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Die Erfindung betrifft eine Ultrakurzpulspumpquelle mit mindestens einer Seedpulsquelle zur Erzeugung eines Seedpulslaserstrahls, wenigstens einem Laserverstärkungsmedium zur Verstärkung des Seedpulslaserstrahls, sowie einer Strahlführungsoptik zur Führung des Seedpulslaserstrahls über das Laserverstärkungsmedium.
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Solche Ultrakurzpulspumpquellen sind beispielsweise als regenerative Verstärker bekannt, wobei der Seedpulslaserstrahl in einen optischen Resonator mithilfe eines optischen Schalters eingekoppelt und mit demselben optischen Schalter nach mehreren Umläufen in dem optischen Resonator wieder ausgekoppelt wird. Das Laserverstärkermedium ist dabei im optischen Resonator angeordnet, so dass mehrer Übergänge vom Seedpulslaserstrahl durch das Laserverstärkermedium realisiert werden können.
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Die verstärkten Laserpulse können dann als Pumppulse für eine odere mehrere OPCPA Verstärkerstufen dienen. Eine solche Ultrakurzpulspumpquelle ist üblicherweise optimiert für eine bestimmte Pulsform mit bestimmter Pulslänge, Bandbreite und Pulsenergie. Da hintereinander angeordnete OPCPA Verstärkerstufen günstigerweise mithilfe von Laserpulsen gepumpt werden, die unterschiedliche Energie und Pulsdauer haben, wird für jede einzelne OPCPA Verstärkerstufe üblicherweise eine eigene für den jeweils Pumplaserpuls optimierte Ultrakurzpulspumpquelle benötigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultrakurzpulspumpquelle bereitzustellen, die mehrere Pumppulse mit unterschiedlichen Pumppulsparametern aus nur einer einzigen Ultrakurzpulspumpquelle bereitstellt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Ultrakurzpulspumpquelle nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Ultrakurzpulspumpquelle wenigstens eine zweite Seedpulsquelle zur Erzeugung eines zum ersten Seedpulslaserstrahls synchronen zweiten Seedpulslaserstrahls, und ferner einen Strahlkombinierer zur räumlichen Überlagerung des ersten und zweiten Seedpulslaserstrahls im Laserverstärkungsmedium umfasst.
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Durch diese Anordnung können mehrere Seedpulse mit nur einem Laserverstärkungsmedium verstärkt werden.
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Mit „zum ersten Seedpulslaserstrahl synchronen zweiten Seedpulslaserstrahl“ ist gemeint, dass die einzelnen Laserpulse des ersten Seedpulslaserstrahls zeitlich synchron zu den einzelnen Laserpulsen des zweiten Seedpulslaserstrahls sind, also der zeitliche Abstand zwischen beliebigen Laserpulspaaren aus erstem und zweitem Seedpulslaserstrahl im Wesentlichen konstant bleibt.
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Die Synchronisierung kann z.B. dadurch erfolgen, dass ein Seedlaser als gemeinsame Seedpulslaserquelle dient und die erste und zweite Seedpulslaserquelle durch einen im Ausgangsstrahl des Seedlasers angeordneten Strahlteiler realisiert ist, so dass der Ausgangsstrahl durch den Strahlteiler in einen ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl aufteilt wird. Je nach Ausbildung des Strahlteilers kann das Verhältnis der jeweils in dem so entstehenden ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl propagierenden Seedpulslaserleistung eingestellt werden. Dabei wird als gemeinsamer Seedlaser ein gepulster Laser mit einer bestimmten Repetitionsrate verwendet, so dass der zeitliche Abstand der vom Seedlaser erzeugten Seedlaserpulse im Wesentlichen konstant ist.
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Als Strahlteiler ist ein diellektrischer Spiegel denkbar.
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Besonders günstig ist es, wenn das Pulsenergieverhältnis der in ersten und zweitem Seedpulslaserstrahl propagierenden Laserpulse einstellbar ist.
