间背景的相互作用，通常会执行对比度增加。这里的目标是从脉冲式激光辐射中很大程度上去除ASE背景和激光前脉冲和后脉冲，并且因此在很大程度上限制对初级激光脉冲的相互作用的强度贡献。
现有技术披露了用于对比度改善的方法，在这些方法中激光束在填充气体的空芯光纤(HCF)中被引导，以便实现例如由于非线性效应实现椭圆偏振的旋转。这被称为非线性椭圆偏振旋转(也称为非线性椭圆旋转，NER)。在HCF中，NER伴随着强激光脉冲的非线性光谱展宽。特别地，可以沿HCF调设恒定的气体条件。替代地，通过差分泵浦，气体密度可以沿光纤降低，以便防止出现不希望的非线性效应或电离。NER与HCF的结合使用例如在以下文献中披露：《Generation of high-fidelity few-cycle pulses via nonlinear ellipserotation in stretched hollow-fiber compressor》，N.Khodakovskij，CLEO 2018、OSA2018。此外，在以下文献中，NER被用于使用填充氩气的HCF来改善亚4飞秒激光脉冲的对比度：《Contrast improvement of sub-4fs laser pulses using nonlinear ellipticalpolarization rotation》，N.Smijesh等人，光学快报，第44卷，第16期，2019年8月15日。
此外，DE 10 2014 007159A1披露了一种用于非线性脉冲压缩的激光脉冲的光谱展宽的方法，该方法使用例如以所谓的赫里奥特池形式构造的多通池。在此，目标是激光脉冲的光谱展宽，即使在脉冲功率大于用于光谱展宽的非线性介质的临界功率的情况下，也可以执行该光谱展宽。
发明内容
本发明的目的是提出可以用于脉冲式激光辐射、例如超短脉冲串的对比度增加(即使且尤其是在高脉冲能量和高平均功率的情况下亦如此)的系统和方法。特别地，在此应利用非线性效应来影响激光脉冲的偏振及其传播。
这些目的中的至少一个目的借助于根据权利要求1所述的用于脉冲式激光辐射的对比度增加的光学系统、根据权利要求12所述的激光系统和根据权利要求14所述的用于脉冲式激光辐射的对比度增加的方法来实现。从属权利要求中指明了扩展方案。
在一个方面，一种用于在使用非线性椭圆偏振旋转的情况下来进行脉冲式激光辐射的对比度增加的光学系统包括：
-第一偏振调设光学器件，该第一偏振调设光学器件用于调设该脉冲式激光辐射的椭圆偏振状态，
-多通池(Mehrfachdurchgangszelle)，该多通池具有尤其构造同心或共焦谐振器的两个相对置的镜，其中，在构造多个中间聚焦区的情况下，脉冲式激光辐射多次穿过该多通池、尤其是该谐振器，其中，该多通池填充有具有光学非线性的气体，该光学非线性实现该脉冲式激光辐射的椭圆偏振状态的定向的强度相关的旋转，使得由于该强度相关的旋转，该多通池输出具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分，以及
-光学射束分离系统，该光学射束分离系统用于分离具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分。
在另一方面，一种用于发射脉冲式激光辐射(9)的激光系统、尤其是超短脉冲(USP)激光系统包括：
-激光辐射源，该激光辐射源输出包括初级激光脉冲的脉冲式激光辐射，这些初级激光脉冲尤其具有脉冲能量和在几百飞秒或更小的范围内的脉冲持续时间，
-可选地，脉冲持续时间调设系统，该脉冲持续时间调设系统用于调设这些初级激光脉冲的脉冲持续时间，
-至少一个如本文所披露的光学系统，该光学系统用于在使用在多通池的多个中间聚焦区中的非线性椭圆偏振旋转的情况下的、脉冲式激光辐射的对比度增加。可选地，激光系统可以包括光学脉冲持续时间压缩器系统，该光学脉冲持续时间压缩器系统用于补偿至少一个光学系统的色散的贡献，并且可选地用于在时间上对这些初级激光脉冲进行压缩，如果该激光辐射的初级激光脉冲在中间聚焦区中的至少一个中间聚焦区中经历了非线性光谱展宽。
在另一方面，一种用于在使用非线性椭圆偏振旋转情况下来进行脉冲式激光辐射的对比度增加的方法包括以下步骤：
-调设该脉冲式激光辐射的椭圆偏振状态，
-将该脉冲式激光辐射耦合输入到多通池中，该多通池具有尤其构造同心或共焦谐振器的两个镜，其中，在构造多个中间聚焦区的情况下，多次穿过该多通池、尤其是谐振器，其中，该多通池填充有具有光学非线性的气体，该光学非线性实现在中间聚焦区中该脉冲式激光辐射的椭圆偏振状态的定向的强度相关的旋转，结果是在该多通池中生成了具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分，
-将具有不同定向的椭圆偏振的这些射束部分从该多通池耦合输出，以及
-将耦合输出的射束部分分离成具有初级激光脉冲的有用射束部分和具有低强度激光辐射的剩余射束部分。
在该光学系统的一些扩展方案中，针对这些椭圆偏振状态中的一种椭圆偏振状态的定向的旋转，尤其是为了调设90°的转动角度，该光学系统的以下参数中的至少一个参数被调设或是可调设的：
-中间聚焦区中的气体压力，其中，该光学系统构造为填充气体的池(gefüllteZelle)并且该光学系统具有用于调设该填充气体的池中的气体压力的压力调设设备，和/或
