DE102004011190A1

DE102004011190A1 - Verfahren zur Leistungserhöhung von optischen Strahlformern und optischer Strahlformer

Info

Publication number: DE102004011190A1
Application number: DE200410011190
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dr. Grunwald; Thomas Prof. Elsässer; Uwe Neumann
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: DE102004011190B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungserhöhung von optischen Strahlformern mit einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einem Laser mit ultrakurzer Pulsdauer, mindestens einem strahlformenden Element, das den Lichtstrahl in einen Strahl mit einer Bessel- oder Pseudo-Bessel-Intensitätsverteilung formt, und einem Auskopplungselement, das nur den zentralen Bereich des Besselstrahls reflektiert oder transmittiert, sowie einen entsprechenden Strahlformer. DOLLAR A Vorgeschlagen wird, dass der außerhalb des zentralen Bereichs des Besselstrahls vorhandene Strahlungsbereich mittels eines Resonators nach ein- oder mehrfacher Umlenkung in den zentralen Bereich des Besselstrahls eingekoppelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungserhöhung von optischen Strahlformern mit einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einem Laser mit ultrakurzer Pulsdauer, mindestens einem strahlformenden Element, das den Lichtstrahl in einen Strahl mit einer Bessel- oder Pseudo-Bessel-Intensitätsverteilung formt, und einem Auskopplungselement, das nur den zentralen Bereich des Besselstrahls reflektiert oder transmittiert. Die Erfindung betrifft weiter eine geeignete Anordnung zur Durchführung des Verfahrens in Form eines optischen Strahlformers.
Optische Strahlformer mit einer Intensitätsverteilung des erzeugten Strahls, die einer Bessel-Funktion entspricht, erhalten neben den klassischen Strahlformern mit einer Gaußschen Intensitätsverteilung eine zunehmende Bedeutung.
Die Möglichkeiten zur Erzeugung von Besselstrahlen oder Pseudo-Besselstrahlen sowie ihre Eigenschaften werden zum Beispiel in Kebbel, Untersuchungen zur Erzeugung und Propagation ultrakurzer optischer Bessel-Impulse, Dissertation an der Universität Bremen, 2003 beschrieben.
Besselstrahlen lassen sich beispielsweise mit einer Anordnung realisieren, wie sie in DE 102 38 078 C1 für eine Anordnung zur orts- und winkelaufgelösten Reflexionsmessung an Objekten gezeigt ist. Mittels eines strahlformenden Elements wie einem Axicon wird ein kollimierter Strahl einer Lichtquelle in einen solchen mit einer Intensitätsverteilung nach einer Bessel-Funktion umgeformt. Durch Einsatz einer strahlbegrenzenden Blende passiert nur der zentrale Bereich des Besselstrahls das Loch der Blende. Alle ringförmigen Maxima höhere Ordnung werden abgeschattet. Für einen solchen Lichtstrahl hat sich die Bezeichnung „truncated Bessel beam" eingebürgert. Durch Verwendung eines Axicons mit extrem geringen konischen Winkeln, beispielsweise mit einem Dünnschicht-Mikroaxicon, und einer vom Kegel in geeigneter Weise abweichenden Axicon-Form, zum Beispiel einem solchen mit Gauß-Profil wie nach DE 102 38 078 C1 , lassen sich hinter der abschattenden Blende ausgedehnte Foki mit einem hohen Tiefen/Durchmesser-Verhältnis erreichen. Da am Blendenrand Beugung stattfindet, wird die Lage der Blende zweckmäßig so gewählt, dass ihre Ränder im ersten ringförmigen Minimum der Besselverteilung liegen, wo keine Intensität zur Beugung beiträgt, das heißt, die Blende apodisierend wirkt. In Experimenten ist eine nichtdiffraktive, das heißt propagationsinvariante Strahlung mit sehr kleinen Winkeln gegenüber der optischen Achse und einem Tiefen/Durchmesser-Verhältnis von bis zu 1000:1 nachgewiesen worden, siehe die geplante Veröffentlichung Grunwald et al.,Spatio-temporal Control of Laser Beams with Thin-film Shapers in Proc. SPIE 5333-1 (2004).
