DE102008030529A1 - Verfahren und Anordnung zur nichtlinear optischen Frequenzkonversion von Laserstrahlung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur nichtlinearen optischen Frequenzkonversion von Laserstrahlung, deren spektrale Bandbreite größer ist als die spektrale Akzeptanzbandbreite eines zur Frequenzkonversion eingesetzten nichtlinear optischen Medium. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Laserstrahlung räumlich und/oder zeitlich spektral so aufgespaltet in das nichtlinear optische Medium eingekoppelt wird, dass eine Phasenfehlanpassung für die Frequenzkonversion im nichtlinear optischen Medium integral über die gesamte spektrale Bandbreite der Laserstrahlung gegenüber einer Einkopplung ohne Aufspaltung verringert ist. Mit dem Verfahren und der Anordnung wird eine Steigerung der Effizienz der Frequenzkonversion von Laserstrahlung mit großer spektraler Bandbreite erreicht.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur nichtlinear optischen Frequenzkonversion von Laserstrahlung, bei dem die Laserstrahlung in mindestens ein nichtlinear optisches Medium einer spektralen Akzeptanzbandbreite eingekoppelt wird, die geringer als die spektrale Bandbreite der Laserstrahlung ist. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Stand der Technik
  • Nichtlinear optische Frequenzkonversion von Laserstrahlung spielt auf dem Gebiet der Lasertechnik für viele Anwendungen eine wesentliche Rolle, um bspw. Laserstrahlung mit optischen Wellenlängen zu erzeugen, für die noch kein geeignetes Lasermedium zur Verfügung steht. Bei der nichtlinearen optischen Frequenzkonversion auf Basis der sogenannten Dreiwellenmischung handelt es sich um einen phasenkorrelierten Prozess, bei dem eine hohe Konversionseffizienz nur erzielt wird, wenn die sogenannte Phasenanpassungsbedingung k1(n11, θ1, φ1), ω1) + k2(n22, θ2, φ2), ω2) = k3(n33, θ3, φ3), ω3)mit ω1 + ω2 = ω3
    über die gesamte Wechselwirkungslänge der Laserstrahlung mit dem für die Frequenzkonversion einge setzten nichtlinear optischen Medium möglichst gut erfüllt ist. Aufgrund der Dispersion des Brechungsindex kann diese Bedingung nicht in homogenen und isotropen Medien und nur für Tripel monochromatischer Felder erfüllt werden. Eine endliche spektrale Bandbreite (Halbwertsbreite) der Laserstrahlung geht mit einer Phasenfehlanpassung Δk = k3 – (k2 + k1) einher, die sich über die Wechselwirkungsstrecke aufakkumuliert und damit die Konversionseffizienz beschränkt oder im ungünstigsten Fall sogar zu einer Rückkonversion führt. Die effektive Wechselwirkungslänge, d. h. die Länge des nichtlinear optischen Mediums in Strahlrichtung der Laserstrahlung, muss daher je nach spektraler Bandbreite der zu konvertierenden Laserstrahlung auf ein unkritisches Maß reduziert werden.
  • Die entsprechende Kenngröße ist die so genannte spektrale Akzeptanz des nichtlinearen Materials, in der Regel ein nichtlinear optischer Kristall. Die spektrale Akzeptanz, auch als Akzeptanzbandbreite bezeichnet, gibt an, bei welcher spektralen Bandbreite des eingestrahlten Feldes unter Zugrundelegung einer gegebenen Wechselwirkungslänge die erzielte Konversionseffizienz im Vergleich zu ideal angepassten, monochromatischen Wellen um 50% reduziert wird.