-存在于该多通池中的色散。
可选地，此外，该光学系统的以下参数中的至少一个参数被调设或是可调设的：
-该脉冲式激光辐射的所调设的椭圆偏振的椭圆度，
-多通池中的中间聚焦区的数量，
-中间聚焦区中的聚焦直径，以及
-中间聚焦区的瑞利长度。
在一些扩展方案中，第一偏振调设光学器件包括第一波片(Wellenplatte)，可选地λ/4波片和/或λ/2波片。
在一些扩展方案中，该光学系统可以进一步包括以下光学部件中的至少一个光学部件：
-脉冲持续时间调设系统，该脉冲持续时间调设系统用于调设该脉冲式激光辐射的初级激光脉冲的脉冲持续时间，
-第一光学望远镜布置(Teleskopanordnung)，该第一光学望远镜布置设置用于以预给定的模式将该脉冲式激光辐射映射(abbilden)到该多通池中，并且，该第一光学望远镜布置可选地相对于该第一偏振调设光学器件沿射束在后地
Figure BDA0003817157300000041
布置，
-耦合输入镜，该耦合输入镜用于将该脉冲式激光辐射耦合输入到该多通池中，
-耦合输出镜，该耦合输出镜用于进一步引导从该多通池出射的脉冲式激光辐射，以及
-第二光学望远镜布置，该第二光学望远镜布置设置用于准直从该多通池出射的脉冲式激光辐射。
在该光学系统的一些扩展方案中，该多通池可以构造为：
-具有预定数量或可调设数量的中间聚焦区，所述中间聚焦区借助例如在谐振器结构中的相对置的镜产生，所述相对置的镜具有镜的尤其相同的、曲率半径，其中，中间聚焦区基本上具有相同的直径和相同的瑞利长度，
-用于成形以下中间聚焦区：所述中间聚焦区彼此并排(nebeneinander)布置并且可选地部分重叠地布置，
-作为填充有非线性气态介质、尤其是比如氦气或氩气等惰性气体的池，其中，在中间聚焦区中的每个中间聚焦区中存在相同的气体压力，
-具有进行穿过的脉冲式激光辐射的、中间聚焦区中存在的基本上恒定的脉冲持续时间和基本上恒定的脉冲能量，和/或
-用于对中间聚焦区中的进行穿过的脉冲式激光辐射进行逐步的非线性的光谱展宽。
在该光学系统的一些扩展方案中，该多通池的镜中的至少一个镜可以构造为凸镜，其中，曲率半径尤其一致，和/或镜之间的间距位于曲率半径的和的95％至105％的范围内。替代地或附加地，这些镜中的至少一个镜可以构造为色散镜，该色散镜的色散贡献补偿该脉冲式激光辐射的初级激光脉冲至少一次通过(Durchgang)该多通池的色散的贡献。替代地或附加地，这些镜中的至少一个镜可以包括至少一个镜段，在该脉冲式激光辐射循环通过该多通池时，该脉冲式激光辐射至少一次照射在该至少一个镜段上。
在该光学系统的一些扩展方案中，该多通池可以如此构造，使得该脉冲式激光辐射的初级激光脉冲在中间聚焦区中基本上没有经历该脉冲持续时间和/或脉冲能量的变化，所述脉冲式激光辐射的对比度应在该光学系统中增加。
在该光学系统的一些扩展方案中，具有不同定向的椭圆偏振状态的这些射束部分可以包括具有初级激光脉冲的有用射束部分和具有低强度激光辐射的剩余射束部分。该剩余射束部分形成由可归因于ASE的辐射基础、和/或在时间上在这些初级激光脉冲之前或之后到达并且峰值强度显著低于这些初级激光脉冲的峰值强度的激光脉冲组成的背景。在这方面，辐射背景特别可以具有在高强度激光脉冲之前的低强度激光脉冲和/或在所述高强度激光脉冲之后的低强度激光脉冲。
在该光学系统的一些扩展方案中，用于分离具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分的光学射束分离系统可以包括：
-第二偏振调设光学器件，该第二偏振调设光学器件用于将这些不同定向的椭圆偏振状态中的每一个椭圆偏振状态返回到线性偏振状态，其中特别地，该多通池输出的具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分被转换为具有不同定向的线性偏振状态的、有用射束部分和剩余射束部分，以及
-分束器，该分束器在不同的射束路径上输出该有用射束部分和该剩余射束部分。
特别地，该第二偏振调设光学器件可以包括第二波片，可选地λ/4波片和/或λ/2波片。
在一些扩展方案中，该光学系统可以进一步包括控制系统，该控制系统构造用于转动这些椭圆偏振状态中的一个椭圆偏振状态的定向，尤其是用于调设90°的转动角度，至少用于调设以下参数中的一个参数：
-该脉冲式激光辐射的初级激光脉冲的脉冲持续时间，
-该脉冲式激光辐射的初级激光脉冲的脉冲能量，
-该脉冲式激光辐射的所调设的椭圆偏振的椭圆度，
-中间聚焦区中的聚焦直径，
-中间聚焦区的瑞利长度，以及
-中间聚焦区中的气体的气体压力。
在该激光系统的一些扩展方案中，第一光学系统中的气体条件、尤其是气体类型和/或气体压力可以不同于第二光学系统中的相应气体条件。
在该方法的一些扩展方案中，该方法可以进一步包括以下步骤：
-调设以下参数中的至少一个参数以转动该多通池中的所述椭圆偏振状态中的一个椭圆偏振状态的定向，尤其是用于针对该脉冲式激光辐射的初级激光脉冲调设90°的转动角度：
-中间聚焦区中的气体压力，和/或
-这些初级激光脉冲在该多通池中积累的色散。
可选地，可以进一步地调设以下：
-该脉冲式激光辐射的初级激光脉冲的脉冲持续时间，
-该脉冲式激光辐射的初级激光脉冲的脉冲能量，
