DE102015117828B4 - Dielektrischer Mehrschichtspiegel, Laservorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung - Google Patents

Dielektrischer Mehrschichtspiegel, Laservorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung Download PDF

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Abstract

Dielektrischer Mehrschichtspiegel aufweisend wenigstens zwei Gruppen von Schichtenfolgen, nämlich eine erste Schichtengruppe (61) und eine zweite Schichtengruppe (62), wobei die erste Schichtengruppe (61) einen auf einen ersten Wellenlängenbereich (W1) abgestimmten ersten Bragg-Spiegel bildet und die zweite Schichtengruppe (62) einen auf einen von dem ersten Wellenlängenbereich (W1) verschiedenen zweiten Wellenlängenbereich (W2) abgestimmten zweiten Bragg-Spiegel bildet, wobei die beiden Schichtengruppen (61, 62) in unterschiedlichem Abstand von der Vorderfläche (VF) des Mehrschichtspiegels (MCM) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichtengruppen (61, 62) in Richtung senkrecht zur Vorderfläche (VF) des Mehrschichtspiegels (MCM) durch eine transparente Abstandsschicht (63) voneinander getrennt sind, wobei die Abstandsschicht (63) um ein Mehrfaches dicker ist als die Abstände der Schichten innerhalb der Schichtengruppen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit einer Laserstrahlungsquelle, die gepulste Laserstrahlung erzeugt, wobei die Laserstrahlung spektrale Anteile in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen - einem ersten und einem zweiten Wellenlängenbereich - aufweist, und einem Dispersionskontrollelement, das wenigstens einen dielektrischen Mehrschichtspiegel umfasst, wobei die Laserstrahlung an dem Mehrschichtspiegel einmal oder mehrmals reflektiert wird.
  • Außerdem betrifft die Erfindung einen dielektrischen Mehrschichtspiegel für eine solche Laservorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung.
  • Kurze Laserpulse (mit Pulsdauern im ps- und fs-Bereich) weisen bekanntlich ein breites Wellenlängenspektrum auf. Vorrichtungen zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung, deren Spektrum einen optischen Frequenzkamm mit einer spektralen Breite von mehr als einer optischen Oktave bildet, sind aus dem Stand der Technik bekannt (z.B. mit spektralen Anteilen in Wellenlängenbereichen von 800 nm bis über 2000 nm). Um in einem Wechselwirkungszentrum einer Laservorrichtung, in dem sich z.B. ein nichtlinearer Kristall oder ein anderes nichtlineares Medium zur Frequenzkonversion befindet, einen Laserpuls minimaler Pulsdauer zu erzeugen, müssen die unterschiedlichen spektralen Anteile zeitlich (und räumlich) in Koinzidenz sein. Aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex (Dispersion) der Medien, durch die die Laserstrahlung propagiert (einschließlich des im Wechselwirkungszentrum befindlichen nichtlinearen Mediums), werden die unterschiedlichen spektralen Anteile unterschiedlich verzögert. Dieser Effekt wird quantitativ durch die sogenannte Gruppenlaufzeitverzögerung (auch Gruppenlaufzeitdispersion oder, englisch „group delay dispersion“, abgekürzt GD) beschrieben. Die GD ist die zweite Ableitung der spektralen Phase nach der Frequenz.
  • In den meisten Anwendungen muss zur Erzielung der gewünschten Pulsform der Laserpulse die GD des verwendeten optischen Systems kompensiert werden. Dies wird mit den Begriffen Dispersionskompensation oder auch Dispersionskontrolle beschrieben. Typischerweise wird hierfür an einer Stelle im Strahlengang ein Dispersionskontrollelement vorgesehen, das eine GD mit dem gleichen Betrag aber mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugt wie die GD, die die Strahlung in dem übrigen optischen System der Laservorrichtung erfährt.
  • Für die Dispersionskompensation werden im Stand der Technik verschiedene optische Komponenten eingesetzt wie z. B. Prismenpaare, Gitterpaare und dispersive Spiegel. Dank ihrer großen spektralen Bandbreite, der Einfachheit der Integration in das optische System und der Kompaktheit werden häufig dielektrische Mehrschichtspiegel (englisch auch als „chirped mirror“ bezeichnet) verwendet.
  • Bei der Reflexion an einem Mehrschichtspiegel, in dem eine Mehrzahl von transparenten Schichten mit wechselndem Brechungsindex (z.B. abwechselnde Schichten aus SiO2 und TiO2) einen Bragg-Spiegel mit in Richtung senkrecht zur Vorderfläche des Spiegels variierendem Schichtenabstand (und entsprechend variierender Bragg-Wellenlänge), ausbilden, dringen die verschiedenen Wellenlängenanteile der Laserstrahlung unterschiedlich tief in die Schichten des Spiegels ein, bevor sie reflektiert werden. Dadurch werden die verschiedenen spektralen Anteile unterschiedlich stark, nämlich entsprechend der jeweiligen Eindringtiefe, verzögert. Weil viele optische Komponenten eine positive GD aufweisen, wird für die Dispersionskompensation meistens eine negative GD benötigt. Um eine negative GD zu erzielen, werden die kurzwelligen spektralen Anteile in den oberen Schichten des Mehrschichtspiegels reflektiert, während die langwelligen Anteile tiefer in den Spiegel eindringen, bevor sie reflektiert werden. Auf diese Weise werden die langwelligen spektralen Anteile gegenüber den kurzwelligen Anteilen zeitlich verzögert, was zu der erwünschten negativen GD führt.
