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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisch parametrisches Verstärkersystem zur Verstärkung eines Laserstrahls und insbesondere Hochleistungsverstärkersysteme für wissenschaftliche Anwendungen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum optisch parametrischen Verstärken.
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In einem optisch parametrischen Verstärkersystem (OPA: optical parametric amplifier) wird ein Laserstrahl (im Folgenden als Signallaserstrahl bezeichnet) in einem nichtlinearen Kristall mit einem Pumplaserstrahl überlappt. Die Ausbreitungsrichtungen und Wellenlängen des Pumplaserstrahls und des Signallaserstrahls und die Nichtlinearität des Kristalls, d.h. insbesondere die Ausrichtung der Kristallachse des nichtlinearen Kristalls, werden aufeinander abgestimmt, um eine Phasenbeziehungen für eine Verstärkung des Signallaserstrahls bereitzustellen. Geeignete nichtlineare Kristalle sind z.B. Beta-Barium-Borat (BBO), Lithiumtriborat (LBO) und Kaliumtitanylphosphat (KTP).
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OPAs werden insbesondere zur Verstärkung(ultra-)kurzer Pulse eingesetzt. Durch die Verfügbarkeit leistungsstarker Pumplaser können Ausgangsleistungen erreicht werden, bei denen selbst geringste Absorptionseffekte im nichtlinearen Kristall zu einem nicht mehr vernachlässigbaren Wärmeeintrag führen. Der Wärmeeintrag kann mechanische Spannungen im Kristall induzieren, die bis zur Zerstörung des Kristalls führen können.
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Somit können thermische Randbedingungen die Verstärkung begrenzen und das Strahlprofil beeinflussen. Thermische Effekte in einem OPA werden zum Beispiel von
J. Rothhardt et al., „Thermal effects in high average power optical parametric amplifiers", Vol. 38, No. 5, Optics Letters (2013) und von
R. Riedel et al., „Thermal properties of borate crystals for high power optical parametric chirped-Pulse amplification", Vol. 22, No. 15, Optics Express (2014) erörtert.
DE 199 28 661 A1 offenbart ferner eine spannungskompensierende Halterung für einen nichtlinearen Kristall, der zugleich eine Temperierung des Kristalls erlaubt.
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Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabfuhr aus dem nichtlinearen Kristall eines OPA zu verbessern. Einem weiteren Aspekt liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere die Charakteristik eines OPA für die Verstärkung von kurzen Pulsen zu verbessern.
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Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein optisch parametrisches Verstärkersystem nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum optisch parametrischen Verstärken nach Anspruch 11. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einem Aspekt wird ein optisch parametrisches Verstärkersystem zum Verstärken eines insbesondere gepulsten Signallaserstrahls mit einem Pumplaserstrahl offenbart. Das Verstärkersystem weist einen optisch nichtlinearen Kristall mit einer Eintrittsseite und einer den Signallaserstrahl und den Pumplaserstrahl reflektierend beschichteten Rückseite auf, wobei der optisch nichtlineare Kristall eine Kristallachse aufweist. Der optisch nichtlineare Kristall, der Signallaserstrahl und der Pumplaserstrahl sind derart zueinander angeordnet, dass der Pumplaserstrahl und der Signallaserstrahl im Kristall vor und nach der Reflexion an der Rückseite unter Phasenanpassungsbedingungen propagieren, die eine optisch parametrische Verstärkung bewirken.
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In einem weiteren Aspekt wird ein optisch parametrisches Verstärkersystem zum Verstärken eines insbesondere gepulsten Signallaserstrahls mit einem Pumplaserstrahl offenbart. Das Verstärkersystem weist einen optisch nichtlinearen Kristall mit einer Eintrittsseite und einer den Signallaserstrahl und den Pumplaserstrahl reflektierend beschichteten Rückseite auf. Der optisch nichtlineare Kristall weist eine Kristallachse auf. Im Verstärkersystem liegen eine erste Pumppropagationsrichtung des Pumplaserstrahls im Kristall vor dessen Reflexion an der Rückseite und eine zweite Pumppropagationsrichtung des Pumplaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite sowie eine erste Signalpropagationsrichtung des Signallaserstrahls im Kristall vor dessen Reflexion an der Rückseite und eine zweite Signalpropagationsrichtung des Signallaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite vor. Die relative Ausrichtung der Kristallachse, der ersten Pumppropagationsrichtung und der ersten Signalpropagationsrichtung entsprechen einer erste Phasenanpassungsbedingung einer optisch parametrischen Verstärkung im Kristall. Die relative Ausrichtung der Kristallachse, der zweiten Pumppropagationsrichtung und der zweiten Signalpropagationsrichtung entsprechen einer zweiten Phasenanpassungsbedingung einer optisch parametrischen Verstärkung im Kristall.