  • Zur Erzeugung einer maximalen Konversionseffizienz sind bisher zwei Ansätze bekannt, die Einschränkung der spektralen Emissionsbandbreite der Laserquelle und die Einschränkung der maximalen Länge des nichtlinear optischen Mediums. Beim ersten Ansatz wird die zur Konversion eingesetzte Laserquelle konstruktiv so ausgeführt, dass deren spektrale Emissionsbandbreite innerhalb der Akzeptanzbandbreite des verwendeten nichtlinear optischen Mediums an einem für die Konversion günstigen Arbeitspunkt liegt. Ist diese Einschränkung der spektralen Emissionsbandbreite nicht möglich, so wird der zweite Ansatz verfolgt, bei dem die effizient zu nutzende Länge des eingesetzten nichtlinear optischen Mediums entsprechend beschränkt wird. Dies führt jedoch auch zu einer Einschränkung der erreichbaren Konversionseffizienz.
  • Beispiele für den ersten Ansatz sind beispielsweise im Bereich der nichtlinearen Frequenzkonversion von Diodenlasern zu finden, bei denen die große natürliche Emissionsbandbreite für eine effiziente Frequenzkonversion durch die Verwendung wellenselektiver Elemente, wie externer Resonatoren mit Gitteranordnungen, DBR-Strukturen oder DFB-Anordnungen eingeschränkt wird. Ein weiteres Beispiel sind Festkörperlaser auf Basis breitbandig verstärkender Lasermedien, wie z. B. Ti:Saphir oder Yb:YAG, bei denen die Emissionsbandbreite für eine effiziente Konversion ebenfalls durch resonatorinterne Elemente wie doppelbrechende Filter, Gitter, Prismen oder Etalons eingeengt wird. Nachteilig ist jedoch zum einen, dass die Einschränkung der Bandbreite in der Regel mit einem Verlust an Ausgangsleistung einhergeht, und zum anderen, dass bei Reduzierung der Bandbreite zum Teil auch Zerstörmechanismen im Lasermaterial früher einsetzen.
  • Ein Beispiel für den zweiten Ansatz sind Ultrakurzpuls-Laser, bei denen die Bandbreite nicht eingeschränkt werden kann, ohne gleichzeitig die Pulsdauer unerwünscht zu verlängern. Hier werden für die Frequenzkonversion sehr kurze nichtlinear optische Kristalle von teilweise unter 1 mm Länge verwendet.
  • Ein verwandtes Problem stellt die Frequenzkonversion breitbandig abstimmbarer Laserquellen dar, bei denen jedoch die Emissionsbandbreite an einem singulärem Arbeitspunkt, d. h. bei eingestellter Zentralwellenlänge gegenüber der spektralen Akzeptanz des Kristalls bereits klein ist. In diesem Fall wird die Phasenanpassungsbedingung für unterschiedliche Wellenlängen bei der Frequenzabstimmung dadurch erfüllt, dass entweder die mittlere Temperatur des Materials des nichtlinear optischen Mediums oder die Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung im nichtlinear optischen Medium jeweils aktiv an die zu diesem Zeitpunkt eingestellte Zentralwellenlänge angepasst wird. Dafür wird das nichtlinear optische Medium entweder in einem Ofen mit einstellbarer Temperatur oder auf einem drehbaren Halter im Strahlengang der Laserstrahlung angebracht. Diese Lösung kann jedoch nicht auf das hier vorliegende Problem breitbandig emittierender Laser angewendet werden, da die unterschiedlichen Spektralanteile hier anders als bei abstimmbaren Quellen zeitlich simultan auftreten.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur nichtlinear optischen Frequenzkonversion von Laserstrahlung anzugeben, mit denen eine hohe Konversionseffizienz auch für Laserstrahlung einer spektralen Bandbreite ermöglicht wird, die größer als die spektrale Akzeptanzbandbreite des für die Frequenzkonversion eingesetzten nichtlinear optischen Mediums ist.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Laserstrahlung räumlich und/oder zeitlich spektral so aufgespaltet in das nichtlinear optische Medium eingekoppelt, dass eine Phasenfehlanpassung für die Frequenzkonversion im nichtlinear optischen Medium integral über die gesamte spektrale Bandbreite der Laserstrahlung gegenüber einer Einkopplung ohne Aufspaltung verringert ist.