  • Ein Problem bei dieser Art von Mehrschichtspiegeln ist, dass an der Grenzfläche der vordersten Schicht zur Umgebung, also an der Vorderfläche, wo die Laserstrahlung auftrifft, eine weitgehend von der Wellenlänge unabhängige Reflexion auftritt. Dadurch kommt es zu Interferenzen zwischen Strahlung, die an dieser Vorderfläche reflektiert wird, und Strahlung, die tiefer in der Mehrschichtstruktur des Spiegels reflektiert wird, wobei diese Interferenzeffekte zu einer Verzerrung des Reflexionsvermögens und vor allem zu einer starken Verzerrung der Dispersionscharakteristik des Spiegels führen. Um diesem Effekt zumindest teilweise entgegenzuwirken, wurde vorgeschlagen (vgl. F. X. Kärntner et. al.: „Design and fabrication of double-chirped mirrors", 1997, Optics Letters, Band 22, Seite 831), eine Antireflexbeschichtung an der Vorderfläche anzubringen, wobei gleichzeitig die Dicke der Schichten in dem Schichtenstapel (auch als Füllfaktor bezeichnet) variiert wird. Die Variation des Füllfaktors bewirkt dabei eine adiabatische Anpassung der Impedanz innerhalb des Schichtenstapels. Da sowohl die Bragg-Wellenlänge als auch der Füllfaktor variiert werden, bezeichnet man diese Mehrschichtspiegel auch als „double-chirped mirrors“. Üblicherweise wird ein Computeralgorithmus verwendet, um die Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes der Laserstrahlung in dem Schichtenstapel zu simulieren und so die Eigenschaften des Mehrschichtspiegels für die gewünschte Anwendung zu optimieren. Der Schichtenstapel des Mehrschichtspiegels wird dann nach dem Ergebnis des Computeralgorithmus gefertigt (z.B. durch gesteuerte Gasphasenabscheidung von TiO2 und SiO2 auf einem SiO2-Substrat).
  • Die 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Laservorrichtung (vgl. G. Krauss et. al.: „All-passive phase locking of a compact Er:fiber laser system". Optics Letters, 2011, Bd. 36, Seiten 540 bis 542). Die vorbekannte Laservorrichtung umfasst einen Erbium-Faserlaser als Strahlungsquelle, der gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer im Femtosekundenbereich erzeugt. Die erzeugte Laserstrahlung wird in einer nichtlinearen Faser HNF spektral verbreitert. Die aus der Faser HNF austretende Laserstrahlung wird mittels eines gekrümmten Spiegels M1 kollimiert. Mittels eines dichroischen Strahlteilers DM wird die Laserstrahlung auf zwei Strahlwege aufgeteilt. In einem Strahlweg befindet sich ein Dispersionskontrollelement, das zwei dielektrische Mehrschichtspiegel CM umfasst, an denen die Laserstrahlung mehrfach reflektiert wird. In dem anderen Strahlweg befindet sich ein Frequenzfilter F, das nur einen bestimmten spektralen Anteil der Laserstrahlung transmittiert. Mittels eines weiteren dichroischen Strahlteilers DM werden die beiden Strahlwege wieder vereinigt. Die Strahlung wird mittels eines weiteren gekrümmten Spiegels M2 in einen nichtlinearen Kristall C fokussiert. Durch Justage der Verzögerungsstrecke D und durch geeignete Dispersionskontrolle mittels der Mehrschichtspiegel CM wird erreicht, dass bestimmte spektrale Anteile der Laserstrahlung in dem Wechselwirkungszentrum, d.h. in dem nichtlinearen Kristall C zeitlich koinzidieren. Die in der 1 dargestellte, vorbekannte Laservorrichtung dient konkret dazu, spektrale Anteile der breitbandigen gepulsten Laserstrahlung, und zwar bei ca. 800 nm und ca. 2000 nm in dem nichtlinearen Kristall C zur Wechselwirkung zu bringen, so dass durch Differenzfrequenzerzeugung gepulste Laserstrahlung bei ca. 1550 nm erzeugt wird. Das Spektrum der so erzeugten Laserstrahlung bildet einen optischen Frequenzkamm, dessen CEO-Frequenz („Carrier Envelope Offset“) aufgrund der Differenzfrequenzerzeugung gleich Null ist.
  • Die in der 1 gezeigte Laservorrichtung weist Nachteile auf. Nachteilig ist zum einen die Komplexität des Aufbaus und insbesondere die Notwendigkeit, die zeitliche (und räumliche) Koinzidenz der Teilstrahlen in dem nichtlinearen Kristall durch Justage herzustellen. Dies führt zu Effizienzverlusten im laufenden Betrieb, da eine mechanische und thermische Drift des Aufbaus unvermeidbar ist. Der unterschiedliche Strahlengang der beiden Teilstrahlen ist weiter nachteilig, weil der Aufbau dadurch empfindlich auf mechanische Störungen (zum Beispiel durch akustische Schwingungen) reagiert. Dadurch entsteht unerwünschtes Phasenrauschen der erzeugten Laserstrahlung.
  • Die DE 101 96 893 B4 offenbart einen Lichtmodulator, in dem zur Verhinderung von Phasenstörungen ein dielektrischer Mehrschichtspiegel zum Einsatz kommt.