-该脉冲式激光辐射的所调设的椭圆偏振状态的椭圆度，
-中间聚焦区中的聚焦直径，和/或
-中间聚焦区的瑞利长度。
在该方法的一些扩展方案中，此外，基于在该多通池中的非线性光谱展宽，脉冲式激光辐射的分配给初级脉冲的脉冲光谱也可以被展宽、尤其是从中间聚焦区到从中间聚焦区地被展宽，同时发生对比度增加。
本发明总体上提出使用NER方法，该方法使用填充气体的多通池、例如赫里奥特池，以用于脉冲式激光辐射的对比度增强，其中，这可以可选地与光谱脉冲展宽和随后的脉冲持续时间压缩一起实现。本文中提出的构思具有以下优点：脉冲的对比度的增加可以在高平均功率(大于几百W至kW范围)和非常高的脉冲能量(至J范围)的情况下进行，并且可以以易于实现且非常有效的方式方法来实现。
在本文中所考虑的通过使用填充气体的多通池的NER方法的上下文中，椭圆偏振状态被理解为是指存在偏振椭圆的偏振状态，比如该偏振椭圆可以例如通过将λ/4波片的快轴与入射线性偏振激光束的偏振平面间的角度调设在0°与45°之间的范围内或在45°与90°之间的范围内(类似地在45°与135°之间的范围内或在135°与180°之间的范围内)而实现。在这些角度范围内构造电场的偏振椭圆。在一个示例性椭圆偏振状态中，90％的激光束可以以s偏振状态存在并且10％的激光束以p偏振状态存在。椭圆偏振状态因此不同于线性偏振状态(仅具有在s偏振状态或p偏振状态下的一个部分)，并且也不同于圆偏振状态(λ/4波片的45°角度或者说相同部分的s偏振状态和p偏振状态)。
附图说明
在此公开允许至少部分地改进现有技术的方面的构思。尤其通过基于附图对实施方式的以下描述，得出另外的特征及其符合目的性。在附图中示出：
图1示出具有用于对比度改善的光学系统的激光系统的示例性示意图；
图2A至图2C示出用于阐述赫里奥特池作为多通池的示例的示例性示意图，以及
图3示出用于阐述用于对比度增强的示例性方法的示意流程图。
具体实施方式
本文中描述的方面部分地基于以下认识：椭圆偏振的定向的非线性强度相关的旋转可以基于强度相关相位旋转(自诱导的椭圆旋转)而实现。椭圆偏振旋转的强度相关性具有如下效果：与低强度区域相比，脉冲的偏振在脉冲峰值附近经历不同的旋转。结果，可以将高强度射束部分(由为应用设立的初级激光脉冲形成)与低强度激光辐射(例如，由伴随初级激光脉冲的前脉冲和后脉冲形成)分开。在多通池的范畴中实现NER提供了不同的调设参数和控制参数，由此针对激光系统的各种各样的参数配置在光学系统中实现对比度增强。
此外，发明人已经认识到：借助本文中披露的、关于在赫里奥特池中使用的情况下的NER的构思，脉冲式激光辐射可以摆脱低能量激光辐射(例如，激光前脉冲或后脉冲)，其方式是：只有高强度的激光脉冲(所讨论的初级激光脉冲)在其相对于之后的射束路径的偏振方面受到影响。该影响是借助于赫里奥特池的中间聚焦区中的气体的折射率的非线性来如此实现的，初级激光脉冲尽可能地能够穿过光学射束分离系统而没有任何损失。与初级激光脉冲相比，低能量激光辐射部分的偏振椭圆的定向在赫里奥特池内没有改变，并且因此所述低能量激光辐射部分可以在离开赫里奥特池后借助于光学射束分离系统从激光辐射中去除。换言之，如果由于初级激光脉冲的高强度而仅针对这些初级激光脉冲调设偏振椭圆的旋转，则可以从激光辐射中去除激光前脉冲和/或后脉冲，使得例如仅初级激光脉冲可以穿过预设定的分束器。
图1示出了包括用于进行对比度增加的光学系统3的激光系统1。光学系统3基于填充有气体4的多通池5(例如，赫里奥特池)的使用，气体4用作非线性克尔介质(Kerrmedium)。作为示例，在多通池5中强度非常高的情况下，可以使用氦气。在多通池5中强度较低但仍然很高的情况下，例如氩气或一些其他惰性气体可以被用作非线性介质。
激光系统1通常包括激光辐射源7，该激光辐射源输出激光辐射9。激光辐射9包括初级激光脉冲11，这些初级激光脉冲具有在例如几百毫焦耳范围内的脉冲能量和在几百飞秒或更小范围内的脉冲持续时间Δt，这些初级激光脉冲例如形成了超短脉冲串。取决于激光辐射源7，激光辐射9进一步包括低能量激光辐射13，在图1中例如说明为前脉冲13A或后脉冲13B。此外，激光辐射源7可以可选地具有用于调设初级激光脉冲11的脉冲持续时间的脉冲持续时间调设系统15，其中，脉冲持续时间调设系统15也可以分配给光学系统3，如图1所说明。
在本示例中假设：在脉冲持续时间调设系统15的输出处或在激光辐射源7的输出处，存在具有线性偏振17A的激光辐射9，线性偏振的偏振矢量例如在图1中被说明为正交于附图平面。也就是说，初级激光脉冲11和低能量激光辐射13这两者都是线性偏振的，具体地通常在相同的方向上。
为了进行对比度增加，光学系统3具有第一偏振调设光学器件19。在该第一偏振调设光学器件中，激光辐射9是椭圆偏振的。在这方面，图1说明了在第一偏振调设光学器件19的输出处在偏振椭圆上循环的(umlaufend)电场矢量，以便例如说明椭圆偏振状态17B，偏振椭圆的半长轴例如在附图平面中延伸。为了调设激光辐射9的此椭圆偏振状态，第一偏振调设光学器件19包括波片(例如，λ/4波片或λ/8波片等)。在图1的示例中，第一偏振调设光学器件19包括第一λ/4波片19A。此外，第一偏振调设光学器件19可以可选地例如在第一λ/4波片19A的前方具有用于定向椭圆偏振状态的取向的λ/2波片19B。为此目的，第一偏振调设光学器件19中的偏振调设与强度无关，这是因为波片以各向异性折射率工作，例如以双折射晶体工作。为了调设激光辐射9的椭圆偏振状态，例如，λ/4波片相对于激光辐射9的偏振平面如此调设，使得λ/4波片的快轴与偏振平面之间的角度不是0°、45°、90°或135°。可以将相应的角度范围分配给其他波片或波片组合以用于产生椭圆偏振。调设波片的角度使得可以调设偏振椭圆的椭圆度。结合前方的λ/2波片19B，此外可以实现偏振椭圆的定向。