Durch die Verwendung von polarisierenden Elementen und durchstimmbaren Lichtquellen können mit der Anordnung nach DE 102 38 078 C1 auch ellipsometrische Messungen durchgeführt werden.
Neben der Messtechnik lassen sich derartige nichtdiffraktive Strahlformer auf allen Gebieten der nichtlinearen Optik, der Materialbearbeitung, zur Fluoreszenz- und Absorptionsspektroskopie, zur Stoffwandlung, zur Laserionisation von Funkenstrecken, in der Telekommunikation und Datenverarbeitung u.v.a.m. einsetzen.
Andere Anordnungen zur Erzeugung eines „truncated Bessel Beam" arbeiten statt mit einem Axicon mit einer Hohlfaser, aus der die Strahlung an einem Ende ringförmig emittiert wird. Durch die Interferenz der am Ende des Faserrings austretenden konischen Strahlungsanteile ergibt sich ebenfalls eine Intensitätsverteilung nach einer Bessel-Funktion, siehe hierzu Nisoli et al., High Brightness High Order Harmonic Generation by Truncated Bessel Beams in the Sub-10-fs-Regime, Physical Review Letters, Vol. 88, No. 3, 033902-1 bis 033902-4 oder Altucci et al., Phase-matching Analysis of High-order Harmonics Generated by Truncated Bessel Beams in the Sub-10-fs-Regime, ICOMP IX, 18.-23. Oct. 2002. Eine abschattende Blende wird bei diesen Anordnungen ebenfalls eingesetzt.
Als großer Nachteil wird von der Fachwelt empfunden, dass mit dem Abschatten der das zentrale Strahlungsmaximum ringförmig umgebenden Strahlung mit Maxima höherer Ordnung auch die nutzbare Leistung des Strahlformers sinkt. Beispielsweise wurde der Leistungsverlust anhand einer SHG-Anordnung (second harmonic generation) untersucht, indem ein Vergleich eines Bessel-Strahlformers mit einer fokussierten Strahlung mit Gaußscher Intensitätsverteilung durchgeführt wurde, siehe Arlt et al., Efficiency of Second-harmonics Generation with Bessel Beams, Physical Review A, Vol. 60, No 3 (September 1999), 2438 bis 2441. Bei einem idealen Besselstrahl ist die Energie für jeden Ring gleich, so dass der Gesamtverlust proportional zur Anzahl der Bessel-Ringe ist. Es wurde von Arlt et al. für eine reale Anordnung, die sich sicher etwas anders verhält als ein idealer Besselstrahl, festgestellt, dass bei gleicher SHG-Ausgangsleistung die Lichtleistung einer Bessel-Anordnung gegenüber einer herkömmlichen Anordnung nur etwa die Hälfte beträgt. Für SHG-Anordnungen wurde deshalb der Vorteil einer nichtdiffraktiven Ausdehnung des Strahls wegen der verminderten Strahlungsleistung in Frage gestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und entsprechende Anordnungen anzugeben, mit denen die Leistung eines optischen Strahlformers der eingangs beschriebenen Art, bezogen auf seine Eingangsleistung signifikant erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach wird der außerhalb des zentralen Bereichs des Besselstrahls vorhandene Strahlungsbereich mittels eines Resonators nach ein- oder mehrfacher Umlenkung in den zentralen Bereich des Besselstrahls eingekoppelt. Der Resonator kann ein stabiler oder unstabiler Resonator sein.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass mit dem Resonator die in die Nebenringe eingestrahlte Energie in den zentralen Bereich des Besselstrahls zurückgeführt wird und damit mehr Photonen in den gewünschten Raumwinkel gelenkt werden.