  • Die US 2011/0274135 A1 beschreibt ein breitbandig dispersionsfreies optisches Filter, dessen Funktion auf einem Paar unterschiedlich ausgebildeter dielektrischer Mehrschichtspiegel basiert.
  • Die US 2002/0163727 A1 offenbart einen doppelt gechirpten Spiegel, wie er oben bereits beschrieben wurde. Dieser ist zur Erzeugung einer negativen GD verwendbar.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Laservorrichtung bereitzustellen. Insbesondere soll deren Aufbau weniger komplex, weniger justageaufwendig und - vor allem - weniger empfindlich auf Umwelteinflüsse sein.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung durch einen dielektrischen Mehrschichtspiegel gemäß Anspruch 1, eine Laservorrichtung gemäß Anspruch 7 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 13.
  • Bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung ist der Mehrschichtspiegel in den beiden Wellenlängenbereich reflektiv ist, wobei die Reflexion des spektralen Anteils in dem zweiten Wellenlängenbereich gegenüber der Reflexion des spektralen Anteils in dem ersten Wellenlängenbereich zeitlich verzögert ist, so dass die spektralen Anteile der an dem Mehrschichtspiegel reflektierten Laserstrahlung in den beiden Wellenlängenbereichen in einem Wechselwirkungszentrum der Laservorrichtung zeitlich koinzidieren.
  • Gemäß der Erfindung werden also die beiden spektralen Anteile der Laserstrahlung nicht durch unterschiedliche optische Weglängen in verschiedenen Teilstrahlen im Wechselwirkungszentrum zur Koinzidenz gebracht. Stattdessen sind gemäß der Erfindung die spektralen Anteile der Laserstrahlung stets kollinear. Die Koinzidenz im Wechselwirkungszentrum wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein spektraler Anteil der Laserstrahlung gegenüber einem anderen spektralen Anteil in durch das Design des Spiegels festgelegter Art und Weise insgesamt zeitlich verzögert wird. Innerhalb der Wellenlängenbereiche ist diese zeitliche Verzögerung jeweils im Wesentlichen wellenlängenunabhängig und ist insofern von einer Gruppenlaufzeitverzögerung klar zu unterscheiden.
  • Die erfindungsgemäße Laservorrichtung kommt gegenüber dem Stand der Technik mit einer deutlich reduzierten Anzahl von optischen Komponenten aus.
  • Sie ist wesentlich weniger justageaufwendig und inhärent unempfindlich auf Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel akustische Schwingungen. Ein weiterer Vorteil ist, dass für die erfindungsgemäße Laservorrichtung gegenüber dem Stand der Technik weniger transmittive optische Komponenten benötigt werden, was der Qualität der erzeugten Laserpulse zugutekommt.
  • Vorteilhaft bewirkt das Design des Mehrschichtspiegels der erfindungsgemäßen Laservorrichtung nicht nur eine zeitliche Verzögerung des einen spektralen Anteils gegenüber dem anderen spektralen Anteil, sondern zusätzlich in jedem der beiden reflektierten Wellenlängenbereiche jeweils eine (positive oder negative) Gruppenlaufzeitverzögerung. Die Gruppenlaufzeitverzögerung, die der Mehrschichtspiegel der Laserstrahlung in dem ersten und/oder dem zweiten Wellenlängenbereich aufprägt, kann dabei in den jeweiligen Wellenlängenbereichen quantitativ unterschiedlich sein.
  • Dem erfindungsgemäß eingesetzten Mehrschichtspiegel kommt somit eine Doppelfunktion zu. Der Mehrschichtspiegel sorgt zum einen für die beschriebene zeitliche Verzögerung, die Voraussetzung für die zeitliche Koinzidenz der Strahlungsanteile der Laserstrahlung im Wechselwirkungszentrum ist. Zum anderen bewirkt der Mehrschichtspiegel eine Gruppenlaufzeitverschiebung zur Dispersionskompensation, und zwar unabhängig für jeden der reflektierten spektralen Anteile. Demgegenüber werden im Stand der Technik für die Dispersionskompensation und für die zeitliche Verzögerung separate optische Komponenten verwendet. Entsprechend ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Laservorrichtung deutlich einfacher und robuster.
  • Außerhalb derjenigen Wellenlängenbereiche, in denen der Mehrschichtspiegel reflektiv ist, reflektiert er etwaige weitere spektrale Anteile zweckmäßig nicht. In diesen anderen Wellenlängenbereichen ist er also transparent. Dies kann dafür genutzt werden, mittels des Mehrschichtspiegels unerwünschte spektrale Anteile herauszufiltern. In dieser Ausgestaltung kommt dem Mehrschichtspiegel also sogar eine Dreifachfunktion zu.
  • Bevorzugt befindet sich, wie im Stand der Technik, in dem Wechselwirkungszentrum ein nichtlineares optisches Element, insbesondere ein Frequenzkonversionselement oder auch ein Summen- oder Differenzfrequenzerzeugungselement, z.B. in Form eines entsprechenden nichtlinearen Kristalls.