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In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum optisch parametrischen Verstärken eines insbesondere gepulsten Signallaserstrahls mit einem Pumplaserstrahl offenbart. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines optisch nichtlinearen Kristalls mit einer Eintrittsseite und einer den Signallaserstrahl und den Pumplaserstrahl reflektierend beschichteten Rückseite, wobei der optisch nichtlineare Kristall eine Kristallachse aufweist, und ein Einstrahlen des Pumplaserstrahls und des Signallaserstrahls auf die Eintrittsseite derart, dass sich eine erste Pumppropagationsrichtung des Pumplaserstrahls im Kristall vor dessen Reflexion an der Rückseite sowie eine erste Signalpropagationsrichtung des Signallaserstrahls im Kristall vor dessen Reflexion an der Rückseite einstellt. Ferner umfasst das Verfahren ein Reflektieren des Signallaserstrahls und des Pumplaserstrahls an der Rückseite, so dass sich eine zweite Pumppropagationsrichtung des Pumplaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite sowie eine zweiten Signalpropagationsrichtung des Signallaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite einstellt. Verfahrensgemäß sind der optisch nichtlineare Kristall, der Signallaserstrahl und der Pumplaserstrahl derart zueinander angeordnet, dass der Pumplaserstrahl und der Signallaserstrahl im Kristall vor und nach der Reflexion an der Rückseite unter Phasenanpassungsbedingungen propagieren, die eine optisch parametrische Verstärkung bewirken.
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Durch den reflexiven Aufbau wird ein Zugang zur Rückseite des Kristalls ermöglicht, der zur Optimierung der Wärmeabfuhr aus dem Kristall genutzt werden kann. Dadurch kann im Vergleich zur Konfiguration eines OPA mit einem nichtlinearen Kristall in Transmission die Kristalldicke bei gleichbleibender Verstärkung reduziert werden. Ferner können thermisch induzierte Spannungen im Kristall reduziert werden. Im Vergleich zum Einfachdurchgang erlaubt somit der Doppeldurchgang entweder eine höhere Verstärkung oder bei identischer Verstärkung eine Reduzierung der Kristalldicke. Das verbesserte thermische Management kann ferner eine höhere Pumpleistung und somit eine zusätzliche Leistungssteigerung ermöglichen. Dies kann zu einer weiteren Leistungsskalierung von OPAs führen.
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In einigen Weiterbildungen ist der Kristall als Kristallscheibe ausgebildet und auf der Rückseite HR-beschichtet. Der Kristall kann ferner mit der Rückseite an einer Trägerstruktur (hierin auch als Wärmesenke bezeichnet), z.B. einem Diamantsubstrat, befestigt sein. Durch die reflexive Konfiguration durchlaufen der Pumplaserstrahl und der Signallaserstrahl den Kristall zweimal, wobei bei Hin- und Rücklauf jeweils zur Verstärkung geeignete Phasenanpassungsbedingungen eingestellt werden können.
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In anderen Worten erlaubt das aus dem Laseroszillatorbereich bekannte Konzept eines dünnen auf einer Wärmesenke angebrachten Verstärkungsmediums ("Scheibenlaser") den nichtlinearen Kristall im OPA auf einer (z.B. Diamant-)Wärmesenke zu befestigen. Durch bestimmte nichtkollineare Einstrahlungsgeometrien von Kristall, Pumplaser und Signallaser kann eine breitbandige Phasenanpassung sowohl für den einlaufenden als auch den rücklaufenden Signalstrahl realisiert werden. In einigen Ausführungsformen kann sich dies positiv auf die Verstärkung von ultrakurzen Laserpulsen hoher spektraler Bandbreite auswirken. Aufgrund der deutlich verbesserten Wärmeabfuhr können signifikant höhere Pumpleistungen appliziert werden, was eine Steigerung der Ausgangsleistung zur Folge hat und die Leistungsobergrenze für Hochleistungs-OPA-Systeme anhebt.
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In einigen Ausführungsformen, beispielsweise bei Verwendung eines leicht gekeilten Kristalls, können im Hinlauf und im Rücklauf leicht unterschiedliche Phasenanpassungen vorgesehen werden. Derartige unterschiedliche Phasenanpassungen können zu einer – im Vergleich zu einer einzigen Phasenanpassung bei der Verwendung eines Kristalls in Transmission – breitbandigeren Verstärkung führen, so dass die Verstärkung von kürzeren Pulsen oder sogar die Verkürzung von Pulsen möglich werden kann. Insbesondere können sich die verstärkten Wellenlängenbereiche des Hinlaufs und des Rücklaufs überlappen, ergänzen und/oder aneinander angrenzen. Dieser Aspekt der unterschiedlichen Phasenanpassungsbedingungen und damit der Möglichkeit der Addition verschiedener Verstärkungsspektren kann eine Verstärkung von Laserpulsen mit einem sehr großen Wellenlängenbereich erlauben.