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Dies ist beispielsweise möglich, wenn als gemeinsamer Seedlaser ein Seedlaser mit polarisiertem Ausgangsstrahl in Kombination mit einem entsprechend zur Polarisation des Ausgangsstrahl gedrehtem Polarisator verwendet wird. Die relative Drehung zwischen Ausgangsstrahl und Polarisator kann mithilfe eines Verzögerungsplättchens vor dem Polarisator beliebig eingestellt werden. Je nach Einstellung des Verzögerungsplättchens ändert sich dann das Pulsenergieverhältnis der im ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl propagierenden Laserpulse.
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Andererseits ist auch ein Abschwächer bzw. teilweiser Absorber im Seedpulslaserstrahl der ersten und/oder zweiten Seedpulslaserquelle denkbar.
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Eine Synchronisierung der einzelnen Laserpulse im ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl ist auch durch Erzeugung der beiden Seedpulslaserstrahlen mithilfe eines optischen Schalters mit wenigstens zwei Schaltzuständen denkbar. In diesem Fall dient ein Seedlaser wiederum als gemeinsame Seedpulslaserquelle, wobei die erste und zweite Seedpulslaserquelle mit Ihren ersten und zweiten Seedpulslaserstrahlen über den optischen Schalter realisiert wird. Der Ausgangsstrahl des Seedlasers wird dabei in Abhängigkeit der Schalterzustände in die jeweils räumlich separat verlaufenden Seedpulslaserstrahlen überführt. Wird der optische Schalter nun so angesteuert, dass einzelne Pulse oder Pulspakete abwechselnd in die unterschiedlichen Seedpulslaserstrahlen überführt werden, so können diese als jeweils separate Seedpulslaserquelle verwendet werden. Ein solcher optischer Schalter kann beispielsweise als AOM (Acousto Optical Modulator) oder als Pockelszelle mit Polarisator ausgebildet sein, wobei je nach Schalterzustand einzelne vom Seedlaser emittierten Pulse entlang der unterschiedlichen Seedpulslaserstrahlen geführt werden.
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Besonders günstig ist es, wenn die erste und/oder zweite Seedpulslaserquelle einen Pulsformer umfasst.
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Ein solcher Pulsformer kann die im ersten und/ oder zweiten Seedpulslaserstrahl propagierenden Laserpulse sowohl spektral als auch zeitlich verändern.
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Als spektraler Pulsformer ist z.B. ein Stretcher und/oder Kompressor (z.B. realisiert mithilfe von Gittern, Prismen, Transmission durch dispersives Material, GTI Spiegeln, etc) denkbar. Auch ein sogenannter Pulsshaper mit Flüssigkristallen oder anderen einstellbaren Verzögerungselementen ist denkbar.
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So kann die Pulslänge der in den beiden Seepulslaserstrahlen propagierenden Pulsen beliebig eingestellt werden. Insbesondere können so zwei von Ihren Parametern unterschiedliche Seedpulse erzeugt werden.
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Der Strahlkombinierer kann so ausgebildet sein, dass der erste und zweite Seedpulslaserstrahl hinter dem Strahlkombinierer kolinear überlagert wird und so eine räumliche Überlagerung zwischen erstem und zweiten Seedpulslaserstrahl nicht nur im Laserverstärkungsmedium, sondern im weiteren Strahlverlauf des ersten und zweiten Seedpulslaserstrahls hinter dem Strahlkombinierer realisiert wird.
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Ein solcher Strahlkombinierer kann beispielsweise derart realisiert sein, dass bei unterschiedlicher Polarisation der beiden Seedpulslaserstrahlen ein Polarisator zur Überlagerung der zwei Seedpulslaserstrahlen als Strahlkombinierer dient.