  • Das Spektrum der Laserstrahlung kann einen optischen Frequenzkamm bilden, wobei jeder der wenigstens zwei Wellenlängenbereiche einer anderen Kammlinie oder einer anderen Gruppe von Kammlinien des Frequenzkamms zugeordnet ist. Dementsprechend kann, wie im Stand der Technik, das nichtlineare optische Element, das sich im Wechselwirkungszentrum der Laservorrichtung befindet, im Wege einer Differenzfrequenzerzeugung die an dem Mehrschichtspiegel reflektierten Laserpulse in Laserpulse in einem dritten Wellenlängenbereich konvertieren, wobei das Spektrum der Laserpulse in dem dritten Wellenlängenbereich einen optischen Frequenzkamm bildet, dessen CEO-Frequenz gleich Null ist. Die erfindungsgemäße Laservorrichtung bietet somit die Möglichkeit, in besonders einfacher und robuster Art und Weise einen hinsichtlich der CEO-Frequenz stabilen Frequenzkamm zu erzeugen. Zur Stabilisierung des Frequenzkamms bleibt es nur erforderlich, die Repetitionsfrequenz der Laserstrahlungsquelle in an sich bekannter Art und Weise (zum Beispiel mittels eines Hochfrequenznormals) zu stabilisieren.
  • Der erfindungsgemäße dielektrische Mehrschichtspiegel erfüllt die oben beschriebene Doppelfunktion (oder Dreifachfunktion) innerhalb der erfindungsgemäßen Laservorrichtung. Hierzu weist der Mehrschichtspiegel wenigstens zwei Gruppen von Schichtenfolgen auf, nämlich eine erste Schichtengruppe und eine zweite Schichtengruppe, wobei die erste Schichtengruppe einen auf einen ersten Wellenlängenbereich abgestimmten ersten Bragg-Spiegel bildet und die zweite Schichtengruppe einen auf einen von dem ersten Wellenlängenbereich verschiedenen zweiten Wellenlängenbereich abgestimmten zweiten Bragg-Spiegel bildet, wobei die beiden Schichtengruppen in unterschiedlichem Abstand von der Vorderfläche des Mehrschichtspiegels angeordnet sind, wobei die beiden Schichtengruppen in Richtung senkrecht zur Vorderfläche des Mehrschichtspiegels durch eine transparente Abstandsschicht voneinander beabstandet sind. Die Abstandsschicht ist um ein Mehrfaches dicker als die Abstände der Schichten innerhalb der Schichtengruppen. Bei praktischen Ausgestaltungen unterscheiden sich die Schichtenabstände innerhalb der ersten Gruppe deutlich von den Schichtenabständen innerhalb der zweiten Gruppe, weil die Wellenlängen des ersten Wellenlängenbereichs von den Wellenlängen des zweiten Wellenlängenbereichs entsprechend deutlich (d.h. um mehr als 100 nm, meist um mehrere 100 nm, in möglichen Ausgestaltungen sogar um mehr als 1000 nm) voneinander abweichen können. Die Dicke der Abstandsschicht ist ihrerseits unabhängig von den Schichtenabständen innerhalb der ersten und zweiten Schichtengruppen und unterscheidet sich entsprechend von diesen.
  • Bei diesem Design des Mehrschichtspiegels werden der spektrale Anteil der Laserstrahlung in dem ersten Wellenlängenbereich an dem ersten Bragg-Spiegel und der spektrale Anteil in dem zweiten Wellenlängenbereich an dem zweiten Bragg-Spiegel reflektiert. Da sich die beiden Bragg-Spiegel jeweils in einem anderen Abstand von der Vorderfläche des Mehrschichtspiegels befinden, entsteht die gewünschte zeitliche Verzögerung zwischen den beiden spektralen Anteilen. Der Wert der zeitlichen Verzögerung ist durch die Dicke der Schichtengruppen und, insbesondere, durch die Dicke der transparenten Abstandsschicht bestimmt. Durch Vorgabe der Dicken der Schichten kann somit das Design des Spiegels für die gewünschte Anwendung ausgelegt werden.
  • Wie bei dielektrischen Mehrschichtspiegeln üblich, umfassen die Schichtenfolgen der Schichtengruppen jeweils eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden Schichtenpaaren, wobei jedes Schichtenpaar zwei sich hinsichtlich des Brechungsindex unterscheidende, transparente Schichten aufweist. Bewährt hat sich eine Ausgestaltung mit abwechselnden Schichten aus SiO2 und TiO2.
  • Zweckmäßig variiert der Abstand der Schichten voneinander innerhalb mindestens einer der Schichtengruppen in Richtung senkrecht zur Vorderfläche des Mehrschichtspiegels. Dies entspricht dem Design herkömmlicher „gechirpter“ Spiegel, um die gewünschte Dispersionskompensation zu erzielen.
  • Weiter bevorzugt variiert auch das Dickenverhältnis der Schichten von Schichtenpaar zu Schichtenpaar innerhalb mindestens einer der Schichtengruppen in Richtung senkrecht zur Vorderfläche des Mehrschichtspiegels. Diese Variation des Füllfaktors bewirkt eine Impedanzanpassung der verschiedenen Schichten.
  • Zusätzlich ist der Mehrschichtspiegel zweckmäßig an seiner Vorderfläche an das Umgebungsmedium (z.B. Luft) impedanzangepasst, um Reflektionen an der Vorderfläche zu vermeiden.
