DE10115825A1

DE10115825A1 - Verfahren zur Strahlführung ultrakurzer Laserpulse sowie eine Strahlführungseinrichtung für ultrakurze Laserpulse

Info

Publication number: DE10115825A1
Application number: DE10115825A
Authority: DE
Inventors: Boris N Chichkov; Thilo Wagner; Thorsten Bauer
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlführung ultrakurzer Laserpulse, bei dem die Laserpulse vor Eintritt in eine Lichtleitfaser oder ein Bündel von Lichtleitfasern auf einen ersten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich gedehnt werden und bei dem die Laserpulse nach ihrer zeitlichen Dehnung in der Lichleitfaser bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern auf einen zweiten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich komprimiert werden, wobei der erste vorbestimmte Wert der Pulsdauer so gewählt wird, daß bei zeitlicher Kompression der Laserpulse in der Lichtleitfaser bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern die Zerstörungsschwelle der Lichtleitfaser bzw. des Bündels von Lichtleitfasern nicht erreicht wird. Aufgrund der Verwendung von Lichtleitfasern zur Strahlführung ist das erfindungsgemäße Verfahren mit geringem Aufwand und damit kostengünstig durchführbar. Ein erfindungsgemäße Strahlführungseinrichtung 2 ist einfach und damit kostengünstig im Aufbau.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahl führung ultrakurzer Laserpulse sowie eine Strahlfüh rungseinrichtung für ultrakurze Laserpulse.

Ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse im ps- oder fs-Bereich, werden vielfältig eingesetzt, beispiels weise in der Materialbearbeitung mittels Laserstrah lung. Um eine ausreichende Verstärkung der Laserpulse durchführen zu können, ohne die Zerstörungsschwelle der verwendeten Bauteile zu erreichen, werden die Laser pulse zunächst zeitlich gedehnt und daran anschließend verstärkt (CPA). Nach der Verstärkung werden die Laser pulse mittels eines Kompressors, beispielsweise in Form eines Dispersionsgitters oder eines Prismenpaares, zeitlich komprimiert, wobei die Amplitude der Laser pulse mit zunehmender zeitlicher Kompression ansteigt.

Es sind Strahlführungseinrichtungen bekannt, bei denen die zuvor komprimierten Laserpulse mittels eines Spiegels oder mehrerer Spiegel geführt werden, um sie beispielsweise auf ein zu bearbeitendes Werkstück zu richten.

Ein Nachteil dieser bekannten Strahlführungsein richtungen besteht darin, daß sie aufwendig im Aufbau und damit teuer in der Herstellung sind. Dies gilt ins besondere dann, wenn eine Mehrzahl von Spiegeln erforderlich ist. Falls die Laserpulse auf unterschiedliche räumliche Bereiche eines Werkstücks gerichtet werden sollen, so sind für die hierfür erforderliche Verstel lung der Spiegel aufwendige Verstellmechaniken notwen dig, die den Aufbau der bekannten Lichtleiteinrichtung weiter komplizieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zur Strahlführung ultrakurzer Laserpulse sowie eine Strahlführungseinrichtung für ultrakurze Laser pulse anzugeben, bei dem bzw. bei der eine Strahlfüh rung ultrakurzer Laserpulse in einfacher und damit ko stengünstiger Weise ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre und hinsicht lich der Einrichtung durch die im Anspruch 7 angegebene Lehre gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Lichtleitung ultrakurzer Laserpulse eine Lichtleitfaser bzw. ein Bündel von Lichtleitfasern zu verwenden. Hier von ausgehend liegt der Erfindung der weitere Gedanke zugrunde, das Erreichen der Zerstörungsschwelle der Lichtleitfaser bei einer aufgrund von Dispersion in der Lichtleitfaser auftretenden zeitlichen Kompression der Laserpulse dadurch zu verhindern, daß die Laserpulse vor Eintritt in die Lichtleitfaser bis auf einen ersten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich gedehnt wer den. Bei entsprechender Wahl dieses ersten vorbestimm ten Wertes der Pulsdauer ist zuverlässig vermieden, daß die Pulsdauer bei Kompression der Laserpulse in der Lichtleitfaser so kurz wird, daß die Zerstörungsschwel le der Lichtleitfaser überschritten wird.

