DE102017108548A1

DE102017108548A1 - Regenerativer Scheibenlaserverstärker zur Erzeugung Ultrakurzer Laserpulse

Info

Publication number: DE102017108548A1
Application number: DE102017108548.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Neuhaus
Original assignee: Dausinger & Giesen GmbH
Current assignee: Dausinger & Giesen GmbH
Priority date: 2016-11-25
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2018-05-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen regenerativen Scheibenlaserverstärker (1) zur Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen (2), umfassend einen Resonator (3) mit wenigstens einem elektrooptischen Schalter (4) und wenigstens einem Verstärkungsmedium (5) als Festkörperscheibe, wobei der Resonator (3) zur Führung eines Laserpulses (6) entlang eines optischen Strahlengangs (7) über das Verstärkungsmedium (5) und den elektrooptischen Schalter (4) ausgelegt ist, wobei der Resonator (3) eine positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GDD) und Nichtlinearität γ aufweist, die sich aus der Summe der GDD und Nichtlineritäten γaller optischen Elemente (8) entlang des optischen Strahlengangs (7) und der dort vorhandenen Strahlradien ergeben, einen Seedlaser (9) mit einem Stretcher (10) zur Erzeugung eines negativ gechirpten Seedlaserpulses (11), wobei der Seedlaserpuls (11) über den elektrooptischen Schalter (4) in den Resonator (3) eingekoppelt wird und dort über eine durch die Schaltzeit des Schalters (4) definierte Zahl an Umläufen bis zur Auskopplung im Resonator (3) verbleibt, die so gewählt ist, dass der Laserpuls (6) ein B-integral aufsammelt, das größer als 2π rad ist. Der erfindungsgemäße Scheibenlaserverstärker zeichnet sich dadurch aus, dass der Resonator (3) wenigstens ein weiteres dispersives Element (12) mit zur GDD des Resonators (3) beitragender positiver GDD umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen regenerativen Scheibenlaserverstärker (1) zur Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen (2), umfassend einen Resonator (3) mit wenigstens einem elektrooptischen Schalter (4) und wenigstens einem Verstärkungsmedium (5) als Festkörperscheibe, wobei der Resonator (3) zur Führung eines Laserpulses (6) entlang eines optischen Strahlengangs (7) über das Verstärkungsmedium (5) und den elektrooptischen Schalter (4) ausgelegt ist, wobei der Resonator (3) eine positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GDD) und Nichtlinearität γ aufweist, die sich aus der Summe der GDD und Nichtlineritäten γ_SPM aller optischen Elemente (8) entlang des optischen Strahlengangs (7) und der dort vorhandenen Strahlradien ergeben, einen Seedlaser (9) mit einem Stretcher (10) zur Erzeugung eines negativ gechirpten Seedlaserpulses (11), wobei der Seedlaserpuls (11) über den elektrooptischen Schalter (4) in den Resonator (3) eingekoppelt wird und dort über eine durch die Schaltzeit des Schalters (4) definierte Zahl an Umläufen bis zur Auskopplung im Resonator (3) verbleibt, die so gewählt ist, dass der Laserpuls (6) ein B-integral aufsammelt, das größer als 2π rad ist.
Solche Scheibenlaserverstärker sind besonders geeignet zur Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen, deren spektrale Bandbreite größer ist als die spektrale Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums. Eine kleine Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums begrenzt die Bandbreite des Ausgangslaserpulses, da bei Seedlaserpulsen mit breiterem Spektrum, dieses aufgrund derr inhomogenen Verstärkung verkleinert wird. Der verstärkte Laserpuls hat dann ein kleineres Spektrum als der Seedlaserpuls. Da die Breite des Spektrums invers proportional zur Pulsdauer ist, wird durch diesen sogenannten „Gain-Filtering-Effekt“ die kürzest erreichbare Pulsdauer durch das Verstärkungsmedium begrenzt.
In Eingangs genannten Scheibenlaserverstärkern werden mithilfe der durch die Nichtlinearität γ im Resonator bewirkten Selbstphasenmodulation (SPM), ausgedrückt durch das entsprechende B-integral, zusätzliche Wellenlängenkomponenten erzeugt. Dies wirkt dem „Gain-Filtering-Effekt“ entgegen, so dass kürzere Laserpulse erzeugt werden können als bei Scheibenlaserverstärkern ohne einer solchen spektralen Verbreiterung durch SPM.