由于在第一偏振调设光学器件19的输入处针对初级激光脉冲11和低能量激光辐射13相同地存在线性偏振，这两个射束部分在离开第一偏振调设光学器件19时也具有相同的椭圆偏振状态17B。
此外，图1示出了望远镜布置21，用于在借助于耦合输入镜23耦合输入到多通池5之前匹配脉冲式激光辐射9的模式(通常是射束参数，比如射束直径和射束发散度)。
实施为赫里奥特池的多通池5例如包括两个凹曲面镜25A、25B，这两个凹曲面镜构造在充气环境中在镜25A、25B之间重复来回延伸的射束路径5A。
多通池5(例如，该多通池呈赫里奥特池的几何形状)可以由沿着公共光轴27(由同心布置给出)彼此相向的例如呈同心或共焦谐振器布置、通常也呈任何其他谐振器配置的两个凹面镜形成。在这种情况下，镜25A、25B也被称为赫里奥特镜。如果激光辐射9以相对于光轴27偏移的方式被引入到多通池5中，则激光辐射9将在那里以预定的通常椭圆(圆形)图案来回循环。
图2A示意性地展示了在构造中间聚焦区29的情况下的镜25A、25B之间的射束路径，假定经耦合输入的激光辐射9的相应匹配模式。中间聚焦区29具有例如聚焦直径d和瑞利长度Lr并且位于谐振器布置的对称平面31的区域中，该谐振器布置在图1的示例中以同心方式构造。
图2B和图2C示出了镜25A、25B的俯视图，其中，示意性地说明了在镜表面上圆形布置的照射区域33。激光辐射9在照射区域33中尽可能居中地照射，之后再从那里在多通池(这里是谐振器布置)的中心方向上反射回来。此外，图2B和图2C中可以看到耦合输入开口35A，并且可以看到耦合输出开口35B。镜25A、25B的表面上可用于反射的区域是具有直径D的圆形区域部分。循环
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(中间聚焦区29)的数量原则上可以是任意量级；例如，可以穿过(durchlaufen)5到100个中间聚焦区；也就是说，在多通池中穿过多个中间聚焦区。此外，镜25A、25B中的至少一个镜也可以由单独的离散镜元件构成，其中，优选地可以在一个单独的镜元件上发生反射。例如，穿过十二个中间聚焦区29。
作为通过镜中的开口的射束耦合输入和射束耦合输出的替代性方案，可以使用接合在赫里奥特池中的较小的镜元件并将其定位在例如开口35A、35B的位置处。
参考图1中所说明的射束路径5A，脉冲式激光辐射9被重复地引导通过多通池5中心的中间聚焦区。由于在初级激光脉冲11的脉冲持续时间Δt期间初级激光脉冲的聚焦，在中间聚焦区中形成高强度，并且这些高强度导致气体4的折射率的非线性性能。如下文解释的，气体4的折射率的非线性性能导致激光辐射9的射束部分具有不同的偏振状态，并且因此可以用于脉冲式激光辐射9的对比度增加。
在穿过多通池5预定次数之后，激光辐射9离开多通池5并照射在输出镜37上，该输出镜反射经耦合输出的激光辐射。输出镜37引导激光辐射9通过第二望远镜布置39，该第二望远镜布置重新准直激光辐射9。
为了分离具有不同偏振状态的激光辐射9的射束部分，光学系统3进一步具有光学射束分离系统41。在例如图1中所示的实施方式中，光学射束分离系统41包括第二波片43和分束器45。第二波片43通常如此调设，使得椭圆偏振状态被再次转换为线性偏振。从现有技术已知用于分离具有不同椭圆偏振状态的射束部分的其他结构。
由于多通池5中气态克尔介质的折射率n的非线性(即强度相关折射率为n＝n_0+n_2*I(r；t)，其中，气体特定折射率参数为n_0和n_2、以及中间聚焦区中的强度分布为I(r；t))，仅针对初级激光脉冲11得出偏振椭圆旋转了转动角度ΔΘ，其中，转动角度ΔΘ与强度I(r；t)和n_2成比例。转动了ΔΘ的偏振椭圆在图1中例如说明为椭圆偏振状态17C。
低能量激光辐射13的偏振椭圆的取向由气体4的寻常折射率得出并且基本上保持不变。初级激光脉冲11的椭圆偏振状态和低能量激光辐射13的椭圆偏振状态因此在每次通过中间聚焦区29时改变它们相对于彼此的相对定向。
如果多通池5后方的两个偏振椭圆的定向相差90°，例如，对于初级激光脉冲11和低强度激光辐射13，在穿过波片43之后得到两个彼此正交定向的线性偏振状态47A、47B。如果分束器45相应地定向，则分束器45将初级激光脉冲11和低强度激光辐射13分布在用于有用射束部分9A和剩余射束部分9B的两个不同射束路径之间，这对应于正交线性偏振状态47A、47B。
图1例如说明了有用射束部分9A的初级激光脉冲11’，前脉冲和后脉冲已从该初级激光脉冲中去除。前脉冲和后脉冲形成剩余射束部分。即使所得的射束部分没有完全彼此正交地偏振，也可以从有用射束路径中去除前脉冲或后脉冲的主要部分。