Aufgrund der Verwendung von Lichtleitfasern ist die erfindungsgemäße Strahlführungseinrichtung einfach und damit kostengünstig im Aufbau.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Strahl führungseinrichtung besteht darin, daß aufgrund der Vorkompression der Laserpulse in der Lichtleitfaser ein der Lichtleitfaser nachgeordneter Kompressor mit einer sehr geringen Baugröße realisiert werden kann, so daß dieser Kompressor beispielsweise in einen Arbeitskopf einer Bearbeitungsmaschine integriert und mit diesem bewegt werden kann.

Das Material der Lichtleitfaser wird hinsichtlich seiner Dispersionseigenschaften in dem Fachmann bekann ter Weise so gewählt, daß die Laserpulse beim Durch tritt durch die Lichtleitfaser in der gewünschten Weise zeitlich komprimiert werden.

Grundsätzlich ist es ausreichend, eine einzelne Lichtleitfaser zu verwenden. Insbesondere zum Führen von Laserpulsen mit großer Pulsenergie kann erfindungs gemäß ein Bündel von Lichtleitfasern verwendet werden.

Um eine beispielsweise für die Materialbearbeitung erforderliche geringe Pulsdauer und hohe Intensität der Laserpulse zu erzielen, ist es zweckmäßig, daß die La serpulse nach ihrem Austritt aus der Lichtleitfaser bis auf einen dritten vorbestimmten Wert der Pulsdauer kom primiert werden.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah rens sieht vor, daß der erste vorbestimmte Wert der Pulsdauer im wesentlichen dem zweiten vorbestimmten Wert der Pulsdauer entspricht, derart, daß die zeitli che Kompression der Laserpulse beim Durchtritt durch die Lichtleitfaser bzw. das Bündel von Lichtleitfasern durch die vorherige zeitliche Dehnung kompensiert wird. Auf diese Weise ist zuverlässig vermieden, daß die Zer störungsschwelle der Lichtleitfaser bzw. des Bündels von Lichtleitfasern erreicht wird.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Pulsdauer der Laserpulse in der Lichtleitfaser bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern so geregelt wird, daß die Zerstö rungsschwelle der Lichtleitfaser bzw. des Bündels von Lichtleitfasern nicht erreicht wird. Die Regelung der Pulsdauer kann beispielsweise derart erfolgen, daß der Brechungsindex der Lichtleitfaser bzw. des Bündels von Lichtleitfasern so verändert wird, daß bei der kürze sten auftretenden Pulsdauer der Laserpulse in der Lichtleitfaser bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern die Zerstörungsschwelle nicht erreicht wird.

Zweckmäßigerweise beträgt der erste vorbestimmte Wert der Pulsdauer etwa 10 ps und/oder der dritte vor bestimmte Wert der Pulsdauer weniger als etwa 100 bis 150 fs beträgt.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Strahlführungseinrichtung sind in den Ansprüchen 8 bis 13 angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungs beispiele von erfindungsgemäßen Strahlführungseinrich tungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles einer er findungsgemäßen Strahlführungseinrich tung als Teil einer Einrichtung zum Er zeugen und Verstärken ultrakurzer Laser pulse und

Fig. 2 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Strahlführungseinrichtung.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugs zeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlführungseinrichtung 2 als Teil einer Einrichtung 4 zur Erzeugung und Verstärkung ul trakurzer Laserpulse dargestellt.