Bei nichtlinear-optischen Anwendungen wird der durch die Intensitätserhöhung erzielte Effekt über die Ordnung (Exponent) der Nichtlinearität noch weiter verstärkt. Beispielsweise steigt die Effizienz der Erzeugung der Zweiten Harmonischen (SHG) proportional zum Quadrat der Intensität, so daß eine Intensitätsverdopplung der Fundamentalen bereits zur vierfachen SHG-Ausbeute führt.
Bei Verwendung eines Lasers mit kurzer Pulsdauer als Lichtquelle können unerwünschte Mehrfachpulse erzeugt werden. Der Spiegelabstand des Resonators muss bei kurzen Pulsen deshalb der Frequenz der Pulse bzw. ganzzahligen Vielfachen davon angepasst sein, um die umlaufenden Pulse mit den eingekoppelten Pulsen zu synchronisieren. Der Feedback erfolgt zweckmäßig mit einem adaptiven Resonator, das heißt, dass – bei Verwendung von Spiegeln – mindestens einer der Resonatorspiegel bezüglich des Abstandes beider Spiegel verstellbar ist. Die in die gewünschte Richtung abgestrahlten Pulse erreichen dann die maximal mögliche Leistung. Zusätzlich ist es auch möglich, die Reflexionswinkel zu verstellen, indem zum Beispiel die Krümmung der Spiegel verstellbar gestaltet wird, um eine optimale Formung der durch Überlagerung und Interferenz der direkt durchgehenden Anteile mit den umgelenkten Anteilen des Besselstrahls zu erreichen.
Zweckmäßig weist eine auskoppelnde Blende oder ein als Blende wirkender Spiegel des Resonators eine Apertur auf, deren Durchmesser mit dem ersten ringförmigen Minimum der Intensitätsverteilung des Besselstrahls übereinstimmt. Auf diese Weise wird die Beugung am Blendenrand minimiert und der Strahl behält seine nichtdiffraktive Form.
Statt mit einer Blende kann die Auskopplung auch über einen Lichtwellenleiter erfolgen.
Ein Resonator zur Durchführung des Verfahrens kann so aufgebaut sein, dass er aus einem optischen System besteht, bei dem ein Element als Auskopplungslement und mindestens ein weiteres Element für die Umlenkung des den zentralen Bereich des Besselstrahl umgebenden äußeren Strahlbereichs und Einkopplung in den zentralen Bereich des Besselstrahls ausgebildet ist.
Nach einer ersten Variante kann das Auskopplungselement aus einem die außerhalb des zentralen Bereichs des Besselstrahls vorhandene Strahlung reflektierenden, eine Apertur für den zentralen Bereich des Besselstrahls aufweisenden ersten Spiegel bestehen und das weitere optische Element aus mindestens einem weiteren Spiegel, wobei der im Strahlengang letzte dieser Spiegel das den Strahl in den zentralen Bereich des Besselstrahls einkoppelnde Element ist.
Nach einer zweiten Variante kann der Resonator aus einem einen Strahlungsdurchlass durch Phasenanpassung erlaubenden ersten Spiegel, einem zweiten Spiegel und einem zwischen diesen Spiegeln positionierten, winklig zum Strahlverlauf angeordneten, teilreflektierenden dritten Spiegel bestehen. Nach dem Auskoppelelement kann ein SHG-Kristall in den Strahlengang des Besselstrahls eingebracht sein.
Nach einer weiteren Variante kann der Resonator auch aus einem optischen System von mehreren ringförmig angeordneten, hochreflektiven Spiegeln bestehen, wobei einer der Spiegel zur Lichteinkopplung schwach teildurchlässig ist, zwei der Spiegel eine reflektive Axicon-Form mit einer gemeinsamen Besselzone aufweisen, zwischen ihnen ein nichtlineares Medium, zum Beispiel ein SHG-Kristall, angeordnet ist und die Auskopplung über den zentralen Bereich eines der konfokalen Spiegel erfolgt.