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Dabei wird der Polarisator mit einem Eingang für einen unpolarisierten bzw. zur Ausrichtung des Polarisators linear gedrehtem Eingangsstrahl und zwei Ausgängen für jeweils senkrecht zueinander linear polarisierten Ausgangsstrahlen umgekehrt betrieben, indem die beiden Seedpulslaserstrahlen als Eingangstrahlen mit unterschiedlicher, vorzugsweise senkrechter Polarisation in dem dann einen Ausgangsstrahl zusammengeführt werden.
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Um den so überlagerten Seedpulslaserstrahl in einen Laserstrahl mit linearer Polarisation zu überführen, umfasst die Ultrakurzpulsquelle zweckmäßigerweise einen weiteren Polarisator, der relativ zu dem als Strahlkombinierer dienenden Polarisator gedreht ist. Eine solche Drehung kann wiederum über ein die Polarisation des Seedpulslaserstrahls drehenden Elements (z.B. l/2 Plättchen) erfolgen.
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Die bei einer solchen Umsetzung in Kauf genommenen Leistungsverluste in den beiden Seedpulslaserstrahlen können durch die Verstärkung im Laserverstärkungsmedium ausgeglichen werden.
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Um die in einen einzelnen Seedpulslaserstrahl überführten Seedpulse nach der kolinearen Überlagerung von erstem und zweiten Seedpulslaserstrahl und der darauffolgenden Verstärkung im Laserverstärkungsmedium wieder zu trennen, umfasst die Ultrakurzpulspumpquelle zweckmäßigerweise einen Pulspicker zur räumlichen Trennung von verstärkten Laserpulsen aus dem ersten und zweiten über das Laserverstärkungsmedium geführten Seedpulslaserstrahl.
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Als Pulspicker ist ein optisches Schaltelement denkbar, dass ebenso wie es zuvor im Rahmen der Beschreibung des Strahlkombinierers beschrieben wurde mithilfe eines AOM oder einer Pockelszelle umgesetzt sein kann. Im Gegensatz zur Ausbildung als Strahlkombinierer wird das optische Schaltelement hier entsprechend andersherum betrieben.
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Günstig ist es in diesem Fall, dass die Ultrakurzpulsquelle ferner noch eine Delaystrecke im ersten oder zweiten Seedpulslaserstrahl umfasst, um den zeitlichen Versatz zwischen aufeinanderfolgender Pulse aus dem ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl einzustellen. Dabei ist die Länge der Delaystrecke so gewählt, dass der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Pulse aus der ersten und zweiten Seedpulslaserquelle bei Erreichen des Pulspickers größer oder genau gleich wie die Schaltzeit des Pulspickers ist.
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Die Delaystrecke ist dabei zweckmäßigerweise vor dem Strahlkombinierer angeordnet.
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Mithilfe des Pulspickers kann gewährleistet werden, dass die in einem gemeinsamen Seedpulslaserstrahl kombinierten über das Laserverstärkungsmedium geführten Seedpulse aus der ersten und zweiten Seedpulslaserquelle nach dem Laserverstärkungsmedium wieder räumlich getrennt werden können.
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Um eine hohe Verstärkung bei guter Strahlqualität zu bekommen, ist es besonders zweckmäßig, wenn die Strahlführungsoptik als optischer Resonator ausgebildet ist, mit einem optischem Schaltelement zur Ein- und Auskopplung der Laserpulse in den Resonator.
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Der optische Resonator kann dabei als regenerativer Verstärker aufgebaut werden, wobei als optisches Schaltelement eine Pockelszelle verwendet wird.
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In diesem Fall ist es günstig, wenn die Delaystrecke eine Länge aufweist, so dass der zeitliche Abstand von zwei über das Verstärkermedium aufeinanderfolgend laufender Pulse aus dem ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl kleiner als die Umlaufzeit der Pulse im Resonator ist.
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Ferner ist es dann zweckmäßig, wenn der Pulspicker die gleiche Repetitionsrate aufweist, wie das optische Schaltelement zum Ein- und Auskoppeln von Pulsen aus dem Resonator.