  • Die geeignete spektrale Aufspaltung und Einkopplung der Laserstrahlung in das nichtlinear optische Medium ist abhängig vom Aufbau des optischen Mediums, insbesondere von der Richtungs- und/oder Ortsabhängigkeit des Brechungsindex im nichtlinear optischen Medium. Durch die Aufspaltung und daran anschließend geeignete Einkopplung der einzelnen Spektralbereiche in das nichtlinear optische Medium, in der Regel ein nichtlinear optischer Kristall, kann für jeden betrachteten Spektralbereich eine minimale Phasenfehlanpassung erreicht werden. Daraus resultiert eine hohe Konversionseffizienz über die gesamte spektrale Bandbreite der Laserstrahlung.
  • Im Folgenden wird zunächst auf die räumlich spektrale Aufspaltung der Laserstrahlung eingegangen. Der Grundgedanke dieser Aufspaltung besteht darin, die räumlich spektrale Verteilung der eingangsseitigen Laserstrahlung durch eine geeignete Optik vor der Konversion gezielt so einzustellen, dass die Phasenfehlanpassung im nichtlinearen Medium integral über die gesamte spektrale Bandbreite des Strahlungsfeldes geringer als ohne eine derartige Aufspaltung ist.
  • Hierzu wird das Strahlungsfeld vor der Wechselwirkung im nichtlinear optischen Medium vollständig oder teilweise nach Spektralkomponenten oder Spektralbereichen zerlegt und durch eine anschließende Strahlformung, falls nach der Zerlegung noch erforderlich, so an den Brechungsindex des nichtlinear optischen Mediums und dessen räumliche Verteilung angepasst, dass bei der Frequenzkonversion die Phasenfehlanpassung integral reduziert oder minimiert bzw. die Konversionseffizienz integral erhöht oder maximiert wird. Die Spektralanteile des erzeugten frequenzkonvertierten Strahlungsfeldes können dann nach der Konversion mittels einer weiteren optischen Anordnung wieder überlagert werden. Die räumlich spektrale Zerlegung des eingangsseitigen Strahlungsfeldes kann sowohl diskontinuierlich in einzelne Frequenzbänder oder auch kontinuierlich über Raumwinkel oder Ort erfolgen.
  • Für die spektrale Zerlegung des eingangsseitigen Strahlungsfeldes kann eine Optik aus einem oder mehreren dispersiven optischen Elementen verwendet werden. Die nach der Zerlegung vorliegende räumliche Verteilung der Spektralanteile muss dabei nicht notwendig bereits den Anforderungen an eine minimale Phasenfehlanpassung genügen, sondern kann alternativ durch eine zusätzliche Abbildungsoptik, die selbst dispersiv oder nicht dispersiv sein kann, unter Erhaltung des Strahlparameterprodukts an diese Anforderungen angepasst werden. In jedem Falle wird die optische Anordnung für die räumlich spektrale Aufspaltung und die Einkopplung der Laserstrahlung in das nichtlinear optische Medium so ausgeführt, dass die damit erzeugte räumlich spektrale Verteilung des eingangsseitigen Strahlungsfeldes im nichtlinearen optischen Medium zu insgesamt geringerer Fehlanpassung bzw. hoher Konversionseffizienz führen. Die Phasenfehlanpassung kann dabei minimiert und die Konversionseffizienz maximiert werden.