Die Einrichtung 4 weist einen Oszillator 6 auf, der ultrakurze Laserpulse im fs-Bereich erzeugt und beispielsweise durch einen Festkörperlaser oder einen Faserlaser gebildet ist. Erfindungsgemäß sind Dehnungs mittel 8 zur zeitlichen Dehnung der Laserpulse vorgese hen, die die Laserpulse auf einen ersten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich dehnen und beispielsweise durch ein Dispersionsgitter oder ein Prismenpaar ge bildet sein können. Den Dehnungsmitteln 8 ist bei die sem Ausführungsbeispiel ein Verstärker 10 nachgeordnet, der die von dem Oszillator 6 erzeugten und von den Deh nungsmitteln 8 zeitlich gedehnten Laserpulse verstärkt und beispielsweise durch einen regenerativen Verstärker oder einen Multipass-Verstärker gebildet sein kann.

Dem Verstärker 10 ist eine flexible Lichtleitfaser 12 nachgeordnet, deren optische Eigenschaften so ge wählt sind, daß die Laserpulse beim Durchtritt durch die Lichtleitfaser 12 auf einen zweiten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich komprimiert werden.

Der flexiblen Lichtleitfaser 12 sind Kompressions mittel 14 nachgeordnet, die die in der Lichtleitfaser 12 vorkomprimierten Laserpulse auf einen dritten vor bestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich komprimieren, der entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewählt wird.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Strahl führungseinrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist wie folgt:
In dem Oszillator 6 erzeugte Laserpulse werden durch die Dehnungsmittel 8 auf einen ersten vorbestimm ten Wert der Pulsdauer zeitlich gedehnt und daran an schließend in dem Verstärker 10 verstärkt. Nach dem Austritt aus dem Verstärker 10 treten die Laserpulse in die Lichtleitfaser 12 ein, in der sie aufgrund von Dis persion auf einen zweiten vorbestimmten Wert der Puls dauer komprimiert werden. Der erste vorbestimmte Wert der Pulsdauer ist hierbei so gewählt, daß bei Kompres sion der Laserpulse in der Lichtleitfaser 12 deren Zer- störungsschwelle nicht erreicht wird.

Nach Austritt aus der Lichtleitfaser 12 werden die in der Lichtleitfaser vorkomprimierten Laserpulse durch die Kompressionsmittel bis aus einen dritten vorbe stimmten Wert der Pulsdauer zeitlich komprimiert und daran anschließend auf ein Werkstück geleitet, zu des sen Bearbeitung die Laserpulse dienen.

Dadurch, daß die Laserpulse vor ihrem Eintritt in die Lichtleitfaser 12 durch die Dehnungmittel 8 zeit lich gedehnt werden, ist vermieden, daß bei der in der Lichtleitfaser 12 auftretenden zeitlichen Kompression der Laserpulse die Zerstörungsschwelle der Lichtleitfa ser 12 erreicht wird.

Aufgrund der Verwendung der Lichtleitfaser 12 zur Strahlführung der Laserpulse ist die erfindungsgemäße Strahlführungseinrichtung 2 einfach und damit kosten günstig herstellbar. Aufgrund der Vorkompression der Laserpulse in der Lichtleitfaser 12 können die Kompres sionsmittel 14, die die Laserpulse auf den dritten vor bestimmten Wert der Pulsdauer, der entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewählt wird, zeitlich kom primieren, klein und kompakt ausgebildet werden, so daß die Kompressionsmittel beispielsweise in einen in der Zeichnung nicht dargestellten Bearbeitungskopf einer Bearbeitungsmaschine integriert werden kann.

Da die Lichtleitfaser 12 flexibel und robust ist, kann der nicht dargestellte Bearbeitungskopf mit hoher Geschwindigkeit über einen großen räumlichen Bereich relativ zu dem Werkstück bewegt werden, ohne daß dafür aufwendige Verstellmechaniken, wie sie beispielsweise bei der Verwendung von Spiegeln zur Strahlführung benö tigt werden, erforderlich sind.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel ei ner erfindungsgemäßen Strahlführungseinrichtung 2 dar gestellt, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß anstelle des Dispersions gitters und des Verstärkers eine Lichtleitfaser 16 vor gesehen ist, deren Material hinsichtlich seiner Disper sionseigenschaften so gewählt ist, daß die ultrakurzen Laserpulse sowohl verstärkt als auch zeitlich gedehnt werden.