Aus der Literatur sind Laserresonatoren an sich bekannt, allerdings nicht im Zusammenhang mit der Auskopplung des zentralen Teils der Besselverteilung, siehe z.B. die EP 0 725 307 oder EP 0 843 198 sowie P. Muys et al., Resonators supporting Bessel beams, IEEE/LEOS 2002, www.leosbenelux.org/symp0l/s01p241.pdf; Muys et al., Appl. Opt. 41, 6375, 2002. (Bei den folgenden Ausführungsbeispielen wird noch auf weitere Literaturbeispiele verwiesen).
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 ein Schema zur Erklärung des Verfahrens,
2 eine schematische Darstellung einer ersten Variante eines Strahlerzeugers zur Durchführung des Verfahrens,
3 eine zweite Variante mit einem SHG-Ausgang,
4 eine dritte Variante eines Strahlerzeugers und
5 eine weitere Variante mit einem SHG-Ausgang.
1 zeigt das Verfahren zur Erzeugung eines „truncated Bessel beam" gemäß der Erfindung schematisch in vier Schritten. Im Schritt a wird mit Hilfe einer Lichtquelle und einem strahlformenden Element, z.B. einem Axicon, ein Besselstrahl 1 erzeugt. (In den 2 bis 4 sind derartige Axicons 6, 7, 8 in schematischen Darstellungen gezeigt). Charakteristisch für den Besselstrahl 1 sind ein zentraler Strahlbereich 2 mit einem hohen Intensitätsmaximum und ein Strahlbereich 3 mit den zentralen Strahlbereich 2 ringförmig umgebenden Maxima, die in ihrer Intensität nach außen abnehmen. Der äußere Strahlbereich 3 lässt sich, wie Schritt b zeigt, durch eine Lochblende 4 abschatten. Wie zum Schritt c dargestellt ist, kann man eine Selbstapodisation erreichen, wenn die Lochblende 4 eine Größe einnimmt, bei der das Loch mit seinem Rand im ersten Minimum des Besselverteilung liegt.
Die in den äußeren Strahlbereich 3 abgestrahlte Energie ist hinter der Lochblende 4 verloren. Erfindungsgemäß wird der äußere Strahlbereich 3 des Besselstrahls 1 deshalb so umgelenkt, dass er in den zentralen Strahlbereich 2 eingekoppelt werden kann. Das geschieht nach diesem ersten Ausführungsbeispiel, indem die Lochblende 4 verspiegelt und im Bereich der Strahlerzeugung ein weiterer Spiegel 5 angeordnet wird. Der Abstand der verspiegelten Lochblende 4 zum Spiegel 5 ist so eingerichtet, dass diese eine resonante Struktur einnehmen und ein Photonenrecycling mit einer Resonanzüberhöhung stattfindet. Die Photonen werden in den zentralen Strahlbereich 2 eingekoppelt.
2 zeigt schematisch die Anordnung eines entsprechenden Strahlformers ohne (a) und mit (b) dem Resonator. Die Darstellung in 2a dient nur zur Illustration wesentlicher Voraussetzungen für die Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnungen in den 2b und folgenden.
Von einer hier nicht dargestellten Lichtquelle wird ein Axicon 6 mit kollimierter Strahlung beleuchtet. Die Strahlformung zu einem Besselstrahl 1 erfolgt durch weitere Axicons 7 und 8, die in ihrem Abstand zum Axicon 6 verstellbar sind, so dass der Strahldurchmesser verändert werden kann. Statt mit refraktiven Axicons könnte eine solche Anordnung auch mit reflektiven Axicons aufgebaut werden. Wird ein ringförmiger, konvergenter Strahl mit einer Anordnung aus refraktiven Axicons (Axicons 6, 7, 8) erzeugt und durch räumliche und zeitliche Überlagerung derart zur Interferenz gebracht, daß in einer axial ausgedehnten Zone, (nachfolgend Besselzone 10a genannt) ein Besselstrahl 1 oder ein Pseudo-Besselstrahl entsteht, und das zentrale Maximum der Bessel-Verteilung durch eine Lochblende 9 ausgekoppelt, erhält man einen in der Fachliteratur als "truncated Bessel beam" bezeichnete Besselzone l0b mit nur einem einzigen Maximum. Die Besselzone 10b erfährt minimale Beugung, wenn der Blendendurchmesser mit dem ersten Minimum der Besselverteilung zusammenfällt. Diese Anordnung wirkt somit vorteilhafterweise selbst-apodisierend.