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In einigen Ausführungsformen können sich jeweils die Phasenanpassungswinkel und/oder die Nichtkollinearitätswinkel der optisch parametrischen Verstärkung aufgrund der Reflexion des Signallaserstrahls und/oder des Pumplaserstrahls an der Rückseite unterscheiden. Insbesondere kann eine Hinlauf-Pumppropagationsrichtung unter einem spitzen Winkel zum Lot auf die Rückseite ausgerichtet sein, um einen Unterschied zwischen den Phasenanpassungswinkeln zu bewirken. Bezüglich der Winkel wird hierin beispielsweise auf die Strahlausbreitung im Bereich eines Strahlzentrums des Pumplaserstrahls oder des Signallaserstrahls oder beispielsweise auf das Lot im Bereich eines Strahlzentrums bezuggenommen.
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In einigen Ausführungsformen können die Eintrittsseite und/oder die Rückseite des optisch nichtlinearen Kristalls als plane Flächen ausgebildet sein. Ferner können sich die Eintrittsseite und die Rückseite des optisch nichtlinearen Kristalls zueinander plan-parallel oder zueinander keilförmig ausgebildet sein.
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In einigen Ausführungsformen können optisch parametrische Verstärkersysteme eine Pumpeinfallsoptik zur Festlegung einer Pumpeinfallsrichtung auf die Eintrittsseite des optisch nichtlinearen Kristalls und einer Signallaserstrahlführungsoptik zur Festlegung einer Signaleinfallsrichtung auf die Eintrittsseite des optisch nichtlinearen Kristalls aufweisen. Ferner können optisch parametrische Verstärkersysteme eine auf der Rückseite des Kristalls vorgesehene hochreflektierende Beschichtung und/oder eine Trägerstruktur, insbesondere einer Diamantsubstrat-Struktur, auf der hochreflektierenden Beschichtung und/oder der Rückseite des Kristalls und/oder eine Wasserkühlungsvorrichtung zur Kühlung des nichtlinearen Kristalls über die Rückseite, insbesondere über einen flächigen Kontakt mit der Trägerstruktur, aufweisen.
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Allgemein können die Phasenanpassungsbedingungen des Hinlaufs und des Rücklaufs für eine optisch parametrische Verstärkung gleicher, benachbarter, zumindest teilweise überlappender und/oder sich zumindest teilweise ergänzender Wellenlängenbereiche eingestellt sein.
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Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften OPA mit einem in Reflexion verwendeten nichtlinearen Kristall,
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2 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Strahlenverläufe in 1,
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3 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Phasenanpassungsbedingungen bei Hin- und Rücklauf im Kristall,
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4 eine schematische Darstellung der Verstärkung in Abhängigkeit vom Nichtkollinearitätswinkel,
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5 eine schematische Darstellung der Verstärkung in Abhängigkeit vom Phasenanpassungswinkel,
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6 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung unterschiedlicher Phasenanpassungsbedingungen bei Hin- und Rücklauf im Kristall,
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7 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Strahlenverläufe bei einem nichtlinearen Kristall in Keilform,
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8 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung unterschiedlicher Phasenanpassungsbedingungen bei Hin- und Rücklauf im Fall eines Kristalls in Keilform bei senkrecht auf den Kristall einfallendem Pumplaserstrahl,
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9 ein Verstärkungsspektrum für einen Hinlauf im Kristall und
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10 ein vom in 9 gezeigten Verstärkungsspektrum unterschiedlich eingestelltes Verstärkungsspektrum für einen Rücklauf im Kristall.
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Die hierin offenbarten Konzepte gehen insbesondere auf die Entwicklung von Pumplasern für die Verstärkung kurzer Pulse durch „optical parametric chirped-pulse amplification“ (OP-CPA) ein. Derartige Pumplaser können basierend auf Slab-, Scheiben- und Faserlaser-Systemen mittlerweile Pumpleistungen im Bereich von einigen 100 W erreichen, zukünftig wohl bis zu einigen kW und somit Pulsenergien im Joule-Bereich. Die Nutzung derartiger Pumplaserleistungen erfordert neue Ansätze bei der optisch parametrischen Verstärkung.
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Es ist bekannt, dass, wenn ein OPA mit derart hohen Leistungen gepumpt wird, schon durch die Absorption geringster Anteile der Pumpstrahlung, des erzeugten Signals und/oder des entstehenden Idlers eine mechanische Zerstörschwelle durch thermisch induzierte Spannungen erreicht werden kann. Absorbierend wirken im Kristall z.B. Defekte und Verunreinigungen, (falls vorhanden) Beschichtungen auf den Kristalloberflächen sowie der Kristall selbst, der die eingestrahlte bzw. entstehende Strahlung teilweise absorbiert. Insbesondere bei einem sehr breitbandigen OPA kann die erzeugte Idlerstrahlung soweit im Infraroten-Wellenlängenbereich liegen, dass diese vom Kristall stark absorbiert werden kann.