  • Insgesamt kann das Design des erfindungsgemäßen dielektrischen Mehrschichtspiegels als dreifach gechirpt bezeichnet werden. Dies bezieht sich auf die Variation des Schichtenabstands, d.h. der Bragg-Wellenlänge innerhalb jedes der Bragg-Spiegel zur Dispersionskompensation. Zusätzlich variiert der Füllfaktor innerhalb jeder Schichtengruppe, und zwar unabhängig zur Vorder- und zur Rückseite des jeweiligen Bragg-Spiegels hin, um die gewünschte adiabatische Impedanzanpassung zu realisieren. Die Impedanzanpassung ist vorteilhaft für die Funktion des Mehrschichtspiegels insgesamt, da durch sie die Reflektivität und die Gruppengeschwindigkeitsdispersion des jeweiligen Bragg-Spiegels außerhalb des Wellenlängenbereiches, auf den der Bragg-Spiegel abgestimmt ist, reduziert wird. Dies ist insbesondere von Bedeutung für die erfindungsgemäße Kombination mehrerer Bragg-Spiegel in einem einzigen dielektrischen Mehrschichtspiegel.
  • Schließlich betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung, mit den Verfahrensschritten
    • - Erzeugung von gepulster Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung spektrale Anteile in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen - einem ersten und einem zweiten Wellenlängenbereich - aufweist, und
    • - Dispersionskompensation, wobei die Laserstrahlung ein- oder mehrfach an wenigstens einem gemäß der Erfindung ausgestalteten dielektrischen Mehrschichtspiegel (MCM) reflektiert wird. Erfindungsgemäß ist die Reflexion des spektralen Anteils in dem zweiten Wellenlängenbereich gegenüber der Reflexion des spektralen Anteils in dem ersten Wellenlängenbereich zeitlich verzögert, so dass die spektralen Anteile der reflektierten Laserstrahlung in den beiden Wellenlängenbereichen in einem Wechselwirkungszentrum zeitlich koinzidieren.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1: schematische Darstellung einer Laservorrichtung nach dem Stand der Technik;
    • 2: schematische Darstellungen von erfindungsgemäßen Laservorrichtungen;
    • 3: Spektrum und Pulsformen von Laserpulsen der Laserstrahlungsquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • 4: Laserpulse nach Reflexion an dem Mehrschichtspiegel bzw. im Wechselwirkungszentrum der erfindungsgemäßen Laservorrichtung;
    • 5: wellenlängenabhängige Reflektivität und Gruppenlaufzeitverzögerung des erfindungsgemäßen Mehrschichtspiegels (Simulationsrechnung);
    • 6: schematische Darstellung des Aufbaus des erfindungsgemäßen Mehrschichtspiegels.
  • Die in der 2a schematisch dargestellte Laservorrichtung weist als Laserstrahlungsquelle einen Erbium-Faserlaser auf, der gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer im Femtosekundenbereich emittiert. Das Spektrum der gepulsten Laserstrahlung wird in einer hoch nichtlinearen Faser HNF durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert. Die aus der Faser HNF austretende Strahlung wird an einen gekrümmten Spiegel M1 reflektiert. Die Laservorrichtung weist ein Dispersionskontrollelement auf, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem dielektrischen Mehrschichtspiegel MCM besteht, an dem die Laserstrahlung mehrfach reflektiert wird. Die Laserstrahlung aus der Laserstrahlungsquelle weist (u.a.) zwei spektrale Anteile auf, und zwar in einem ersten Wellenlängenbereich bei ca. 800-900 nm und in einem zweiten Wellenlängenbereich bei ca. 1700-2200 nm. Der dielektrische Mehrschichtspiegel MCM des Dispersionskontrollelementes ist in diesen beiden Wellenlängenbereichen reflektiv. Außerhalb dieser beiden Wellenlängenbereiche ist der dielektrische Mehrschichtspiegel MCM im Wesentlichen transparent. Das bedeutet, dass störende Anteile der Laserstrahlung, zum Beispiel bei ca. 1500 nm in der an dem dielektrischen Mehrschichtspiegel MCM reflektieren Laserstrahlung herausgefiltert sind. Außerdem ist erfindungsgemäß die Reflexion des langwelligen spektralen Anteils, d.h. im zweiten Wellenlängenbereich, gegenüber dem kurzwelligen spektralen Anteil, d.h. im ersten Wellenlängenbereich, zeitlich verzögert. Die so an dem dielektrischen Mehrschichtspiegel MCM reflektierte Laserstrahlung wird dann mittels eines zweiten gekrümmten Spiegels M2 in einen nichtlinearen Kristall C fokussiert. Die durch den dielektrischen Mehrschichtspiegel MCM bewirkte zeitliche Verzögerung des langwelligen spektralen Anteils hat zur Folge, dass die beiden spektralen Anteile im Fokus, das heißt in dem im Wechselwirkungszentrum der Laservorrichtung befindlichen nichtlinearen Kristall C zeitlich (und räumlich) koinzidieren. Gleichzeitig prägt der Mehrschichtspiegel MCM der Laserstrahlung in jedem der beiden Wellenlängenbereiche jeweils gezielt eine Gruppenlaufzeitverzögerung auf, so dass die Dispersion des Systems insgesamt (und für beide Wellenlängenbereiche unabhängig) in der Weise kompensiert wird, dass die Pulslänge der Laserstrahlung in beiden Wellenlängenbereichen im Fokus innerhalb des nichtlinearen Kristalls C minimal, d.h. möglichst bandbreitenbegrenzt ist. Dabei erfolgt die Dispersionskompensation in der Weise, dass bei der Reflexion an dem dielektrischen Mehrschichtspiegel MCM die in dem nichtlinearen Kristall C auftretende Gruppenlaufzeitdispersion vorkompensiert wird.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel wird durch nichtlineare Differenzfrequenzerzeugung in dem Kristall C gepulste Laserstrahlung in einem dritten Wellenlängenbereich erzeugt, in dem die Wellenlänge der Differenzfrequenz der beiden spektralen Anteile bei 800-900 nm bzw. 1700-2200 nm entspricht. Die so entsprechend bei ca. 1500 nm erzeugte Laserstrahlung verlässt die Laseranordnung durch eine Linse L. Das Spektrum der Laserpulse in dem dritten Wellenlängenbereich bildet einen optischen Frequenzkamm bei ca. 1500 nm, wobei die CEO-Frequenz des Frequenzkamms aufgrund der Differenzfrequenzerzeugung exakt gleich Null ist. Der im Spektrum der Laserstrahlung nach Austritt aus der nichtlinearen Faser HNF ursprünglich enthaltene (mit einer nicht stabilisierten CEO-Frequenz behaftete) spektrale Anteil bei ca. 1500 nm wird, wie zuvor beschrieben, durch den in diesem Wellenlängenbereich nicht reflektiven dielektrischen Mehrschichtspiegel MCM herausgefiltert, so dass dieser spektrale Anteil in der die Laservorrichtung verlassenden Strahlung nicht stört.