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In einer günstigen Variante der Ultrakurzpulspumpquelle ist der Resonator als Ringresonator ausgebildet. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Strahlführungsoptik so ausgebildet ist, dass die beiden Seedpulslaserstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen in den Resonator ein- und ausgekoppelt werden.
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Beispielsweise kann dies bei zueinander unterschiedlicher Polarisation (vorzugsweise senkrechter Polarisation) über einen Polarisator erfolgen.
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Zweckmäßigerweise durchlaufen die beiden Seedpulslaserstrahlen vor dem Einkoppeln in den Resonator einen Isolator, so dass der nach mehreren Umläufen verstärkte ausgekoppelte Seedpulslaserstrahl vom einfallenden Seedpulslaserstrahl separiert werden kann.
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Es ist ferner günstig, wenn die Ultrakurzpulspumpquelle ein nichtlineares Element umfasst, so dass die im Laserverstärkungsmedium verstärkten Seedpulslaserstrahlen mithilfe der Strahlführungsoptik durch das nichtlineare Element geführt werden.
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Zweckmäßigerweise das Pulsenergieverhältnis zwischen Laserpulsen aus erstem und zweiten Seedpulslaserstrahl so eingestellt, dass die Pulsenergie der Pulse im zweiten Seedpulslaserstrahl mindestens doppelt so groß ist, wie diejenigen im ersten Seedpulslaserstrahl.
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Besonders günstig ist es, wenn die Pulsenergie um eine Größenordnung größer ist.
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Bei Einsatz der Ultrakurzpulspumpquelle zum Pumpen zweier aufeinanderfolgender OPCPA Stufen werden üblicherweise Pumppulse mit entsprechend mehr Pulsenergie benötigt. Entsprechend ist so die Pulsenergie für den zweiten Pumppuls größer.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Ultrakurzpulspumpquelle dann einen Pulsformer im zweiten Seedpulslaserstrahl umfasst und der Pulsformer so ausgebildet ist, dass die Pulsdauer der Laserpulse im zweiten Seedpulslaserstrahl mindestens um den gleichen Faktor länger sind, wie die Pulsenergie der Laserpulse im ersten Seedpulslaserstrahl größer ist als die Pulsenergie der Laserpulse im zweiten Seedpulslaserstrahl.
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Bei einer solchen Ausbildung ist das B-Integral für Laserpulse aus dem ersten Seedpulslaserstrahl im Wesentlich gleich oder größer, als für Laserpulse aus dem zweiten Seedpulslaserstrahl.
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Insbesondere wenn das B-Integral für Laserpulse aus dem ersten Seedpulslaserstrahl größer ist als für Laserpulse aus dem zweiten Seedpulslaserstrahl, kann durch entsprechende Wahl der Modengröße im nichtlinearen Element eine ungleiche spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation (SPM) bewirkt werden.
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In diesem Fall ist die Bandbreite für aus der ersten Seedpulslaserquelle stammende Laserpulse größer als für solche, die aus der zweiten Seedpulslaserquelle stammen.
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Bei Anordnung eines entsprechenden Pulsformers hinter dem Pulspicker im Laserstrahl für verstärkte Laserpulse die aus der ersten Seedpulslaserquelle stammen, können so kürzere Pulse bereitsgestellt werden, als dies für Laserpulse die aus der zweiten Seedpulslaserquelle stammen möglich ist.
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Trotz unterschiedlicher Pulsenergie können die Spitzenintensitäten der mit einer solchen Ultrakurzpulspumpquelle bereitgestellten unterschiedlichen Laserpulse so gewählt werden, dass Sie in etwa gleich groß sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrooptischen Modulators wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer als regenerativer Verstärker ausgebildete Ultrakurzpulspumpquelle gemäß Stand der Technik und
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2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ultrakurzpulspumpquelle,
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3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ultrakurzpulspumpquelle mit Ringresonator.