  • Das nichtlinear optische Medium kann hierbei in unterschiedlicher Art und Weise ausgestaltet sein. So kann ein nichtlinear optisches Medium eingesetzt werden, dessen optische Eigenschaften transversal zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung konstant sind. In diesem Fall konstanter optischer Eigenschaften in transversaler Richtung kann die Phasenfehlanpassung durch die Anpassung der spektralen Winkelverteilung der Laserstrahlung verringert oder minimiert werden. In einer weiteren Ausgestaltung wird ein nichtlinear optisches Medium eingesetzt, dessen optische Eigenschaften, insbesondere dessen Brechungsindex, einer bestimmten räumlichen Änderung in transversaler Richtung unterliegen. In diesem Falle kann die Phasenfehlanpassung durch eine Anpassung der Verteilung der Lage der Spektralbereiche oder Spektralanteile der Laserstrahlung in transversaler Richtung verringert oder minimiert werden. Auch die Verteilung des Brechungsindex im nichtlinearen Medium kann durch entsprechende konstruktive Maßnahmen, beispielsweise durch eine geeignete Variation einer Dotierungskonzentration in transversaler Richtung, gezielt zur Minimierung der Phasenfehlanpassung eingestellt werden.
  • Die Frequenzkonversion kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der dafür ausgebildeten Anordnung einstufig, d. h. in einem einzelnen nichtlinear optischen Medium, oder auch mehrstufig in zwei oder mehreren nichtlinear optischen Medien seriell hintereinander erfolgen. Dabei kann der Konversionstyp in jedem der nichtlinear optischen Medien gleich oder verschieden sein. Bei Bedarf können auch zwischen den einzelnen nichtlinear optischen Medien weitere Optiken zur Manipulation der räumlichen und/oder zeitlichen spektralen Strahlverteilung sowie der Polarisation integriert werden.
  • Ausgangsseitig kann das erzeugte frequenzkonvertierte Strahlungsfeld ganz oder teilweise durch ein optisches Element vom eingestrahlten Strahlungsfeld getrennt und die spektrale Verteilung in den gewünschten Frequenzbändern im Hinblick auf eine hohe Brillanz umgeformt werden. Dazu können in ähnlicher Weise wie eingangsseitig verschiedene dispersive und/oder nicht dispersive Elemente zu einer Strahlformungsoptik kombiniert werden.
  • Die für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Anordnung umfasst mindestens eine Laserquelle, die die Laserstrahlung emittiert, mindestens ein nichtlinear optisches Medium, in das die Laserstrahlung eingekoppelt wird und das eine spektrale Akzeptanzbandbreite aufweist, die geringer als die spektrale Bandbreite der Laserstrahlung ist. Die Anordnung umfasst weiterhin ein oder mehrere Optiken oder optische Elemente zwischen der Laserquelle und dem nichtlinear optischen Medium im Strahlengang der Laserstrahlung, die so ausgestaltet sind, dass sie die Laserstrahlung räumlich und/oder zeitlich spektral gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren aufspalten und in das nichtlinear optische Medium einkoppeln. Beispiele für geeignete Optiken und nichtlinear optische Medien können den Ausführungsbeispielen entnommen werden.