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Die Erfindung basiert zumindest zum Teil auf der Erkenntnis, dass – im Gegensatz zu in Transmission verwendeten nichtlinearen Kristallen – das hierein offenbarte Konzept der Verwendung eines nichtlinearen Kristalls in Reflexion günstigere Rahmenbedingungen für die Kühlung bietet. Beispielsweise kann ein scheibenförmiges nichtlineares Medium direkt großflächig auf einer Wärmesenke/Trägerstruktur befestigt werden. Die Wärmesenke kann wiederum auf ihrer Rückseite mit Wasser gekühlt werden. Aufgrund der Dünne des scheibenförmigen nichtlinearen Mediums – im Vergleich zu seinem Durchmesser – kann ein nahezu eindimensionaler Wärmefluss realisiert werden, der thermisch induzierte Spannungen reduzieren bzw. erst gar nicht entstehen lassen kann. Somit wird eine sehr effektive Kühlung des scheibenförmigen nichtlinearen Mediums ermöglicht.
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Zusammengefasst haben die Erfinder somit unter anderem erkannt, dass sich das Scheibenlaserprinzip (dünnes scheibenförmiges Lasermedium) in der OPA-Verstärkung beim nichtlinearen Kristall – insbesondere bei einem Doppeldurchgang – einsetzen lässt, dass sich dadurch die Möglichkeit einer verbesserten flächigen Kühlung von OPA-Kristallen ergeben kann und dass sich überdies die Option ergeben kann, in einem einzigen Kristall – z.B. durch eine leicht keilförmige Geometrie – verschiedene Phasenanpassungsbedingungen zu ermöglichen und dadurch ein breiteres Spektrum verstärken zu können.
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Im Vergleich mit dem hierein offenbarten Konzept der Verwendung eines nichtlinearen Kristalls in Reflexion ist eine effektive Kühlung eines in Transmission verwendeten nichtlinearen Kristalls schwerer umzusetzen. Denn in letzterem Fall können primär nur die radialen Außenflächen gekühlt werden. Die geringe Wärmeleitfähigkeit nichtlinearer Kristalle (z.B. bei BBO kleiner 2 W/(mK)) behindert zusätzlich eine effiziente radiale Wärmeabfuhr. Auch eine direkte Umspülung des Kristalls mit Wasser ist aufgrund der starken Hygroskopie von beispielsweise BBO ebenfalls nicht praktikabel. In einigen Konfiguration in Transmission werden ferner Frontflächen der Kristalle mit einem transparenten Material versehen, welches eine bessere Wärmeleitung im Gegensatz zum reinen Luftübergang ermöglicht; es werden dadurch allerdings weitere Materialen und Materialübergänge in den Strahlengang eingeführt. Ferner bewirkt bei der Verwendung in Transmission die primär radiale Wärmeabfuhr einen Temperaturgradienten im Material, der mechanische Spannungen erzeugen kann, die bis zur angesprochenen Zerstörung des Kristalls führen können. Derartige Nachteile können bei dem hierein offenbarten Konzept der Verwendung eines nichtlinearen Kristalls in Reflexion zumindest reduziert bzw. ganz vermieden werden.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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1 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau eines OPA 1 in Form eines scheibengekühlten, optisch parametrischen Doppeldurchgangsverstärkers. Der OPA 1 basiert auf einem nichtlinearen Kristall 3, z.B. einem BBO-Kristall. Der Kristall weist eine Einfallsseite 5 zur Aufnahme des Laserlichts und eine Rückseite 7 auf. Über die Rückseite 7 erfolgt die Kühlung des Kristalls 3. Der nichtlineare Kristall 3 ist als dünne Scheibe ausgebildet und direkt mit seiner Rückseite 7 auf einer Wärmesenke 9 befestigt. Die Wärmesenke 9, beispielsweise ein Diamantsubstrat, ist wiederum an seiner Rückseite an einem Kühlkörper 11 angebracht. Die dicke des Kristalls liegt beispielsweise bei 0,1 mm bis 1 mm und die Dicke des Diamantsubstrats bei beispielsweise 1 mm.
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Der Kühlkörper wird über Anschlüsse 13 mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, aus einem Kühlkreislauf (nicht gezeigt) versorgt. Das Kühlmittel nimmt den nicht vermeidbaren Wärmeeintrag in den Kristall 3 durch die Laserstrahlen auf. Dieser Aufbau erlaubt eine räumliche Trennung des (im Beispiel des BBO hygroskopischen) Kristalls 3 vom Kühlkreislauf. Ferner erlaubt die separate Befestigung des Kristalls 3 auf der Wärmesenke 9 eine schonende Handhabung der empfindlichen Kristallscheiben.
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Aufgrund der Dünne der Scheibe im Vergleich zu ihrem Durchmesser kann ein nahezu eindimensionaler Wärmefluss realisiert werden, der thermisch induzierte Spannungen reduzieren bzw. erst gar nicht entstehen lassen kann. Entsprechend erlaubt der Aufbau gemäß 1 eine sehr effektive Kühlung der Kristallscheibe im Verstärkungsbereich.