  • In entsprechender Weise kann der dargestellte Aufbau auch zum Zwecke der Summenfrequenzerzeugung mit Vorteil Anwendung finden.
  • Bei dem in 2b dargestellten Ausführungsbeispiel wird die aus der hoch nichtlinearen Faser HNF austretende Strahlung an einem gekrümmten Spiegel M1 und dann an dem Mehrschichtspiegel MCM reflektiert. An einem Planspiegel wird die Laserstrahlung zurück reflektiert, sodass eine nochmalige Reflexion an dem dielektrischen Mehrschichtspiegel MCM und dem gekrümmten Spiegel M1 erfolgt. Im Fokus des Spiegels M1 befindet sich der nichtlineare Kristall C. Die Funktion stimmt im Übrigen mit dem in 2a dargestellten Ausführungsbeispiel überein.
  • Bei den in den 2a und 2b dargestellten Laservorrichtungen gemäß der Erfindung wird der raumzeitliche Überlapp der verschiedenen spektralen Anteile im Wechselwirkungszentrum, d.h. in dem nichtlinearen Kristall C intrinsisch aufgrund der Funktion des dielektrischen Mehrschichtspiegels MCM sichergestellt. Eine gegenüber Umwelteinflüssen (mechanische Störungen, thermische Drift usw.) anfällige Justage, die bei der in der 1 dargestellten Laservorrichtung erforderlich ist, entfällt. Weiterhin ist in den 2a und 2b zu erkennen, dass die spektralen Anteile der Laserstrahlung komplett kollinear verlaufen, anders als bei der in 1 gezeigten Vorrichtung, was die erfindungsgemäße Laservorrichtung äußerst robust gegenüber Umgebungseinflüssen (z.B. akustische Schwingungen) macht. Entsprechend gering ist das durch den Aufbau der Laserstrahlung zusätzlich aufgeprägte Phasenrauschen der erzeugten Laserstrahlung. Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Zahl der benötigten optischen Komponenten gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert ist. Die einzigen transmittiven optischen Komponenten sind der nichtlineare Kristall C sowie die Linse L. Dadurch ist die Gesamtdispersion des Systems minimal, wovon die Qualität der erzeugten Laserpulse profitiert.
  • Die 3a zeigt beispielhaft ein Spektrum der Laserstrahlung am Ausgang des Erbium-Faserlasers. Das Spektrum erstreckt sich im Wesentlichen kontinuierlich von ca. 800 nm bis 2200 nm. Die dominanten spektralen Anteile im Bereich zwischen 800 und 900 nm (erster Wellenlängenbereich W1) und 1700-2200 nm (zweiter Wellenlängenbereich W2) sind in 3a zu erkennen. Zu erkennen ist außerdem ein breites Kontinuum zwischen den ersten und zweiten Wellenlängenbereichen W1, W2, d.h. zwischen 900 und 1700 nm.
  • Die 3b zeigt den zeitlichen Verlauf der Lichtpulse am Ausgang der hoch nichtlinearen Faser HNF bei den in der 2 dargestellten Ausführungsbeispielen. Zu erkennen ist, dass der Laserpuls im ersten Wellenlängenbereich W1 dem Laserpuls im zweiten Wellenlängenbereich W2 zeitlich nachläuft. D.h. am Ausgang der hoch nichtlinearen Faser HNF koinzidieren die spektralen Anteile in den verschiedenen Wellenlängenbereichen nicht.