  • Die in den vorangehenden Abschnitten beschriebene räumlich spektrale Aufteilung ist eine Möglichkeit der Aufspaltung der spektralen Anteile der Laserstrahlung. Die eingangsseitige spektrale Aufspaltung der Laserstrahlung kann auch rein zeitlich oder zeitlich und räumlich durchgeführt werden. Für die zeitliche Aufspaltung wird eine Optik eingesetzt, die zusätzlich oder ausschließlich eine dispersive Laufzeitstrecke umfasst. Zur Erzielung der Phasenanpassung in nichtlinear optischen Medien müssen dann die optischen Eigenschaften des nichtlinearen Mediums entweder aktiv zeitlich an die Wellenlänge des momentan in das Medium eingekoppelten Strahlungsfeldes angepasst werden, oder es wird durch konstruktive Gestaltung oder geeignete Wahl dieses nichtlinear optischen Mediums erreicht, dass der zeitliche Verlauf der optischen Eigenschaften im Medium aufgrund intrinsischer Abläufe zu jedem Zeitpunkt die Phasenanpassungsbedingung für die Wellenlänge des zu diesem Zeitpunkt anliegenden Strahlungsfeldes erfüllt. Eine aktive zeitliche Variation der optischen Eigenschaften, insbesondere des Brechungsindex des nichtlinear optischen Mediums, kann durch entsprechende schnelle Temperaturänderungen erreicht werden. Weiterhin besteht insbesondere bei Verwendung von Kristallen die Möglichkeit, eine geeignete Spannung an den Kristall anzulegen und durch eine schnelle Spannungsänderung eine Änderung der optischen Eigenschaften zu erreichen. Ein Beispiel für entsprechende intrinsische Abläufe stellt eine Temperaturänderung durch Aufheizung des Mediums beim Durchgang eines Laserimpulses der eingekoppelten Laserstrahlung dar. Hierdurch wird über die Dauer dieses Pulses ein Temperaturanstieg mit einer damit verbundenen Brechungsindexänderung erreicht. Wird die spektrale Aufteilung zeitlich so vorgenommen, dass die Kombination aus momentaner Wellenlänge des Strahlungsfeldes im Medium und momentanem Brechungsindex die Phasenanpassungsbedingung möglichst gut erfüllt, so wird dadurch ebenfalls die Phasenfehlanpassung integral über die spektrale Bandbreite der Laserstrahlung verringert.
  • Mit dem Verfahren und der zugehörigen Anordnung wird die Phasenfehlanpassung bei der nichtlinear optischen Frequenzkonversion von Laserstrahlung mit großer spektraler Bandbreite deutlich reduziert. Zur Steigerung der Effizienz der Konversion können dadurch bei der gleichen spektralen Bandbreite der Laserstrahlung deutlich größere Längen des nichtlinear optischen Mediums als bisher eingesetzt werden. Es werden dadurch größere Effizienzen erreicht.
  • Das Verfahren und die Anordnung eignen sich besonders vorteilhaft für breitbandig emittierende Laserquellen wie Ultrakurzpuls-Laser, Faserlaser oder Diodenlaser. Diese Laser werden sowohl im Bereich der Wissenschaft als auch als Pumpquelle für andere Laser und insbesondere im Bereich der Materialbearbeitung eingesetzt, beispielsweise zur Strukturierung oder Beschriftung. Daneben gibt es auch zahlreiche messtechnische Anwendungsgebiete, wie beispielsweise LIDAR.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Das Verfahren und die zugehörige Anordnung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen kurz erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 stark schematisiert eine Darstellung des Verfahrens und der Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 2 stark schematisiert eine Darstellung des Verfahrens und der Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • In dem Beispiel der 1 wird ein nichtlinear optisches Medium 3 für die Frequenzkonversion eingesetzt, dessen optische Eigenschaften transversal zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung 6 konstant sind. Für eine Erhöhung der Konversionseffizienz in einem derartigen nichtlinear optischen Medium wird in diesem Beispiel eine Kombination aus dispersiver Optik 1 und Abbildungs- oder Strahlformungsoptik 2 eingesetzt. Durch die dispersive Optik 1 wird die Grundwelle der Laserstrahlung 6 räumlich in mehrere spektrale Komponenten zerlegt, wobei in der Figur lediglich beispielhaft die drei Komponenten λ1, λ2 und λ3 angedeutet sind. Durch die Strahlformungsoptik 2 werden diese Komponenten jeweils mit einer geeigneten Winkelverteilung, d. h. jede Komponente unter einem anderen geeignet gewählten Winkel, in das nichtlinear optische Medium 3 eingekoppelt. Die Winkelverteilung ist hierbei so gewählt, dass die Phasenanpassungsbedingung in dem nichtlinear optischen Medium für die verschiedenen spektralen Komponenten unter dem jeweiligen Winkel möglichst gut erfüllt ist.