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In der Ausführungsform gemäß 1 weist die Rückseite 7 des Kristalls 3 eine breitbandig hochreflektierende(HR-)Beschichtung 15 auf, die somit zwischen der Wärmesenke 9 und dem Kristall 3 angeordnet ist. Die HR-Beschichtung 15 ist sowohl für die Wellenlänge eines einfallenden Pumplaserstrahls 17 als auch für die Wellenlänge eines einfallenden Signallaserstrahls 19 ausgebildet, so dass beide Strahlen möglichst vollständig reflektiert werden. Beispielsweise werden der Signallaserstrahl 19 und der Pumplaserstrahl 17 an der die Rückseite 7 mindestens zu 99,9 % reflektiert.
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In 1 sind das Lasersystem für den Signallaserstrahl 19 und das Lasersystem für den Pumplaserstrahl 17 nicht explizit gezeigt. Beispiele für Lasersysteme für den Signallaserstrahl 19 umfassen gepulste Lasersysteme wie z.B. Titan:Saphir-Lasersysteme, die unter anderem zu verstärkende Laserpulse im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 1100 nm erzeugen. Eine weitere Möglichkeit basiert auf der Erzeugung der Signalstrahlung mit Hilfe eines geringen Anteils der Pumplaserstrahlung und einer zusätzlichen Weisslichterzeugungsstufe. Beispiele für Lasersysteme für den Pumplaserstrahl 17 umfassen gepulste Lasersysteme wie Slab-, Scheiben- und Faserlaser-Systeme. Beispielsweise bei der Verwendung von Titan:Saphir-Laserpulsen im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 1100 nm können diese zunächst frequenzverdoppelt und anschließend zum Pumpen der OPA verwendet werden. Im Allgemeinen sind die hierein offenbarten Konzepte auch auf andere Signal- und oder Pumpwellenlängen übertragbar, mit denen eine Phasenanpassung für eine nichtlineare Verstärkung realisiert werden kann.
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Pumplaserstrahl 17 und Signallaserstrahl 19 werden in der Ausführungsform gemäß 1 unter einem Winkel zueinander auf die Einfallsseite 5 des Kristalls 3 eingestrahlt. Der jeweilige Einstrahlwinkel wird mit einer Pumpstrahloptik 21 bzw. einer Signalstrahloptik 23 derart eingestellt, dass die im Folgenden beschriebenen Voraussetzungen zur Verstärkung/Phasenanpassung bereitgestellt werden. In 1 umfassen die Pumpstrahloptik 21 und die Signalstrahloptik 23 beispielhaft HR-Spiegel 25. Die Strahldurchmesser von Pumplaserstrahl 17 und Signallaserstrahl 19 sind aufeinander angepasst. Typischerweise werden für die nichtlineare Verstärkung Pumpintensitäten von ~100 GW/cm2 benötigt. Bei einer Pumppulsenergie von 10 mJ und einer Pulsdauer von 1ps liegen die Strahldurchmesser beispielsweise im Bereich von 5 mm (FWHM).
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Die Anordnung der einzelnen Komponenten und die einzustellenden Winkel können ferner derart gewählt werden, dass die ein- und auslaufenden Strahlen räumlich leicht voneinander trennbar sind. Wahlweise kann ein optischer Isolator (nicht gezeigt), beispielsweise eine Kombination aus einem Faraday-Rotator, einer Wellenplatte und einem Dünnschichtpolarisator, zur Ausblendung des reflektierten Anteils des Pumplaserstrahls 17 verwendet werden. Letzteres kann es erlauben, dass der Pumplaser z.B. unter einem wie in 1 beispielhaft gezeigten Einfallswinkel von 0° eingestrahlt werden kann.
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Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Laserverstärkung in einem laseraktiven Medium ist bei einem OPA die Verstärkung sehr stark von den verwendeten Winkeln abhängig. Wie im Folgenden beschrieben erlaubt es der in Reflexion verwendete Kristall 3 sowohl den eingestrahlten (Hinlauf) als auch den reflektierten (Rücklauf) Signallaserstrahl zu verstärken. Zusammen mit den Vorteilen hinsichtlich Kühlung durch den Scheibenaufbau kann in einigen Ausführungsformen zusätzlich eine Verbesserung der optisch parametrischen Verstärkung (im Vergleich zur Konfiguration in Transmission) erreicht werden.
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Für eine effiziente parametrische Verstärkung ist eine entsprechende Phasenanpassungsbedingung im Kristall 3 zu erfüllen. Diese umfasst zum einen den Phasenanpassungswinkel θ zwischen Pumplaserstrahl 17 und der Kristallachse und den Nichtkollinearitätswinkel α zwischen Pumplaserstrahl 17 und Signallaserstrahl 19.