Während man bei anderen Scheibenlaserverstärkern zur Erzeugung von besonders hohen Pulsenergien den Seedlaserpuls mithilfe sogenannter „Chirped-Pulse-Amplification (CPA)-Techniken“ verlängert um die Spitzenintensitäten innerhalb des Resonators zu verkleinern, ist dieses Verfahren nicht in Zusammenhang mit der hier angestrebten spektralen Verbreiterung durch SPM anwendbar, da gechirpte Laserpulse zum einen die spektrale Verbreiterung behindern und zum anderen selbst bei einer ausreichend großen spektralen Verbreiterung nicht mehr so gut komprimieren lassen, so dass die erlangte spektrale Verbreitung nicht nutzbar ist.
Bei herkömmlichen Scheibenlaserverstärkern zur Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen mit einer Bandbreite, die größer ist, als die des Verstärkungsmediums wird daher versucht auf einen Chirp des Laserpulses, also der Anwendung von GDD auf den Seedlaserpuls oder den Laserpuls im Resonator, möglichst zu verzichten und den Stretcher allenfalls so auszulegen, dass er die positive GDD innerhalb des Resonators kompensiert. Somit ist der verstärkte Laserpuls weitgehend frei von etwaigem Chirp.
So wird z.B. in der WO2004068657A1 vorgeschlagen den Seedlaserpuls frei von positiver GDD zu halten und die positive GDD im Resonator nach Möglichkeit durch negative GDD des Stretchers zu kompensieren.
Dieses Vorgehen ermöglicht zwar sehr kurze Laserpulse, hat aber den Nachteil, dass die Pulsenergie durch die geforderten Spitzenleistungen in den betroffenen optischen Komponenten durch die Zerstörschwelle begrenzt ist.
Die Kombination von hohen Pulseenergien und kurzen Laserpulsen ist mit herkömmlichen Methoden daher nur begrenzt realisierbar und läßt sich nur durch eine Dimensionsanpassung der verwendeten Optiken skalieren (z.B. Nutzung größerer Pockelszellenkristalle).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen regenerativen Scheibenlaserverstärker bereitzustellen, der die Erzeugung von hohen Pulsenergien bei kürzest möglichen Pulsedauern ohne Dimensionsanpassung der verwendeten Optiken ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen regenerativen Scheibenlaserverstärker nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass der Resonator (3) wenigstens ein weiteres dispersives Element (12) mit zur GDD des Resonators (3) beitragender positiver GDD umfasst.
Zum Beispiel kann ein solches dispersives Element ein gechirpter Spiegel sein, ein transmissiv betriebenes optisches Element mit positiver GDD, ein entsprechend angeordnetes Gitter, oder ein anderes beliebiges optisches Element mit positiver GDD.
Die GDD des Resonators ergibt sich dabei aus der Summe der GDD aller optischen Elemente entlang des optischen Strahlengangs. Die optischen Elemente entlang des optischen Strahlengangs schließen das Verstärkungsmediums, den elektrooptischen Schalter, das zusätzliche dispersive Element als auch alle übrigen optischen Elemente ein, die im Strahlengang angeordnet sind.
Die Nichtlinearität γ des Resonators ergibt sich wiederum aus der Summe der Nichtlineritäten γ_SPM der entlang des optischen Strahlengangs angeordneten optischen Elemente, wobei sich die Nichtlinerität γ_SPM eines jeden optischen Elements aus dem nichtlinearem Brechungsindex n₂ des optischen Elements und des in dem jeweiligen Element jeweils vorhandenen Strahlradius w über folgende Beziehung ergibt: $γ_{SPM} = \frac{2 π}{λ} n_{2} L {(\frac{π}{2} w^{2})}^{- 1} = {\frac{4 n_{2} L}{λ w^{2}}}_{.}$
Dabei ist λ die Zentralwellenlänge des Laserpulses und L die Länge des optischen Elements. Variiert der Strahlradius w innerhalb des optischen Elements über die Länge L, muss die Nichtlinearität γ_SPM über ein entsprechendes Integral berechnet werden.
Das B-Integral ergibt sich dabei als über die Umläufe summiertes Produkt aus den Nichtlinearitäten γ_SPM der entlang des optischen Strahlengangs angeordneten optischen Elemente an der Stelle z_i im Resonator und der jeweils vorliegenden Peakleistung P_peak(z_i) des umlaufenden Laserpulses, wie folgt: $B = \int d φ d z = \frac{2 π}{λ} \int_{0}^{2 L} n_{2} I_{peak} (z) d z = \sum_{i} γ_{SPM} (z_{i}) P_{peak} (z_{i}),$
wobei dies näherungsweise dem Produkt aus der Nichtlinearität γ des Resonators mit der Peakleistung des Laserpulses nach einem Umlauf und der Zahl der Umläufe entspricht.