  • In dem nichtlinear optischen Medium 3 werden dadurch die konvertierten Wellenlängen λ1', λ2' und λ3' erzeugt, die in der Figur ebenfalls angedeutet sind. Durch ein optisches Element 4 werden die Strahlanteile der Grundwelle von den Strahlanteilen der konvertierten Welle getrennt. Schließlich werden die konvertierten Strahlanteile in einem geeigneten optischen Element 5 wieder überlagert, um einen konvertierten Laserstrahl 7 zu bilden.
  • 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie der zugehörigen Anordnung. Die Laserquelle ist in beiden Figuren nicht dargestellt. In dem Beispiel der 2 wird die Laserstrahlung ebenfalls in einem dispersiven optischen Element 1 räumlich spektral aufgespaltet und mit einer geeigneten Strahlformungsoptik 2 in diesem Fall so in das nichtlinear optische Medium 3 eingekoppelt, dass unterschiedliche Spektralanteile des Laserstrahls 6 dieses Medium 3 an unterschiedlichen Orten passieren. Die Grundwelle und die Konvertierte sind hierbei in gleicher Weise bezeichnet wie bei der 1. In diesem Fall wird ein nichtlinear optisches Medium 3 eingesetzt, das eine räumliche Änderung der Materialeigenschaften, insbesondere des Brechungsindex, in transversaler Richtung aufweist, wie dies in der Figur durch die sich in transversaler Richtung ändernde Schattierung angedeutet ist. Die räumlich spektrale Aufspaltung sowie die Einkopplung in das nichtlinear optische Medium 3 erfolgen dabei wiederum derart, dass der jeweilige spektrale Anteil an dem Ort das nichtlinear optische Medium passiert, an dem der für eine minimale Phasenfehlanpassung erforderliche Brechungsindex im Medium vorliegt. Grundwelle und Konvertierte werden auch hier über ein entsprechendes optisches Element 4 voneinander getrennt. Die konvertierten Strahlanteile werden dann in einem geeigneten optischen Element 5 wiederum zu einem Ausgangsstrahl 7 überlagert.
  • Bei beiden Ausgestaltungen kann die dispersive Optik 1 ein einzelnes dispersives optisches Element oder eine Kombination von mehreren dispersiven optischen Elementen sein. Beispiele für dispersive optische Elemente sind Gitter oder Prismen.
  • Die Strahlformungsoptik 2 kann auf Basis von Spiegeln, Linsen oder Prismen ausgeführt werden und transformiert die von der dispersiven Optik 1 erzeugte spektrale Winkelverteilung oder Transversalverteilung unter Erhaltung des Strahlparameterprodukts so, dass eine minimale Phasenfehlanpassung der verschiedenen Spektralanteile im nichtlinearen Medium 3 und damit eine maximale Konversionseffizienz erzielt werden.
  • Das nichtlineare optische Medium 3 kann bspw. in Form eines doppelbrechenden Volumenkristalls oder eines periodisch gepolten Kristalls ausgeführt sein. Eine Veränderung der optischen Eigenschaften in transversaler Richtung kann beispielsweise durch entsprechende Dotierung, mechanische oder elektrische Spannung, Temperaturgradienten oder durch eine in transversaler Richtung veränderliche Polungsperiode hervorgerufen werden.
  • Als optisches Element 4 für die Trennung von eingestrahlter und erzeugter Strahlung, d. h. von Grundwelle und Konvertierter, können z. B. dielektrische Schichten, polarisierende Elemente oder dispersive Elemente genutzt werden.
  • Das optische Element 5 zur Überlagerung der spektralen Anteile der Konvertierten, ist eine Strahlformungsoptik, die aus den gleichen optischen Elementen wie die dispersive Optik 1 und Strahlformungsoptik 2 auf der Eingangsseite aufgebaut sein kann, die hier aber im Hinblick auf eine vorteilhafte räumliche Überlagerung der Spektralanteile der konvertierten Strahlung dimensioniert und angeordnet sind.