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2 verdeutlicht den Strahlverlauf im Bereich vor und im Kristall 3. In 2 ist der Kristall 3 plan-parallel ausgeführt, d.h. seine Eintrittsseite 5 und seine Rückseite 7 sind als parallel verlaufende plane Ebenen ausgebildet. Im Beispiel der 2 trifft der Pumplaserstrahl 17 orthogonal auf die Eintrittsseite 5 und somit auch orthogonal auf die Rückseite 7, so dass er entsprechend in sich selbst zurückreflektiert wird. Die Signalstrahloptik lenkt den Signallaserstrahl 19 unter einem einstellbaren Winkel auf die Eintrittsseite 5. Dort wird der Signallaserstrahl 19 gebrochen, so dass sich im Kristall eine entsprechende Ausbreitungsrichtung ergibt. Die Signalstrahloptik 23 wird beispielsweise derart justiert, dass sich im Kristall 3 der für den Hinlauf benötigte Nichtkollinearitätswinkel α zum Pumpstrahl ergibt. Ferner ist der Kristall 3 durch seine optische Achse 27 (hierin auch als Kristallachse bezeichnet) gekennzeichnet. Diese Achse ist dadurch charakterisiert, dass bei Propagation entlang der Achse keine Doppelbrechung auftritt, der Brechungsindex also unabhängig von der Eingangspolarisation ist. Im Aufbau gemäß 2 wurde der Kristall 3 derart geschnitten, dass die optische Achse 27 unter dem Phasenanpassungswinkel θ bezüglich des Lots auf die Rückseite und damit bezüglich des Pumplaserstrahls 17 verläuft.
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Entsprechend ist der Strahlenverlauf im Kristall 3 durch eine erste, senkrecht zur Rückseite 7 verlaufende Pumppropagationsrichtung des Pumplaserstrahls 17 vor der Reflexion des Pumplaserstrahls an der Rückseite 7 und einer zweiten Pumppropagationsrichtung (ebenfalls senkrecht zur Rückseite 7) des Pumplaserstrahls 17 im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite 7 gekennzeichnet. Ferner ist der Strahlenverlauf im Kristall 3 durch eine erste, unter dem Nichtkollinearitätswinkel α zur ersten Pumppropagationsrichtung verlaufende Signalpropagationsrichtung des Signallaserstrahls 19 vor dessen Reflexion an der Rückseite 7 und durch eine zweite Signalpropagationsrichtung (ebenfalls unter einem Winkel α zur zweiten Pumppropagationsrichtung) des Signallaserstrahls im Kristall nach dessen Reflexion an der Rückseite 7 gekennzeichnet.
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Zur Verdeutlichung zeigt 3 die relativen Lagen der Kristallachse 27, einer ersten Pumppropagationsrichtung 17A und einer ersten Signalpropagationsrichtung 19A für den Hinlauf (Abschnitt A der 3) sowie die relativen Lagen der Kristallachse 27, einer zweiten Pumppropagationsrichtung 17B und einer zweiten Signalpropagationsrichtung 19B für den Rücklauf (Abschnitt B der 3). Entsprechend ergeben sich für den Hinlauf ein Nichtkollinearitätswinkel α1 und ein Phasenanpassungswinkel θ1 und für den Rücklauf ein Nichtkollinearitätswinkel α2 und ein Phasenanpassungswinkel θ2. Unter der Annahme eines orthogonalen Einfalls des Pumpstrahls 17 auf die Rückseite 7 (gemäß den Ausführungsformen in den 1 und 2) gilt α1 = α2 und θ1 = θ2.
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4 zeigt schematisch die Abhängigkeit der verstärkten Wellenlängen λ in nm vom Nichtkollinearitätswinkel α. Man erkennt, dass im Winkelbereich um 2,4 ° große spektrale Breiten verstärkt werden können (siehe hierzu auch die 9 und 10).
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Für einen BBO-Kristall erfolgt eine optisch parametrische Verstärkung im Wellenlängenbereich von zum Beispiel 600 nm bis 800 nm bei einem Phasenanpassungswinkel θ (d.h. dem Winkel zwischen Richtungsvektor des Pumplaserstrahls und der optischen Kristallachse) von ca. 24,2 ° und einem Nichtkollinearitätswinkel α (d.h. einem Winkel zwischen Pumplaserstahl und Signallaserstrahl im Kristall) von ca. 2,4 °.
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Für einen senkrecht zur Rückseite 7 angestrahlten Pumplaserstrahl ergibt sich ein Winkel zwischen der Signalpropagationsrichtung zur BBO-Kristallachse von 21,8 ° bzw. 26,6 °.