  • Die 4a zeigt den zeitlichen Verlauf der Laserpulse am Ausgang des Dispersionskontrollelementes, d.h. nach zweifacher Reflexion an dem Mehrschichtspiegel MCM gemäß den 2a und 2b. Durch Vergleich mit der 3b ist zu erkennen, dass der langwellige Lichtpuls W2 gegenüber dem kurzwelligen Lichtpuls W1 um ca. 150 Femtosekunden nach der Reflexion an dem Mehrschichtspiegel MCM zeitlich verzögert ist. Dadurch wird die Dispersion in der Weise kompensiert, dass die beiden spektralen Anteile W1 und W2 der Lichtpulse im Wechselwirkungszentrum, d.h. im Fokus innerhalb des nichtlinearen Kristalls C zeitlich koinzidieren, wie die 4b zeigt. Gleichzeitig sind beide spektralen Anteile im Fokus innerhalb des nichtlinearen Kristalls C nahezu bandbreitenbegrenzt kurz, und erreichen somit eine hohe Spitzenleistung, wie ebenfalls in 4b zu sehen ist.
  • Die 5a zeigt das Reflexionsspektrum des erfindungsgemäß eingesetzten dielektrischen Mehrschichtspiegels MCM (Simulationsrechnung). Zu erkennen ist, dass der Mehrschichtspiegel MCM eine minimale Transmission, d.h. eine maximale Reflexion R im Bereich zwischen 800 und 900 nm und im Bereich zwischen 1700 bis über 2200 nm aufweist. Im Bereich zwischen ca. 1450 und 1650 nm ist die Reflexion nahezu 0 %, d.h. in diesem Spektralbereich reflektiert der dielektrische Mehrschichtspiegel MCM so gut wie nicht. Dies wird, wie oben beschrieben, dazu ausgenutzt, in diesem Spektralbereich in der Laserstrahlung enthaltene, störende Anteile herauszufiltern.
  • 5b zeigt das Spektrum der durch den erfindungsgemäßen dielektrischen Mehrschichtspiegel MCM aufgeprägten Gruppenlaufzeitverzögerung. Im Bereich zwischen 800 und 900 nm, d.h. im ersten Wellenlängenbereich, liegt der Chirp bei etwa +0,3 fs/nm.
  • Die 6 illustriert schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen dielektrischen Mehrschichtspiegels. Die 6 zeigt eine Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene senkrecht zur Vorderfläche VF des Spiegels verläuft. Der Spiegel umfasst zwei Gruppen von Schichtenfolgen, nämlich eine erste Schichtengruppe 61 und eine zweite Schichtengruppe 62. Die Schichtengruppen weisen jeweils eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden Schichtenpaaren auf, wobei jedes Schichtenpaar zwei sich hinsichtlich des Brechungsindex unterscheidende, transparente Schichten aufweist. Dies wird in der Praxis durch abwechselnde Schichten z.B. aus SiO2 und TiO2 erzielt. Die TiO2-Schichten sind in 6 dunkel dargestellt. Die SiO2-Schichten sind schraffiert. Die erste Schichtengruppe 61 bildet einen auf den ersten Wellenlängenbereich abgestimmten ersten Bragg-Spiegel. Die zweite Schichtengruppe 62 bildet einen auf den zweiten Wellenlängenbereich abgestimmten Bragg-Spiegel. Wie in der 6 zu erkennen ist, sind die beiden Schichtengruppen 61, 62 in unterschiedlichem Abstand von der Vorderfläche VF des Mehrschichtspiegels angeordnet. Die beiden Schichtengruppen 61, 62 sind in Richtung senkrecht zur Vorderfläche des Mehrschichtspiegels durch eine transparente Abstandsschicht 63 voneinander getrennt. Schematisch gezeigt ist die Reflexion des spektralen Anteils im ersten Wellenlängenbereich W1 an der Schichtengruppe 61 und die Reflexion des spektralen Anteils im zweiten Wellenlängenbereich W2 an der tiefer im Mehrschichtspiegel liegenden Schichtengruppe 62. Dadurch wird erfindungsgemäß die zeitliche Verzögerung der Reflexion im zweiten Wellenlängenbereich W2 gegenüber der Reflexion im ersten Wellenlängenbereich W1 erreicht. Durch Vorgabe der Dicke der Abstandsschicht 63 kann die zeitliche Verzögerung quantitativ eingestellt werden. In der 6 ist weiterhin angedeutet, dass der Abstand der Schichten voneinander innerhalb beider Schichtengruppen 61, 62 in Richtung senkrecht zur Vorderfläche VF des Mehrschichtspiegels variiert. Insofern korrespondiert das Design jeder der Schichtengruppen 61, 62 für sich genommen zu dem Design herkömmlicher gechirpter Spiegel, wodurch der reflektierten Strahlung eine Gruppenlaufzeitverzögerung zum Zwecke der Dispersionskompensation aufgeprägt wird. Nicht dargestellt ist in der 6, dass außerdem die Dicke der Schichten innerhalb beider Schichtengruppen 61, 62 (d.h. der Füllfaktor) zur Vorder- und zur Rückseite jeder Schichtengruppe 61, 62 hin variiert, um so eine adiabatische Impedanzanpassung zwischen den Schichten zu erzielen. An der Vorderfläche VF weist der Mehrschichtspiegel eine Antireflexbeschichtung AR auf. Die Dicke der sich rückseitig anschließenden Substratschicht 64 ist für die Funktion des Mehrschichtspiegels unerheblich. Allerdings sollten Reflexionen des zu transmittierenden Lichtes von der Rückseite des Substrates her auf geeignete Weise unterdrückt werden, z.B. durch eine Keilform des Substrates, bei der die Vorderfläche und die rückseitige Oberfläche des Substrates nicht parallel verlaufen, durch Aufrauen der Substratrückseite oder durch eine geeignete Antireflexbeschichtung.