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In 1 ist eine als regenerativer Verstärker ausgebildete Ultrakurzpulspumpquelle (1) gemäß Stand der Technik dargestellt. Linear polarisierte Seedpulse werden von einem Seedlaser als Seedpulsquelle (2) erzeugt und über einen Isolator (15) zu einem linearen Resonator (5) geführt. Der Resonator (5) beinhaltet das Laserverstärkermedium (4) als mit einem Lasermaterial dotierte Scheibe, die auf einen Kühlkörper aufgebracht ist. Die Scheibe ist mit einer HR Schicht versehen, so dass diese als Spiegel im Resonator eingesetzt werden kann.
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Die von der Seedpulsquelle (2) über den Isolator (15) kommenden Pulse werden über eine Pockelszelle (13) in den Resonator (12) eingekoppelt, dort über mehrere Umläufe hinweg verstärkt und dann mithilfe der Pockelszelle (13) wieder ausgekoppelt. Die verstärkten Pulse laufen über den Isolator (15) zu einem Kompressor (16), der etwaige im Resonator (12) eingebrachte Dispersion ausgleicht und so die Pulslänge optimiert.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ultrakurzpulspumpquelle (1). Wie im zuvor beschriebenen Beispiel handelt es sich hier um einen regenerativen Verstärker mit Resonator (12), Pockelszelle (13) zum Ein- und Auskoppeln, sowie einer als mit laseraktiven Ionen dotierten Festkörperscheibe als Laserverstärkungsmedium (4).
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Im Gegensatz zu vorherigem Beispiel werden hier zwei unterschiedliche Seedlaserpulse von einer ersten Seedpulslaserquelle (2) und einer zweiten Seedpulslaserquelle (6) über einen ersten Seedpulslaserstrahl (3) und einen zweiten Seedpulslaserstrahl (7) bereitgestelt.
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Linear polarisierte ps-Seedpulse werden von einem gemeinsamen Seedlaser (17) erzeugt und mithilfe einer lambda/2 Platte und einem Polarisator, die als beliebig einstellbarer Strahlteiler (18) wirken, in zwei Seedpulslaserstrahlen aufgeteilt. Zusammen mit einem Stretcher (9) als Pulsformer im zweiten Seedpulslaserstrahl und einer Delaystrecke (11) im ersten Seedpulslaserstrahl dienen diese beiden Arme als erste und zweite Seedpulslaserquelle (2, 6).
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Mithilfe des Stretchers (9) werden die Laserpulse im zweiten Seedpulslaserstrahl (7) auf einige Zehn-Picosekunden verlängert, während die Laserpulse im ersten Seedpulslaserstrahl (3) unverändert wie vom Seedlaser (17) bereitgestellt einige Picosekunden lang sind. Mithilfe eines l/2 Plättchens wird die Polarisation des ersten Seedpulslaserstrahls (3) verändert, so dass damit die Pulsenergie der Laserpulse entlang des ersten Seedpulslaserstrahls (3) nach Einkopplung in den Resonator (12) eingestellt werden kann.
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In diesem Beispiel beträgt das Verhältnis der Pulsenergien zwischen den in den Resonator (12) über den ersten zu den über den zweiten Seedpulslaserstrahl (3, 7) eingekoppelten Laserpulsen 10:90. Je nach Verstärkung im Resonator (12) kann dieses Verhältnis beliebig über Drehung des l/2 Plättchens variiert werden.
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Entsprechend ist die Spitzenintensität der Laserpulse die über den ersten Seedpulslaserstrahl (3) geführt werden zumindest zum Zeitpunkt der Einkopplung größer, als die Spitzenintensität der Laserpulse, die über den zweiten Seedpulslaserstrahl (7) geführt werden.
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Die Delaystrecke (11) im ersten Seedpulslaserstrahl (3), wird so eingestellt, dass die über den ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl (3, 7) bereitgestellten Laserpulse zueinander einen zeitlichen Abstand aufweisen, der kleiner ist, als die Umlaufzeit eines Pulses im Resonator (12). So kann gewährleistet werden, dass beide Pulse in den Resonator (12) eingekoppelt werden können um dort verstärkt zu werden.