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Wie 3 zu entnehmen ist, führt die Reflexion an der Rückseite 7 bei orthogonalem Einfall des Pumplaserstrahls 17 auf die Rückseite 7 zur Erfüllung der Phasenanpassungsbedingung für den Hinlauf und den Rücklauf. Denn aufgrund des orthogonalen Einfalls wird zum einen der Pumpstrahl in sich zurückreflektiert und zum anderen wird der Signalstrahl aufgrund von „Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel“ unter –2,4 ° zum Lot reflektiert. Dadurch liegt der reflektierte Signalstrahl wieder exakt auf dem notwendigen Nichtkollinearitätswinkel und wird – genau wie der eingefallene Signalstrahl – verstärkt werden. D.h., die Phasenanpassungsbedingung sind identisch für Hinlauf und Rücklauf.
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In anderen Worten werden durch die Reflexion an der HR-Schicht 15 an der Rückseite 7 des nichtlinearen Kristalls 3 in der Geometrie der 2 beide Phasenanpassungsgeometrien (21,8 ° bzw. 26,6 °) verwendet. Entsprechend findet eine effiziente Verstärkung sowohl auf dem Hinlauf als auch auf dem Rücklauf statt. Im Vergleich zum Einfachdurchgang erlaubt der Doppeldurchgang somit entweder eine höhere Verstärkung oder bei identischer Verstärkung im Prinzip eine Halbierung der Kristalldicke.
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5 verdeutlicht die Abhängigkeit der Verstärkung vom Phasenanpassungswinkel θ bei einem (festem) Nichtkollinearitätswinkel α von 2,4 °. In einem Winkelbereich von 22 ° bis 28 ° für den Phasenanpassungswinkel θ bildet sich ein Verstärkungsbereich 31 (verstärkter Wellenlängenbereich) aus. Man erkennt ein Maximum der spektralen Breite im Bereich von 24,5 ° und eine Verschiebung der verstärkten Wellenlängenbereiche mit abnehmendem Phasenanpassungswinkel θ hin zu längeren Wellenlängen.
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Basierend auf dieser Ausprägung des Verstärkungsbereichs 31 kann eine Variation der Phasenanpassungswinkel θ1 und θ2 für den Hin- und Rücklauf den verstärkten Wellenlängenbereich derart beeinflussen, dass eine Verstärkung breitbandiger kurzer Pulse optimiert werden kann. Dies wird im Folgenden für einen planparallelen Kristall in 6 und für einen keilförmig ausgebildeten Kristall in den 7 und 8 erläutert. Die 9 und 10 verdeutlichen die dazugehörige Verschiebung des verstärkten Wellenlängenbereichs zwischen Hinund Rücklauf.
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In 6 trifft der Pumplaserstrahl unter einem kleinen Winkel δ zum Lot L auf die Rückseite 7. Aufgrund der Reflexion ändert sich somit der Phasenanpassungswinkel von θ1 beim Hinlauf auf θ2 beim Rücklauf um den Wert 2δ. Aufgrund der Symmetrie der Reflexion ändert sich dagegen der Nichtkollinearitätswinkel zwischen Pumplaserstrahl und Signallaserstrahl nicht, das heißt α1 = α2. Dies hat eine entsprechende Verschiebung der verstärkten Wellenlängenbereiche hin zum längeren Wellenlängenbereich zur Folge, wie sie der 5 und den 9 und 10, wie später erläutert, zu entnehmen ist.
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Somit erlaubt der Strahlenverlauf gemäß 6 die Erweiterung des verstärkten Wellenlängenbereichs aufgrund einer Änderung des Phasenanpassungswinkels zwischen Hin- und Rücklauf. Entsprechend können größere Wellenlängenbereiche und damit kürzere Pulse mit dem OPA verstärkt werden.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform mit variierenden Phasenanpassungsbedingungen für den Hinlauf und den Rücklauf. Dabei wird ein keilförmiger Kristall 33 eingesetzt. Das heißt, eine Eintrittsseite 35 verläuft unter einem kleinen (Keil-)Winkel zu einer Rückseite 37. In 7 verläuft der Pumplaserstrahl 17 vor Eintritt in den Kristall 33 orthogonal zur Rückseite 37. Jedoch wird aufgrund des nicht orthogonalen Einfallens auf die Eintrittsseite 35 der Pumplaserstrahl 17 gebrochen. Entsprechend trifft der Pumplaserstrahl 17 unter einem kleinen Winkel auf die Rückseite 37, von der er wieder reflektiert wird. Aufgrund einer weiteren Beugung an der Eintrittsseite 35 verläuft der austretende Pumplaserstrahl 17' unter einem kleinen Winkel zum einfallenden Pumplaserstrahl 17. Letzteres ermöglicht es, die beiden Strahlkomponenten in einem gewissen Abstand zum Kristall 33 räumlich zu separieren.
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Der Signallaserstrahl 19 wird wieder derart angestrahlt, dass sich der gewünschte Nichtkollinearitätswinkel α zur Pumppropagationsrichtung im Kristall 33 ausbildet. Aufgrund der Symmetrie in der Reflexion liegt der gleiche Winkelbezug zum Pumplaserstrahl (Nichtkollinearitätswinkel α) für den reflektierten Signallaserstrahl im Kristall 33 vor. Wie in 6 führt die Änderung des Phasenanpassungswinkels θ1 zu θ2 zu einem veränderten Verstärkungsprofil für Hin- und Rücklauf, wobei sich in diesem Fall der verstärkte Wellenlängenbereich hin zu kleineren Wellenlängen verschiebt.