为了初级激光脉冲11’(该初级激光脉冲的对比度已经相对于低强度激光辐射增加)的后续使用，初级激光脉冲11’可以例如添加到压缩器49。压缩器49例如在图1中作为啁啾镜压缩器示出。因此，可以在激光系统1的输出处输出有用激光辐射9A’，该有用激光辐射包括经压缩的初级激光脉冲11”的序列，其中，经压缩的初级激光脉冲11”具有增加的对比度。
与从现有技术已知的使用HCF的结构相比，本文中提出的配置(例如，使用赫里奥特池)可以实现穿过预定/可调设数量的中间聚焦区29。而且，中间聚焦区中的射束直径d是可调设的，并且例如还可以通过镜25A、25B的曲率半径Rm与激光功率、脉冲持续时间等以及气体4相协调。例如，两个镜的曲率半径Rm相同，或至少处于相同的量级。
除了中间聚焦区29的大小的可调设性之外，例如通过镜25A、25B的曲率半径以及通过可以连接在多通池前方的、用于模式匹配的相应望远镜布置，可以在非线性方面来调设气体压力。应注意，由于在多通池中进行穿过的各个中间聚焦区的高度空间接近性，中间聚焦区中的每个中间聚焦区中存在相同的气体压力。优选地，各个中间聚焦区中的光学射束参数和射束特性非常相似，结果是也存在相似的非线性效应。
如果镜25A、25B形成同心谐振器(在相同曲率半径Rm的情况下，镜之间的间距大约为2*Rm)，则中间聚焦区29基本上都具有相同的直径d并且具有相应相同的瑞利长度Lr。通常，镜25A、25B之间的间距处于曲率半径的和的95％至105％的范围内。强的初级激光脉冲11顺序地传播通过中间聚焦区29，并且在此过程中在电场强度下与气体4重复地相互作用，这可能对折射率n产生非线性影响，并且因此对初级激光脉冲11的偏振状态产生非线性影响。
本文中描述的赫里奥特结构的使用在设计中间聚焦区和其中存在的非线性条件时提供了各种参数，这些参数可预先定义和/或在操作期间可调设。为了调设参数，光学系统3可以包括控制系统61，例如，该控制系统通过控制连接件63连接到脉冲持续时间调设系统15、偏振调设光学器件19(特别地用于调设第一λ/4波片19A和可选的λ/2波片19B的角度位置)、望远镜布置21、39(特别地用于调设望远镜透镜21A、21B之间的间距)、用于调设气体压力的压力调设设备65(参见图1)和/或光学射束分离系统41(特别地用于调设第二λ/4波片43的角度位置)。
例如，可以借助控制系统3来调设以下：
-脉冲式激光辐射9的初级激光脉冲11的脉冲持续时间Δt，
-脉冲式激光辐射9的初级激光脉冲11的脉冲能量，
-脉冲式激光辐射9的所调设的椭圆偏振的椭圆度，
-中间聚焦区29中的聚焦直径d，
-中间聚焦区29的瑞利长度Lr，以及
-中间聚焦区29中的气体4的气体压力。
如图2B和图2C所示，激光辐射9重复地照射在镜25A、25B上(分别多次)。镜可以补充地用于色散匹配，其方式是，镜构造为色散镜。如果镜25A、25B至少在反射之一的情况下具有色散效果，则可以直接影响色散并因此影响初级激光脉冲11的脉冲持续时间。作为示例，照射区域33中的一个或多个照射区域可以设有色散层。例如在图2A中，以虚线方式说明用于镜25B的色散涂层51。而且，镜25A、25B中的每个镜可以由具有预定色散特性的多个镜段构成，这些镜段中的每个镜段的色散匹配于穿过多通池5的期望脉冲持续时间。相应地，多通池5中存在的色散由色散镜的色散贡献和沿射束路径5A的充气体积中的色散贡献组成。
图1中说明了一种示例性镜段53。在脉冲式激光辐射循环通过多通池时，激光辐射至少一次照射(取决于镜段的大小)在镜段上，该镜段通常至少具有镜表面上射束直径D的量级的范围。
换言之，本文中提出的构思允许在通过充气体积期间积累的色散至少部分地通过合适的色散镜涂层(啁啾式镜)来补偿，以便例如在中间聚焦区中维持可比较的脉冲持续时间或以针对性方式改变脉冲持续时间。
除了使用上文讨论的NER之外，多通池5使高强度初级激光脉冲能够在中间聚焦区中逐步地光谱展宽。非线性光谱展宽是由分别存在于中间聚焦区中的高强度以及由多通池5中的气态介质的折射率的非线性引起的。
由于非线性光谱展宽，脉冲光谱可以从中间聚焦区到中间聚焦区地变化，但基本上保持恒定的脉冲持续时间和恒定的脉冲能量。如果多通池5借助于啁啾式镜构造，则可以附加地调设脉冲持续时间。作为示例，脉冲持续时间可以从一次通过到另一次通过地变化(缩短或延长)。相应地，即使在非线性光谱展宽的情况下，中间聚焦区中的峰值强度也基本保持恒定。
如果在多通池中为此目的使用具有椭圆偏振的激光辐射，则可以得出与非线性光谱展宽相关的另一优点。如此，光谱展宽可能跨越频谱更平滑地实现，使得可能得到较少结构化的光谱。这可以对随后的脉冲成形和/或脉冲压缩产生积极影响。
图2A示出了在采用曲面赫里奥特镜的情况下赫里奥特池中的中间聚焦区的构造。下面考虑在本文中提出的构思的范畴中用于实现多通池的几何参数。
对可以借助于多通池在对比度方面增加(并且可选地被光谱展宽)的初级激光脉冲的脉冲能量的限制由以下得出：避免激光诱导的对(赫里奥特)镜的损坏；所用气体的电离阈值。在多通池5中使用氦气作为气体4的情况下，最高可能的电离阈值为大约3.42 10^14W/cm2。
激光诱导的对镜25A、25B的损坏决定曲面镜25A、25B上的激光辐射9的最小直径。电离阈值确定中间聚焦区29中在避免气体4电离方面的最小可能聚焦直径d。两个参数共同定义多通池5的所需长度，即，例如构造同心谐振器的镜之间的间距，以及其曲率半径。
关于通过多光子电离的限制，应该提到该多光子电离基本上与多通池中的气体压力无关。