  • Mit dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Anordnung wird eine effiziente nichtlinear optische Frequenzkonversion von Laserstrahlung erreicht, bei der die spektrale Bandbreite die Akzeptanzbandbreite der verwendeten nichtlinear optischen Medien deutlich übertreffen kann. Im Vergleich zum Stand der Technik ist die maximale Länge der verwendeten nichtlinear optischen Medien damit nicht mehr unmittelbar durch deren spektrale Akzeptanz limitiert, so dass bei gleicher spektraler Bandbreite der Laserstrahlung deutlich längere nicht linear optische Medien verwendet und damit höhere Konversionseffizienzen erzielt werden können.
  • 1
    dispersive Optik
    2
    Strahlformungsoptik
    3
    Nichtlinear optisches Medium
    4
    optisches Element zur spektralen Trennung
    5
    optisches Element zur Überlagerung spektraler Anteile
    6
    Laserstrahlung (Grundwelle)
    7
    Laserstrahlung (Konvertierte)

Claims (18)

  1. Verfahren zur nichtlinear optischen Frequenzkonversion von Laserstrahlung (6) einer spektralen Bandbreite, bei dem die Laserstrahlung (6) in mindestens ein nichtlinear optisches Medium (3) einer spektralen Akzeptanzbandbreite eingekoppelt wird, die geringer als die spektrale Bandbreite der Laserstrahlung (6) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (6) räumlich und/oder zeitlich spektral so aufgespaltet in das nichtlinear optische Medium (3) eingekoppelt wird, dass eine Phasenfehlanpassung für die Frequenzkonversion im nichtlinear optischen Medium (3) integral über die gesamte spektrale Bandbreite der Laserstrahlung (6) gegenüber einer Einkopplung ohne Aufspaltung verringert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (6) durch die räumlich spektrale Aufspaltung in Spektralkomponenten oder Spektralbereiche zerlegt und durch Strahlformung so in das nichtlinear optische Medium (3) eingekoppelt wird, dass die Spektralkomponenten oder Spektralbereiche jeweils eine minimale Phasenfehlanpassung in dem Medium (3) erfahren.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlinear optische Medium (3) eine Änderung des Brechungsindex in transversaler Richtung zur Ausbreitung der Laserstrahlung (6) aufweist und die Spektralkomponenten oder Spektralbereiche durch die Strahlformung an unterschiedlicher transversaler Position in das nichtlinear optische Medium (3) eingekoppelt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlinear optische Medium (3) einen winkelabhängigen Brechungsindex aufweist und die Spektralkomponenten oder Spektralbereiche durch die Strahlformung unter unterschiedlichen Winkeln in das nichtlinear optische Medium (3) eingekoppelt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die spektrale Aufspaltung eine Optik (1) aus einem oder mehreren dispersiven Elementen eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass frequenzkonvertierte Spektralanteile oder Spektralbereiche der Laserstrahlung (6) nach der Frequenzkonversion wieder überlagert werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zeitlich spektralen Aufspaltung der Laserstrahlung (6) das nichtlinear optische Medium (3) im Brechungsindex zeitlich so moduliert wird, dass für eingekoppelte Spektralanteile jeweils eine minimale Phasenfehlanpassung resultiert.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zeitlich spektralen Aufspaltung der Laserstrahlung (6) das nichtlinear optische Medium (3) so aufgebaut ist, dass sich der Brechungsindex aufgrund intrinsischer Effekte beim Durchgang des Laserstrahlung (6) zeitlich ändert, wobei die zeitlich spektrale Aufspaltung so an die zeitliche Änderung des Brechungsindex angepasst wird, dass für momentan eingekoppelte Spektralanteile jeweils eine minimale Phasenfehlanpassung resultiert.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlich spektrale Aufspaltung über eine dispersive Laufzeitstrecke erfolgt.