Claims (13)

  1. Dielektrischer Mehrschichtspiegel aufweisend wenigstens zwei Gruppen von Schichtenfolgen, nämlich eine erste Schichtengruppe (61) und eine zweite Schichtengruppe (62), wobei die erste Schichtengruppe (61) einen auf einen ersten Wellenlängenbereich (W1) abgestimmten ersten Bragg-Spiegel bildet und die zweite Schichtengruppe (62) einen auf einen von dem ersten Wellenlängenbereich (W1) verschiedenen zweiten Wellenlängenbereich (W2) abgestimmten zweiten Bragg-Spiegel bildet, wobei die beiden Schichtengruppen (61, 62) in unterschiedlichem Abstand von der Vorderfläche (VF) des Mehrschichtspiegels (MCM) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichtengruppen (61, 62) in Richtung senkrecht zur Vorderfläche (VF) des Mehrschichtspiegels (MCM) durch eine transparente Abstandsschicht (63) voneinander getrennt sind, wobei die Abstandsschicht (63) um ein Mehrfaches dicker ist als die Abstände der Schichten innerhalb der Schichtengruppen.
  2. Dielektrischer Mehrschichtspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtengruppen (61, 62) jeweils eine Mehrzahl von aneinander angrenzenden Schichtenpaaren umfassen, wobei jedes Schichtenpaar zwei sich hinsichtlich des Brechungsindex unterscheidende, transparente Schichten aufweist.
  3. Dielektrischer Mehrschichtspiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Schichten voneinander innerhalb wenigstens einer der Schichtengruppen (61, 62) in Richtung senkrecht zur Vorderfläche (VF) des Mehrschichtspiegels (MCM) variiert.
  4. Dielektrischer Mehrschichtspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllfaktor innerhalb wenigstens einer der Schichtengruppen (61, 62) in Richtung senkrecht zur Vorderfläche (VF) des Mehrschichtspiegels (MCM) variiert.
  5. Dielektrischer Mehrschichtspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrschichtspiegel an seiner Vorderfläche an das Umgebungsmedium impedanzangepasst ist.
  6. Dielektrischer Mehrschichtspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er in wenigstens einem weiteren, von den ersten und zweiten Wellenlängenbereichen (W1, W2) verschiedenen Wellenlängenbereich transparent ist.
  7. Laservorrichtung mit einer Laserstrahlungsquelle, die gepulste Laserstrahlung erzeugt, wobei die Laserstrahlung spektrale Anteile in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen - einem ersten und einem zweiten Wellenlängenbereich (W1, W2) - aufweist, und einem Dispersionskontrollelement, das wenigstens einen dielektrischen Mehrschichtspiegel (MCM) umfasst, wobei die Laserstrahlung an dem Mehrschichtspiegel (MCM) einmal oder mehrmals reflektiert wird, wobei der Mehrschichtspiegel (MCM) in den beiden Wellenlängenbereich (W1, W2) reflektiv ist, wobei die Reflexion des spektralen Anteils in dem zweiten Wellenlängenbereich (W2) gegenüber der Reflexion des spektralen Anteils in dem ersten Wellenlängenbereich (W1) zeitlich verzögert ist, so dass die spektralen Anteile der an dem Mehrschichtspiegel (MCM) reflektierten Laserstrahlung in den beiden Wellenlängenbereichen (W1, W2) in einem Wechselwirkungszentrum der Laservorrichtung zeitlich koinzidieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrschichtspiegel (MCM) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
  8. Laservorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrschichtspiegel (MCM) der Laserstrahlung in dem ersten und/oder zweiten Wellenlängenbereich jeweils eine Gruppenlaufzeitverzögerung aufprägt.
  9. Laservorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein in dem Wechselwirkungszentrum befindliches nichtlineares optisches Element (C), insbesondere Frequenzkonversionselement oder Summen- oder Differenzfrequenzerzeugungselement.
  10. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum der Laserstrahlung einen optischen Frequenzkamm bildet, wobei jeder der wenigstens zwei Wellenlängenbereiche (W1, W2) einer anderen Kammlinie oder einer anderen Gruppe von Kammlinien des Frequenzkamms zugeordnet ist.
  11. Laservorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare optische Element (C) im Wege einer Differenzfrequenzerzeugung die an dem Mehrschichtspiegel (MCM) reflektierten Laserpulse in Laserpulse in einem dritten Wellenlängenbereich konvertiert.
  12. Laservorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum der Laserpulse in dem dritten Wellenlängenbereich einen optischen Frequenzkamm bildet, dessen CEO-Frequenz gleich Null ist.
  13. Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung, mit den Verfahrensschritten - Erzeugung von gepulster Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung spektrale Anteile in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen - einem ersten und einem zweiten Wellenlängenbereich (W1, W2) - aufweist, und - Dispersionskompensation, wobei die Laserstrahlung ein- oder mehrfach an wenigstens einem dielektrischen Mehrschichtspiegel (MCM) reflektiert wird, der nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion des spektralen Anteils in dem zweiten Wellenlängenbereich (W2) gegenüber der Reflexion des spektralen Anteils in dem ersten Wellenlängenbereich (W1) zeitlich verzögert ist, so dass die spektralen Anteile der reflektierten Laserstrahlung in den beiden Wellenlängenbereichen (W1, W2) in einem Wechselwirkungszentrum zeitlich koinzidieren.
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