Typische Intensitätsverteilungen I₁(x) und I₂(x) der Besselzonen 10a und 10b sind schematisch in den angefügten Kästen als radiale Schnittfunktionen dargestellt.
Der Nachteil dieser Anordnung ist, daß die Energie der Ringe außerhalb des zentralen Maximums nicht genutzt wird, sofern entsprechend der Winkel und Wellenlänge mehrere Ringe entstehen.
Wie bereits zu 1d erklärt, wird dieses Problem, wie in 2b dargestellt, dadurch gelöst, daß ein Besselstrahl 1 in einem teleskopartigen optischen System mit den Spiegeln 4a, 4b derart umgeformt wird, daß die nicht dem zentralen Maximum zugehörigen Anteile der Strahlung (Strahlbereich 3) in den zentralen Bereich 2 der Besselzone 10a umgelenkt und ebenfalls ausgekoppelt werden und so eine bezüglich Intensitätsverteilung und (bei gepulsten Lichtquellen) Pulsenergie modifizierte Besselzone (Überlagerung der Besselzonen l0b und 10c) erzeugen. Durch geeignete Wahl der Anordnung werden bei der Überlagerung kleine Winkel eingestellt, was die Erzeugung extrem ausgedehnter Bessel-Zonen (Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis) erlaubt. Nach 2b ist die Lochblende 4 als ein Spiegel 4a mit einem mittigen Loch und einer Krümmung f₁(x) ausgebildet, so dass die Strahlen des Strahlbereichs 3 reflektiert werden und dann von einem weiteren Spiegel 4b mit der Krümmung f₂(x) nach erneuter Reflexion in den zentralen Strahlbereich 2 des Besselstrahls 1 eingekoppelt werden. Dieser passiert das Loch des Spiegels 4a. Eine der beiden vorzugsweise reflektiven Teleskopkomponenten (Spiegel 4a und 4b) oder beide Komponenten zugleich sind als adaptive Elemente ausgelegt (in der Zeichnung beide Elemente), was über die Veränderung des oder der ortsabhängigen Krümmungsradien f₁(x) und f₂(x) des Wellenfeldes eine Optimierung der Strahltransformation und damit eine Maximierung der Effizienz des Strahlungsrecyclings erlaubt. Die in zwei Richtungen weisenden Pfeile an den Spiegeln 4a und 4b symbolisieren die Variation der axialen Positionen, wozu beispielsweise Piezotranslatoren eingesetzt werden können. Dadurch kann die Laufzeit zwischen den Spiegeln 4a und 4b so eingestellt werden, daß im Falle von Zügen aus vielen aufeinanderfolgenden ultrakurzen Impulsen bei verschiedenen Pulsabständen eine Phasensynchronisation der zur Überlagerung gebrachten Impulse erreicht wird.