Claims

1. Verfahren zur Strahlführung ultrakurzer Laserpul se,
bei dem die Laserpulse vor Eintritt in eine Lichtleit faser oder ein Bündel von Lichtleitfasern auf einen ersten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich ge dehnt werden und
bei dem die Laserpulse nach ihrer zeitlichen Dehnung in der Lichtleitfaser bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern auf einen zweiten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich komprimiert werden, wobei der erste vor bestimmte Wert der Pulsdauer so gewählt wird, daß bei zeitlicher Kompression der Laserpulse in der Lichtleit faser bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern die Zerstö rungsschwelle der Lichtleitfaser bzw. des Bündels von Lichtleitfasern nicht erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserpulse nach Austritt aus der Lichtleitfaser bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern auf einen dritten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich komprimiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste vorbestimmte Wert der Pulsdauer im wesentlichen dem zweiten vorbestimmten Wert der Pulsdauer entspricht, daß die zeitliche Kompression der Laser pulse bei Durchtritt durch die Lichtleitfaser bzw. das Bündel von Lichtleitfasern durch die vorherige zeitli che Dehnung wenigstens teilweise kompensiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer der Laserpulse in der Lichtleitfaser bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern so geregelt wird, daß die Zerstörungsschwelle der Lichtleitfaser bzw. des Bündels von Lichtleitfasern nicht erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste vorbestimmte Wert der Pulsdauer etwa 10 ps beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte vorbestimmte Wert der Pulsdauer weniger als etwa 1 ps, vorzugweise etwa 100 bis 150 fs beträgt.

7. Strahlführungseinrichtung für ultrakurze Laser pulse,
mit Dehnungsmitteln (8), die die Laserpulse auf einen ersten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich dehnen und
mit wenigstens einer Lichtleitfaser (12) oder einem Bündel von Lichtleitfasern, die bzw. das den Dehnungs mitteln nachgeordnet ist und die Laserpulse auf einen zweiten vorbestimmten Wert der Pulsdauer zeitlich kom primiert, wobei der erste vorbestimmte Wert der Puls dauer so gewählt ist, daß bei Kompression der Laser pulse in der Lichtleitfaser (12) bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern eine Zerstörungsschwelle der Lichtleit faser (12) bzw. des Bündels von Lichtleitfasern nicht erreicht ist.

8. Strahlführungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitfaser (12) bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern Kompressionsmittel (14) nachgeordnet sind, die die Laserpulse nach Austritt aus der Lichtleitfaser (12) bzw. dem Bündel von Lichtleit fasern auf einen dritten vorbestimmten Wert der Puls dauer zeitlich komprimieren.

9. Strahlführungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste vorbestimmte Wert der Pulsdauer im wesentlichen dem zweiten vorbestimmten Wert der Pulsdauer entspricht, derart, daß die zeitli che Kompression, die die Laserpulse beim Durchtritt durch die Lichtleitfaser (12) bzw. das Bündel von Lichtleitfasern erfahren, durch die vorherige zeitliche Dehnung wenigstens teilweise kompensiert ist.

10. Strahlführungseinrichtung nach Anspruch 7, gekenn zeichnet durch Regelungsmittel, die die Pulsdauer der Laserpulse in der Lichtleitfaser (12) bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern so regeln, daß die Zerstörungs schwelle der Lichtleitfaser bzw. des Bündels von Licht leitfasern nicht erreicht ist.

11. Strahlführungseinrichtung nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß die Regelungsmittel die Puls dauer der Laserpulse in der Lichtleitfaser (12) bzw. dem Bündel von Lichtleitfasern durch Änderung des Bre chungsindexes der Lichtleitfaser bzw. des Bündels von Lichtleitfasern regeln.

12. Strahlführungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste vorbestimmte Wert der Pulsdauer etwa 10 ps beträgt.

13. Strahlführungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte vorbestimmte Wert der Pulsdauer weniger als etwa 1 ps, vorzugsweise etwa 100 bis 150 fs beträgt.