在此上下文中同样重要的是：与线性偏振光相比，针对圆/椭圆偏振光，对于电离所需的电场强度增加，使得在镜25A、25B上可比较的射束直径D的情况下，中间聚焦区29中的可能聚焦直径d可以选择得更小。与以线性偏振工作的多通池相比，这通常导致镜之间的间距减小(例如，镜25A、25B之间的间距缩短到二分之一或更小)。因此，将多通池用于NER可以产生积极的副作用，即可以将多通池构造得更紧凑。
针对高强度激光辐射的应用，镜可能需要承受几百mJ的脉冲能量以及几百fs、例如500fs或更短的脉冲持续时间。针对超短脉冲，镜进一步地应该具有宽带设计，例如经设计用于：例如700nm至1100nm的波长范围，例如这针对来自钛蓝宝石激光器的超短脉冲；或者900nm至1100nm的波长范围，这针对来自发射大约1000nm的激光器(比如Nd:YAG或Yb:YAG)的超短脉冲。此外，镜可能会或可能不会提供色散贡献，并且因此可能还应考虑色散涂层。
下面参考图2A到图2C解释多通池及其所基于的镜的示例性参数。针对镀膜镜，在脉冲持续时间大约为500fs的情况下，可以测量到大约0.5J/cm2的激光诱导的损坏阈值。此阈值通常分配给射束中心。假设是高斯射束，例如因此针对大约500fs的激光脉冲，阈值大约为0.1J/cm2，并且因此在安全系数为3的情况下，例如，最大允许通量大约为0.03J/cm2。
以此出发，例如针对200mJ脉冲得出大约9mm的射束半径，或在针对多通池5的镜25A、25B上得出大约13mm的实现的1/e2射束直径，该镜具有镜25A、25B的所需焦距f(曲率半径Rm)和相应的多通池5的长度(镜之间的间距)。
针对圆偏振光(与线性偏振光相比具有减小的(最大)电场强度)，假设镜上存在相同的射束直径，可以在镜25A、25B的相应较小的曲率半径的情况下实现减小的镜之间的间距/缩短的多通池长度/谐振器长度L。
将参考图3中所示的流程图解释本文中提出的用于在使用非线性椭圆偏振旋转情况下来进行脉冲式激光辐射的对比度增加的方法中的步骤。
在步骤71中，调设脉冲式激光辐射9的椭圆偏振状态17A。
在步骤73中，将脉冲式激光辐射9耦合输入到由两个凹面镜25A、25B形成的多通池5中，这两个凹面镜构造例如同心或共焦谐振器。在构造多个中间聚焦区29的情况下，多通池5(例如，同心或共焦谐振器)多次被穿过，其中，多通池5填充有具有光学非线性的气体4，该光学非线性实现在中间聚焦区29中的脉冲式激光辐射9的椭圆偏振状态17B的定向的强度相关的旋转。相应地，在多通池5中生成具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分。
在步骤75中，将具有不同定向的椭圆偏振的射束部分从多通池5耦合输出，并且在步骤77中，将经耦合输出的射束部分分离成具有初级激光脉冲11’的有用射束部分9A和具有低强度激光辐射的剩余射束部分9B。
此外，根据本文中所披露的方法，可选地，用于转动多通池5中的椭圆偏振状态中的一个椭圆偏振状态的定向的以下参数中的至少一个参数可以在先前的或运行伴随的步骤79中调设：
-脉冲式激光辐射9的初级激光脉冲11的脉冲持续时间Δt，
-脉冲式激光辐射9的初级激光脉冲11的脉冲能量，
-脉冲式激光辐射9的所调设的椭圆偏振状态的椭圆度，
-中间聚焦区29中的聚焦直径d，
-中间聚焦区29的瑞利长度Lr，
-中间聚焦区29中的气体压力，以及
-初级激光脉冲(11)在多通池5中积累的的色散。
在这方面，可以针对脉冲式激光辐射9的初级激光脉冲11调设例如90°的转动角度ΔΘ。
总之，可以为NER调设必要的非线性条件，以清除构造为赫里奥特池的多通池中的低能量贡献的激光辐射。如所解释的，本文中提出的光学系统允许在多通池的中间聚焦区中提供基本上非常相似(可比较)的非线性条件，例如这是由于中间聚焦区中的可比较的气体压力和可比较的脉冲持续时间和脉冲能量(以及因此脉冲峰值强度)。
而且，脉冲持续时间和脉冲峰值强度可以进一步地借助于上述色散镜/镜段来调设，以用于补偿在各次穿过多通池时的(通常仅很小的)脉冲持续时间延长效应。特别地，通过使用不同的色散镜段，可以获得针对色散补偿的附加自由度，并且因此获得针对调设中间聚焦区中的强度的附加自由度。
此外，激光辐射可以依次穿过一系列相继的多通池。这样允许在分别存在于各个多通池中的中间聚焦区的组中不同地调设气体条件。
明确地强调，出于原始披露的目的以及同样出于独立于实施方式和/或权利要求中的特征组合来限制要求保护的发明的目的，在说明书和/或权利要求书中披露的所有特征应被视为单独的且彼此独立。明确指出，出于最初披露的目的并且同样出于限制要求保护的发明的目的、尤其是也限制范围说明的目的，所有范围说明或单位组的说明都披露了任何可能的中间值或池的子集。

Claims (16)

1.一种用于在使用非线性椭圆偏振旋转的情况下来进行脉冲式激光辐射(9)的对比度增加的光学系统(3)，所述光学系统包括：
-第一偏振调设光学器件(19)，所述第一偏振调设光学器件用于调设所述脉冲式激光辐射(9)的椭圆偏振状态(17B)，