  10. Anordnung zur nichtlinear optischen Frequenzkonversion von Laserstrahlung (6) einer spektralen Bandbreite mit einer Laserquelle, die die Laserstrahlung (6) emittiert, und einem nichtlinear optischen Medium (3), in das die Laserstrahlung (6) eingekoppelt wird, wobei das nichtlinear optische Medium (3) eine spektrale Akzeptanzbandbreite aufweist, die geringer als die spektrale Bandbreite der Laserstrahlung (6) ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere optische Elemente (1, 2) zwischen dem Laser und dem nichtlinear optischen Medium (3) in einem Strahlengang der Laserstrahlung (6) angeordnet und so ausgestaltet sind, dass sie die Laserstrahlung (6) räumlich und/oder zeitlich spektral so aufgespalten und in das nichtlinear optische Medium (3) einkoppeln, dass eine Phasenfehlanpassung für die Frequenzkonversion im nichtlinear optischen Medium (3) integral über die gesamte spektrale Bandbreite der Laserstrahlung (6) gegenüber einer Einkopplung ohne Aufspaltung verringert ist.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren optische Elemente (1, 2) derart ausgewählt sind, dass sie die Laserstrahlung (6) räumlich in Spektralkomponenten oder Spektralbereiche zerlegen und durch Strahlformung so in das nichtlinear optische Medium (3) einkoppeln, dass die Spektralkomponenten oder Spektralbereiche jeweils eine minimale Phasenfehlanpassung in dem Medium (3) erfahren.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlinear optische Medium (3) eine Änderung der Materialeigenschaften, insbesondere des Brechungsindex, in transversaler Richtung zur Ausbreitung der Laserstrahlung (6) aufweist und die ein oder mehreren optischen Elemente (1, 2) derart ausgewählt sind, dass sie die Spektralkomponenten oder Spektralbereiche durch die Strahlformung an unterschiedlicher transversaler Position in das nichtlinear optische Medium (3) einkoppeln.
  13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlinear optische Medium (3) einen winkelabhängigen Brechungsindex aufweist und die ein oder mehreren optischen Elemente (1, 2) derart ausgewählt sind, dass sie die Spektralkomponenten oder Spektralbereiche durch die Strahlformung unter unterschiedlichen Winkeln in das nichtlinear optische Medium (3) einkoppeln.
  14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren optischen Elemente (1, 2) ein oder mehrere dispersive Elemente umfassen.
  15. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlrichtung der Laserstrahlung (6) hinter dem nichtlinear optischen Medium (3) ein oder mehrere optische Elemente (5) angeordnet sind, die frequenzkonvertierte Spektralanteile oder Spektralbereiche der Laserstrahlung (6) wieder überlagern.
  16. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zeitlich spektralen Aufspaltung der Laserstrahlung (6) eine Einrichtung zur zeitlichen Modulation des Brechungsindex am nichtlinear optischen Medium angeordnet ist, wobei die zeitlich spektrale Aufspaltung der Laserstrahlung (6) und die mit der Einrichtung erzeugbare zeitliche Änderung des Brechungsindex so einander anpassbar sind, dass für momentan eingekoppelte Spektralanteile jeweils eine minimale Phasenfehlanpassung resultiert.
  17. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zeitlich spektralen Aufspaltung der Laserstrahlung (6) das nichtlinear optische Medium (3) so aufgebaut oder beschaffen ist, dass sich der Brechungsindex aufgrund intrinsischer Effekte beim Durchgang des Laserstrahlung (6) zeitlich ändert, wobei die zeitlich spektrale Aufspaltung so an die zeitliche Änderung des Brechungsindex angepasst ist, dass für momentan eingekoppelte Spektralanteile jeweils eine minimale Phasenfehlanpassung resultiert.
  18. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren optischen Elemente (1, 2) so gewählt sind, dass sie eine dispersive Laufzeitstrecke erzeugen.
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