Die angedeuteten Intensitätsverteilungen I₃(x) und I₄(x) sollen veranschaulichen, daß im Vergleich zur in 2a dargestellten Anordnung wesentlich höhere Intensitäten erreicht werden.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Der Besselstrahl 1 wird in einen externen Resonator hoher Güte, bestehend aus den konischen Elementen 4c und 4d, derart eingekoppelt, daß durch Resonanzüberhöhung ("resonance enhancement") eine hochintensive Besselzone 10a erzeugt wird. Die Einkopplung erfolgt durch geeignete Phasenanpassung wie aus entsprechenden Anordnungen bekannt ist (Jurdik et al., JOSA B 19, 1660, 2002 und dort zitierte Literatur). Dazu müssen die Positionen der Elemente 4c oder 4d oder beider Elemente mittels eines oder mehrerer Phasensteller (vorzugsweise Piezotranslatoren) und eines (nicht dargestellten) passenden Detektionssystems (wie einer Hänsch-Couillaud-Anordnung, Hänsch et al., Opt. Commun. 35, 441, 1980) optimal positioniert werden. Die Komponenten bilden einen Resonator für die Fundamentalwellenlänge. Die Auskopplung des zentralen Maximums erfolgt am teilreflektierenden oder hochreflektierenden zentralen Teil eines schräg in die Besselzone 10a eingebrachten Spiegels 4e. Ähnliche Auskoppelanordnungen sind von selbstfilternden instabilen Resonatoren ("self-filtering unstable resonators", SFUR bzw. "generalized self-filtering unstable resonators", GSFUR) bekannt, wobei dort typischerweise in umgekehrter Geometrie eine Ringauskopplung an einem sogenannten "Scraper Mirror" erfolgt, während der Grundmode durch ein Loch geführt wird und im Resonatorinneren verbleibt (s. z.B. Bollanti et al., Opt. Commun. 209, 383-389, 2002 und dort zitierte Literatur, F. D'Amato et al., Opt. Commun. 76, 121, 1990). In den ausgekoppelten Teil des Besselstrahls 1, Besselzone 10b, wird ein SHG-Kristall 9 gebracht, der (wie in der Zeichnung angedeutet) vorteilhafterweise zur Reflexverminderung an seiner Ein- und Austrittsfläche im Brewsterwinkel angeschliffen ist.
Über den Abstand der Elemente 4c, 4d kann auch die Form der Besselzonen 10a und 10b beeinflusst werden. Die Elemente 4c, 4d können ferner als adaptive Spiegel wie flexible (deformierbare) oder facettierte Reflektoren ausgebildet sein, was eine feinere Strahloptimierung erlaubt. Die Außenbereiche des Spiegels 4e sind mit einer hochwertigen Antireflexionsschicht für die Fundamentalwellenlänge versehen. Der Durchmesser des auskoppelnden zentralen Spiegelteils ist dem ersten Minimum der Besselverteilung angepasst und entsprechend der Schrägstellung des Spiegels 4e (vorzugsweise 45°) von elliptischer Form.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Anordnung in 4 ist in der Funktionsweise ähnlich der aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 3, wobei der Aufbau wesentlich einfacher gestaltet ist.
Der Resonator wird von drei Elementen gebildet. Erstes Element ist ein ebener Spiegel 4h mit Loch zum Auskoppeln. Die Elemente 4f und 4g können adaptiv geformt werden und sind ebenfalls mittels Piezotranslatoren positionierbar. Der Rand des auskoppelnden zentralen Strahlbereichs 2, Besselzone 10a, kann zusätzlich mit einer ortsvariablen Reflexions- bzw. Transmissionsfunktion versehen sein (dielektrischer Spiegel bzw. Blende mit Ortsverlauf zur weiteren Apodisation).