-多通池(5)，所述多通池具有至少两个相对置的镜(25A，25B)，在构造多个中间聚焦区(29)的情况下，所述脉冲式激光辐射(9)穿过所述多通池，其中，所述多通池(5)填充有具有光学非线性的气体(5A)，所述光学非线性实现所述脉冲式激光辐射(9)的所述椭圆偏振状态(17B)的定向的强度相关的旋转，使得由于所述强度相关的旋转，所述多通池(5)输出具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分，
-光学射束分离系统(41)，所述光学射束分离系统用于分离所述具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分。
2.根据权利要求1所述的光学系统(3)，其中，针对所述椭圆偏振状态中的一个椭圆偏振状态的定向的转动，尤其是为了调设90°的转动角度(ΔΘ)，所述光学系统(3)的以下参数中的至少一个参数被调设或是可调设的：
-所述中间聚焦区(29)中的气体压力，其中，所述光学系统(3)构造为填充气体的池并且所述光学系统(3)具有用于调设所述填充气体的池中的所述气体压力的压力调设设备(65)，和/或
-所述多通池(5)中存在的色散，
其中，可选地，所述光学系统(3)的以下参数中的至少一个参数被调设或是可调设的：
-所述脉冲式激光辐射(9)的所调设的椭圆偏振的椭圆度，
-所述多通池(5)中的中间聚焦区(29)的数量，
-所述中间聚焦区(29)中的聚焦直径(d)，以及
-所述中间聚焦区(29)的瑞利长度(Lr)。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统(3)，其中，所述第一偏振调设光学器件(19)包括第一波片(19A)，可选地λ/4波片(19A)和/或λ/2波片(19B)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(3)，其中，所述光学系统(3)进一步包括以下光学部件中的至少一个光学部件：
-脉冲持续时间调设系统(15)，所述脉冲持续时间调设系统用于调设所述脉冲式激光辐射(9)的初级激光脉冲(11)的脉冲持续时间(Δt)，
-第一光学望远镜布置(21)，所述第一光学望远镜布置设置用于以预给定的模式将所述脉冲式激光辐射(9)映射到所述多通池(5)中，并且所述第一光学望远镜布置可选地相对于所述第一偏振调设光学器件(19)沿射束在后地布置，
-耦合输入镜(23)，所述耦合输入镜用于将所述脉冲式激光辐射(9)耦合输入到所述多通池(5)中，
-耦合输出镜(37)，所述耦合输出镜用于进一步引导从所述多通池(5)出射的所述脉冲式激光辐射(9)，以及
-第二光学望远镜布置(39)，所述第二光学望远镜布置设置用于准直从所述多通池(5)出射的所述脉冲式激光辐射(9)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(3)，其中，所述多通池(5)构造成
-具有预定数量或可调设数量的中间聚焦区(29)，所述中间聚焦区借助谐振器结构中的所述相对置的镜(25A，25B)产生，所述相对置的镜具有所述镜(25A，25B)的尤其相同的、曲率半径，其中，所述中间聚焦区(29)基本上具有相同的直径(d)和相同的瑞利长度(Lr)，
-用于成形以下中间聚焦区(29)：所述中间聚焦区彼此并排布置并且可选地部分彼此重叠地布置，
-作为填充有非线性气态介质、尤其是比如氦气或氩气的惰性气体的池，其中，在所述中间聚焦区(29)中的每个中间聚焦区中存在相同的气体压力，
-具有进行穿过的脉冲式激光辐射(9)的、在所述中间聚焦区(29)中存在的基本上恒定的脉冲持续时间(Δt)和基本上恒定的脉冲能量，和/或
-用于在所述中间聚焦区(29)中对进行穿过的脉冲式激光辐射(9)进行逐步的非线性光谱展宽。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(3)，其中，所述多通池(5)的所述镜(25A，25B)中的至少一个镜
-构造为凸面镜，其中，所述曲率半径尤其一致，和/或所述镜之间的间距位于所述曲率半径的和的95％至105％的范围内，和/或
-构造为色散镜，所述色散镜的色散贡献补偿所述脉冲式激光辐射(9)的初级激光脉冲(11)至少一次通过所述多通池的色散的贡献，和/或
-包括至少一个镜段(53)，在所述脉冲式激光辐射循环通过所述多通池时，所述脉冲式激光辐射(9)至少一次照射在所述至少一个镜段上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(3)，其中，所述多通池(5)如此构造，使得其对比度在所述光学系统(3)中应增加的脉冲式激光辐射(9)的初级激光脉冲(11)在所述中间聚焦区(29)中基本上不经历所述脉冲持续时间(Δt)和/或脉冲能量的变化，和/或
其中，所述多通池(5)构造为尤其是同心或共焦的谐振器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(3)，其中，具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分包括具有初级激光脉冲(11)的有用射束部分和具有低强度激光辐射的剩余射束部分，所述剩余射束部分尤其具有辐射基础和/或在所述高强度激光脉冲(11)之前的低强度激光脉冲(13A)和/或在所述高强度激光脉冲之后的低强度激光脉冲(13B)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(3)，其中，用于分离具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分的所述光学射束分离系统(41)包括：