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Die im Resonator (12) angeordnete Pockelszelle (13) wirkt neben Ihrer Eigenschaft als optisches Schaltelement (13) ebenso als nichtlineares Element (14), da der dort verwendete Kristall (z.B. ein BBO-Kristall) entsprechende nichtlinearen Eigenschaften aufweist.
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Bei Wahl einer entsprechend kleinen Modengröße der Laserstrahlen im Resonator (12) kann so eine spektrale Verbreiterung bewirkt werden, die ggf. mithilfe eines Gitterkompressors (16) so genutzt werden kann, dass eine effektive Verkürzung der Pulslänge möglich ist, oder zumindest einer Einengung des Laserpulsspektrums durch die Verstärkungsbandbreite des Laserverstärkungsmediums (4) entgegen gewirkt werden kann.
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Die unterschiedlichen im Resonator (12) über das Laserverstärkungsmedium (4) verstärkten Laserpulse werden mithilfe der Pockelszelle (13) ausgekoppelt und über den Isolator (15) zu einer weiteren Pockelszelle geführt. Zusammen mit einem auf die Pockelzelle folgenden Polarisator, bilden diese einen Pulspicker (10) mithilfe dessen die als Seedlaserpulse über den ersten und zweiten Seedpulslaserstrahl (3, 7) bereitgestellten und darauffolgend im Resonator (12) verstärkten Laserpulse getrennt werden können.
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Dabei wird der Pulspicker (10) so angesteuert, dass die maximal mit der Umlaufzeit im Resonator (12) beabstandeten Laserpulse aus erstem und zweiten Seedpulslaserstrahl (3, 7) räumlich getrennt werden, indem mithilfe der Pockeszelle die Polarisation um 90° gedreht wird, so dass diese entweder durch den darauffolgenden Polarisator transmittiert oder dort reflektiert werden.
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Die so getrennten Laserpulse werden in zwei verschiedenen Gitterkompressoren (16) auf die optimale Pulsdauer verkürzt. Da die Spitzenintensität der Seedpulse entlang des ersten Seedpulslaserstrahls (3) größer eingestellt wurde, als die der Seedpulse entlang des zweiten Seedpulslaserstrahls (7), findet – obgleich die Pulsenergie der Seedpulse entlang des ersten Seedpulslaserstrahls (3) als kleiner eingestellt wurde, – eine spektrale Verbreiterung dieser Laserpulse statt. Entsprechend kann mithilfe des Kompressors (16) eine kürzere Pulsdauer von unter einer Picosekunde realisiert werden als bei den über den Stretcher gestretchten Laserpulsen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels, wobei hier der Resonator (12) als Ringresonator ausgebildet ist. Der erste und zweite Seedpulslaserstrahl (3, 7) haben hier die gleiche Polarisation und werden über einen Polarisator als Strahlkombinierer (8) in den Resonator (12) eingekoppelt. Dort werden die beiden Strahlen gleichermaßen über das Laserverstärkungsmedium (4) geführt, allerdings jeweils in unterschiedlichen Richtungen.
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Sobald die Pockelszelle als optischer Schalter zum ein- und auskoppeln der Pulse aus dem ersten und zweiten Seedpulslasertrahl (3, 7) in den Resonator (12) geschaltet wird, wird die Polarisation der Laserpulse geändert, so dass der nun verstärkte erste und zweite Seedpulslaserstrahl (3, 7) über den Polarisator (8) wieder ausgekoppelt werden. In diesem Fall verläuft der verstärkte erste Seedpulslaserstrahl (3) entlang des einfallenden zweiten Seedpulslaserstrahl (3) und der zweite Seedpulslaserstrahl (7) entsprechend entlang des einfallenden ersten Seedpulslaserstrahl (3). Mithilfe der Isolatoren (15) können die einfallenden und verstärkten ausfallenden Strahlen voneinander getrennt werden und wie im vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben einem Pulsformer zugeführt werden.