Die Anordnung gemäß 5 arbeitet ebenfalls mit Resonanzüberhöhung. Dargestellt ist ein sogenannter Bow-tie-Resonator, bei dem zwei Spiegel 4k, 4l als Axicon-Spiegel ausgelegt sind, die "konfokal" angeordnet sind. Das bedeutet hier eine gemeinsame Besselzone 10 (in Analogie zu einem gemeinsamen Fokus bei echt konfokalen Anordnungen mit Gaußstrahlen). In der Besselzone 10 wird ein entspiegelter SHG-Kristall 11 angeordnet. Der erzeugte SHG-Strahl (second harmonic generation) wird über die zentrale Zone des dichroitischen Spiegels 4l ausgekoppelt, welche eine hohe Ref lexion für die Fundamentalwellenlänge, jedoch eine hohe Transmission für die SHG-Wellenlänge aufweist. Die äußeren Strahlbereiche 3 des Besselstrahls 1 werden am Spiegel 4l reflektiert und weiter über die Spiegel 4i, 4j so umgelenkt, dass sie den zentralen Bereich verstärken. Spiegel 4j wird durch einen Piezotranslator in Verbindung mit einer phasenempfindlichen Detektoranordnung und einer Regelschleife (nicht dargestellt) bezüglich der Phasenlage geregelt (Hänsch et al., Opt. Commun. 35, 441, 1980). In einer speziellen Auslegung der Anordnung können die Spiegel 4i, 4j und 4k ebenso für die SHG-Wellenlänge hochreflektierend sein.
Für eine Anordnung für extrem kurze Impulse eines Titan-Saphir-Lasers wird zur periodischen Auskopplung der Fundamentalen zweckmäßig zusätzlich ein Strahldumper wie eine Bragg-Zelle oder weitere optische Komponenten zur Strahlmodulation benutzt. Hierbei kann sich der SHG-Kristall 11 auch außerhalb des Resonators befinden.
Bei ultrakurzen Impulsen müssen die Spiegelschichten bezüglich der Fundamentalwellenlänge sehr breitbandig sein.
In einer Variante dieses Ausführungsbeispiels (nicht gezeigt) erfolgt eine ortsabhängige Spektralformung mit zusätzlichen dispersiven Elementen, vorzugsweise ortsvariablen Multilayer-Spiegeln, derart, daß in einem nichtlinearen Medium wie einem SHG-Kristall X-Pulse entstehen (analog zu Piché et al., Proc. SPIE 3611, 332, 1999) und als Solitonen durch dieses Medium hindurch propagieren. Dadurch werden dispersionsbedingte Verluste minimiert. Die Spektralformung muss an das ortsabhängige Winkelspektrum im Resonator und die Materialdispersion des Kristalls genau angepasst sein.
Bei einer weiteren Variante zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 (ohne Zeichnung) können nichtlineare Konversionsprozesse höherer als zweiter Ordnung verwendet werden. Vorzugsweise wird dabei die ringförmige Abstrahlung einer Hohlfaser zur Erzeugung der Besselzone benutzt und ein geeignetes Gas in einer Gaszelle (z.B. Argon) über Multiphotonenprozesse zur kurzwelligen Emission angeregt.

1: Besselstrahl
2: Zentraler Strahlbereich
3: Äußerer Strahlbereich
4: Lochblende
5: Spiegel
6: Axicon
7: Axicon
8: Axicon
9: SHG-Kristall
10: Besselzone
10a: Besselzone
l0b: Besselzone
11: SHG-Kristall
4a,: b Spiegel
4c,: d konisches Element
4e: Spiegel
4f,: g Element
4h: Spiegel
4i,: j Spiegel
4k,: l Spiegel

Claims

Verfahren zur Leistungserhöhung von optischen Strahlformern mit einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einem Laser mit ultrakurzer Pulsdauer, mindestens einem strahlformenden Element, das den Lichtstrahl in einen Strahl mit einer Bessel- oder Pseudo-Bessel-Intensitätsverteilung formt, und einem Auskopplungselement, das nur den zentralen Bereich des Besselstrahls reflektiert oder transmittiert, dadurch gekennzeichnet, dass der außerhalb des zentralen Bereichs des Besselstrahls vorhandene Strahlungsbereich mittels eines Resonators nach ein- oder mehrfacher Umlenkung in den zentralen Bereich des Besselstrahls eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Strahlweges im Resonator der Folgefrequenz oder ganzzahligen Vielfachen der Folgefrequenz der Impulse des Strahlungsquelle angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel des umgelenkten Strahlbereichs verstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Besselstrahl innerhalb oder außerhalb des Resonators durch ein nichtlineares Medium in seiner Frequenz konvertiert wird.