-第二偏振调设光学器件，所述第二偏振调设光学器件用于将所述不同定向的椭圆偏振状态中的每一个椭圆偏振状态返回到线性偏振状态(47A，47B)，其中，尤其由所述多通池(5)输出的、具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分被转换为具有不同定向的线性偏振状态(47A，47B)的、有用射束部分(9A)和剩余射束部分(9B)，
-分束器(45)，所述分束器在不同的射束路径上输出所述有用射束部分(9A)和所述剩余射束部分(9B)。
10.根据权利要求9所述的光学系统(3)，其中，所述第二偏振调设光学器件包括第二波片(43)，可选地λ/4波片(43)和/或λ/2波片。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(3)，所述光学系统进一步具有控制系统(61)，所述控制系统构造用于转动所述椭圆偏振状态中的一个椭圆偏振状态的定向，尤其是用于调设90°的转动角度(ΔΘ)，至少构造用于调设以下参数中的一个参数：
-所述脉冲式激光辐射(9)的初级激光脉冲(11)的脉冲持续时间(Δt)，
-所述脉冲式激光辐射(9)的初级激光脉冲(11)的脉冲能量，
-所述脉冲式激光辐射(9)的所调设的椭圆偏振的椭圆度，
-所述中间聚焦区(29)中的聚焦直径(d)，
-所述中间聚焦区(29)的瑞利长度(Lr)，
-所述中间聚焦区(29)中的所述气体(4)的气体压力。
12.一种激光系统(1)、尤其是超短脉冲(UKP)激光系统，所述激光系统用于发射脉冲式激光辐射(9)，所述激光系统包括
-激光辐射源(7)，所述激光辐射源输出所述脉冲式激光辐射(9)，所述脉冲式激光辐射包括初级激光脉冲(11)，所述初级激光脉冲尤其具有脉冲能量和在几百飞秒或更小的范围内的脉冲持续时间(Δt)，
-可选地，脉冲持续时间调设系统(15)，所述脉冲持续时间调设系统用于调设所述初级激光脉冲(11)的所述脉冲持续时间(Δt)，
-根据前述权利要求中任一项所述的至少一个光学系统(3)，用于在使用在多通池(5)的多个中间聚焦区(29)中的非线性椭圆偏振旋转的情况下的、所述脉冲式激光辐射(9)的对比度增加，
-可选地，光学脉冲持续时间压缩器系统(49)，所述光学脉冲持续时间压缩器系统用于补偿所述至少一个光学系统(9)的色散贡献，并且可选地用于在时间上对所述激光辐射的所述初级激光脉冲进行压缩，如果所述激光辐射的初级激光脉冲(11)在中间聚焦区(29)中的至少一个中间聚焦区中经历了非线性光谱展宽。
13.根据权利要求12所述的激光系统(1)，其中，根据前述权利要求中任一项所述的第一光学系统中的气体条件、尤其是气体类型和/或气体压力不同于根据前述权利要求中任一项所述的第二光学系统中的相应气体条件。
14.一种用于使用非线性椭圆偏振旋转来增加脉冲式激光辐射(9)的对比度的方法，所述方法包括以下步骤：
-调设所述脉冲式激光辐射(9)的椭圆偏振状态(17A)，
-将所述脉冲式激光辐射(9)耦合输入到多通池(5)中，所述多通池具有至少两个镜(25A，25B)，在构造多个中间聚焦区(29)的情况下，所述多通池被穿过，其中，所述多通池(5)填充有具有光学非线性的气体(4)，所述光学非线性实现在中间聚焦区(29)中所述脉冲式激光辐射(9)的椭圆偏振状态(17B)的定向的强度相关的旋转，由此在所述多通池(5)中产生具有不同定向的椭圆偏振状态的射束部分，
-将所述具有不同定向的椭圆偏振的射束部分从所述多通池(5)中耦合输出，
-将经耦合输出的射束部分分离成具有初级激光脉冲(11’)的有用射束部分(9A)和具有低强度激光辐射的剩余射束部分(9B)。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法进一步包括
-调设以下参数中的至少一个参数以转动所述多通池(5)中的所述椭圆偏振状态中的一个椭圆偏振状态的定向，尤其是用于针对所述脉冲式激光辐射(9)的初级激光脉冲(11)调设90°的转动角度(ΔΘ)：
-所述中间聚焦区(29)中的气体压力，和/或
-所述初级激光脉冲(11)在所述多通池(5)中积累的色散，以及可选地，
-所述脉冲式激光辐射(9)的所述初级激光脉冲(11)的脉冲持续时间(Δt)，
-所述脉冲式激光辐射(9)的所述初级激光脉冲(11)的脉冲能量，
-所述脉冲式激光辐射(9)的所调设的椭圆偏振状态的椭圆度，
-所述中间聚焦区(29)中的聚焦直径(d)，和/或
-所述中间聚焦区(29)的瑞利长度(Lr)。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，此外，基于在所述多通池(5)中的非线性光谱展宽，所述脉冲式激光辐射(9)的分配给所述初级脉冲(11)的脉冲谱被展宽、尤其从中间聚焦区到中间聚焦区地被展宽，同时发生所述对比度增加。
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