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8 verdeutlicht die Strahlengänge für einen keilförmigen Kristall 33 im Fall, dass der Pumplaserstrahl 17 orthogonal auf die Eintrittsseite 35 fällt. Wie in der Konfiguration der 7 ergeben sich dadurch unterschiedliche Phasenanpassungswinkel θ1 und θ2 bei gleichen Nichtkollinearitätswinkeln α1 und α2, wobei sich in diesem Fall der verstärkte Wellenlängenbereich hin zu größeren Wellenlängen verschiebt.
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Ein Vorteil der Keilstrukturanordnung, wie sie in 7 gezeigt wird, ist eine räumliche Trennung/Separation zwischen einlaufendem und reflektiertem Pumplaserstrahl 17, 17' und somit die Vermeidung eines Rückreflexes in das Pumplasersystem. Letzterer könnte beispielsweise in der Anordnung gemäß 8 ohne weitere Entkopplung zu einer Störung des Hochleitungspumplasersystems führen.
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Wie in Zusammenhang mit den in den 6 bis 8 erläuterten Konfigurationen können unterschiedliche Phasenanpassungsbedingungen für den Hin- bzw. Rücklauf bei nicht-senkrechtem Eintreffen des Pumpstrahls auf die Rückseite erzeugt werden. Für BBO ergeben die typischen Parameter von α = 2,4 ° und θ = ~24,5 ° für den Einzeldurchgang beispielsweise eine Bandbreite von ca. 690 nm bis 1050 nm. Diese Bandbreite trifft auch für den Fall zu, dass die erste Phasenanpassungsbedingung im Hinlauf der zweiten Phasenanpassungsbedingung des Rücklaufs entspricht.
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Wie erläutert kann sich die Bandbreite beispielsweise in Kombination mit einer Keilstruktur ändern. Beispielhaft zeigt 9 eine Verstärkungskurve 41 für einen Nichtkollinearitätswinkel α1 von 2,1 ° und einen Phasenanpassungswinkel θ von 23,8 ° für den Hinlauf. Die Verstärkungskurve zeigt dann ein verstärktes Spektrum von ca. 620 nm bis 800 nm und von 1100 nm bis 1200 nm. In 10 wird eine Verstärkungskurve 43 für einen Nichtkollinearitätswinkel α von 2,1 ° und einem Phasenanpassungswinkel θ von 24,3 ° für den Rücklauf gezeigt. Man erkennt für die Verstärkungskurve 43 ein verstärktes Spektrum im Bereich von ca. 800 nm bis 1050 nm. Eine Überlagerung der beiden Verstärkungskurven 41 und 43 kann also zu einem verstärkten Spektrum im Bereich von 620 nm bis 1200 nm führen. Dies ist deutlich breiter als die mögliche Bandbreite im Einzeldurchgang bzw. bei unveränderten Phasenanpassungsbedingungen. In anderen Konfigurationen können sich die verstärkten Wellenlängenbereiche an nur einer Seite ergänzen. Allgemein können sich die verstärkten Wellenlängenbereiche zumindest teilweise überlappen.
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Neben den angesprochenen planen Kristalloberflächen sind andere Geometrien möglich, die z.B. zu einer internen Totalreflexion von Pumplaser und/oder Signallaser führen können, so dass sich Mehrfachdurchgänge im nichtlinearen Kristall ausbilden lassen. Hierdurch kann sich die effektive Verstärkungsweglänge (d.h. die Propagation im Kristall) bei gleichbleibender Dicke weiter verlängern.
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In einigen Weiterbildungen können auch Abschnitte der Eintrittsseite reflektiv beschichtet werden, um Mehrfachdurchgänge des Kristalls auszubilden.
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High Power-OPA-Systeme können beispielsweise für fundamentale physikalische Untersuchungen an Atomen oder Molekülen eingesetzt werden. Die hierein offenbarten OPA-Konzepte können dabei völlig neuartige Forschungs- und Entwicklungsansätze ermöglichen. Anwendungen liegen ferner z.B. in der Medizin (bildgebende Verfahren, Wirkung von Medikamenten etc.) und auch in der Materialbearbeitung beispielsweise als Hochleistungsverstärkersystem für die Laserbearbeitung von Werkstücken mit dem verstärkten Laserstrahl.
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Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. Rothhardt et al., „Thermal effects in high average power optical parametric amplifiers“, Vol. 38, No. 5, Optics Letters (2013) [0004]
- R. Riedel et al., „Thermal properties of borate crystals for high power optical parametric chirped-Pulse amplification“, Vol. 22, No. 15, Optics Express (2014) [0004]