Optischer Strahlformer mit einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einem Laser mit ultrakurzer Pulsdauer, mindestens einem strahlformenden Element (6, 7, 8, 9, 11), das den Lichtstrahl in einen Strahl (1) mit einer Bessel- oder Pseudo-Bessel-Intensitätsverteilung formt, und einem Auskopplungselement (4, 4e, 4h, 4l), das nur den zentralen Bereich des Besselstrahls reflektiert oder transmittiert, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Strahlformers ein Resonator angeordnet ist, bestehend aus einem optischen System, bei dem ein Element als Auskopplungslement (4a, 4e, 4h, 4l) und mindestens ein weiteres Element (4b, 4c, 4d, 4f, 4g, 4i, 4j, 4k) für die Umlenkung des den zentralen Bereich (2) des Besselstrahl (1) umgebenden äußeren Strahlbereichs (3) und Einkopplung in den zentralen Bereich (2) des Besselstrahls (1) ausgebildet ist.
Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskopplungselement ein Spiegel (4a, 4h) mit einer Apertur ist.
Optischer Strahlformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Apertur in das erste Intensitätsminimum des Besselstrahls (1) fällt.
Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskopplungselement ein winklig in den Strahlengang des Besselstrahls (1) gestellter, nur dessen zentralen Strahlbereich (2) reflektierender Spiegel (4e) ist.
Optischer Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelelement ein Lichtwellenleiter ist.
Optischer Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Element für die Umlenkung des äußeren Strahlbereichs (3) des Besselstrahls (1) ein Spiegel (4a, 4b, 4c, 4d, 4f, 4g, 4h, 4i, 4j, 4k, 4l) ist.
Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aus einem den außerhalb des zentralen Bereichs (2) des Besselstrahls (1) vorhandenen Strahlbereich (3) reflektierenden, eine Apertur für den zentralen Bereich (2) des Besselstrahls (1) aufweisenden ersten Spiegel (4a) und mindestens einem weiteren Spiegel (4b) besteht, wobei der im Strahlengang letzte dieser Spiegel (4b) das den Strahl in den zentralen Bereich (2) des Besselstrahls (1) einkoppelnde Element ist.
Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aus einem einen Strahlungsdurchlass durch Phasenanpassung erlaubenden ersten Spiegel (4d), einem zweiten Spiegel (4c) und einem zwischen diesen Spiegeln (4d; 4c) positionierten, winklig zum Strahlverlauf angeordneten, teilreflektierenden dritten Spiegel (4e) besteht.
Optischer Strahlformer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auskoppelelement ein SHG-Kristall (9) in den Strahlengang des Besselstrahls (1) eingebracht ist.
Optischer Strahlformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aus einem optischen System von mehreren ringförmig angeordneten, hochreflektiven Spiegeln (4i, 4j, 4k, 4l) besteht, einer der Spiegel (4i) zur Lichteinkopplung schwach teildurchlässig ist, zwei der Spiegel (4k, 4l) eine reflektive Axicon-Form aufweisen, zwischen denen ein nichtlineares Medium angeordnet ist und die Auskopplung über den zentralen Bereich eines der Axicon-Spiegel (4l) erfolgt.
Strahlformer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare Medium ein SHG-Kristall (11) ist.
Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (4a, 4b, 4c, 4d) des Resonators bezüglich des Abstandes der Spiegel (4a, 4b, 4c, 4d) zueinander verstellbar ist.
Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (4a, 4b) des Resonators zur Einstellung des Reflexionswinkels deformierbar ist.
Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel facettiert ist.
Strahlformer nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Besselstrahls (1) zusätzlich ortsvariable Multilayer-Spiegel zur ortsabhängigen Spektralformung angeordnet sind.