Die Peakleistung wiederum ergibt sich wie üblich aus der jeweils vorherschenden Pulsenergie und Pulsdauer des Laserpulses. Sofern das Verstärkungsmedium noch keine Sättigungseffekte zeigt, kann die Pulseenergie durch die Annahme eines exponentiellen Anstieges der Pulsenergie von der Einkopplung bis zur Auskopplung angenähert werden.
Zweckmäßigerweise umfasst der Scheibenlaserverstärker (1) dann einen Kompressor (13) mit negativer GDD, der den im Resonator (3) verstärkten Laserpuls (6) nach Auskoppeln aus dem Resonator (3) komprimiert.
Der Stretcher, als auch Kompressor kann z.B. durch beliebige dispersive optische Elemente, wie einer Faser mit für das Spektrum des Seedlaserpulses negativer GDD, negativ gechirpten Spiegeln, oder einen Gitterkompressor gebildet sein, wobei für den Kompressor eher solche Elemente in Frage kommen, deren Zerstörschwelle hoch ist. Erfindungsgemäß bedeutet Stretcher lediglich, dass es sich hierbei um ein dispersives Element handelt, dass vor dem Resonator zum zeitlichen Stretchen der Seedlaserpulse angeordnet ist, wobei der Kompressor hinter dem Resonator zum Komprimieren auf die kürzest mögliche Pulsdauer positioniert ist. Sowohl bei dem Stretcher, als auch bei dem Kompressor handelt es sich erfindungsgemäß um dispersive optische Elemente mit negativer GDD. Beide können also mit ähnlichen optischen Komponenten aufgebaut werden.
Besonders vorteillhaft ist es, wenn die positive GDD des zusätzlichen dispersiven Elements (12) bzw. die Summe der positiven GDD der zusätzlichen dispersiven Elemente (12) größer ist, als die GDD des elektrooptischen Schalters (4) und Verstärkungsmediums (5) zusammen.
Günstig ist z.B. eine GDD des zusätzlichen dispersiven Elements bzw. der Summe der GDD der zusätzlichen dispersiven Elemente, die 0.05 ps² pro Umlauf im Resonator überschreitet. Grundsätzlich ist die GDD des zusätzlichen dispersiven Elements so zu wählen, dass die gewünschte Peakleistung der komprimierten Pulse bei Wahl einer maximalen Strahlgröße im elektrooptischen Schalter erreicht werden kann. Dabei ist dem Wert der GDD des zusätzlichen dispersiven Elements grundsätzlich keine Grenze gesetzt.
Eine besonders günstige Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die negative GDD des Stretchers kleiner ist, als die positive GDD des Resonators multipliziert mit der Zahl der Umläufe des Seedlaserpulses im Resonator.
Dabei setzt sich die GDD des Resonators aus der GDD des Verstärkungsmediums, der GDD des Schalters, der GDD des zusätzlichen dispersiven Elements mit positiver GDD und aller etwaigen weiteren dispersiven Elementen im Resonator, die pro Umlauf des Seedlaserpulses im Resonator durchlaufen werden, zusammen.
Vorzugsweise ist die negative GDD des Stretcher so groß, wie die GDD des Resonators multipliziert mit der Zahl der Umläufe die der Seedlaserpuls benötigt um ein B-integral aufzusammeln, das gleich π/4 rad, maximal 7/2π rad ist, vorzugsweise genau π rad beträgt.
Dies hat den Vorteil, dass die negative GDD vom Seedpuls von der positiven GDD des Resonators kompensiert wurde, bevor wesentliche nicht-lineare Effekte auftreten, also bevor SPM in großem Stil einsetzt bzw. das B-integral zu groß wird. Eine wesentliche spektrale Einengung des umlaufenden Laserpulses durch negativer GDD in Kombination mit SPM wird so verhindert.
Es ist besonders günstig, wenn die negative GDD des Stretchers so gewählt wird, dass eine durch SPM auftretende spektrale Verkleinerung des Laserpulses während seiner Umläufe im Resonator maximal ≈ 40%, vorzugsweise sogar nur 20% beträgt.
So kann gewährleistet werden, dass das Spektrum des verstärkten und durch die im Resonator vorhandene Nichtlinearität spektral verbreiterten Laserpulses so breit wie möglich ist. Andererseits bewirkt die zusätzliche positive GDD des Resonators eine ausreichende Pulsverlängerung des verstärkten Laserpulses kurz vor Auskoppeln aus dem Resonator, so dass bei konstanter Spitzenleistung des ausgekoppelten Laserpulses die Spitzenleistung des komprimierten Laserpulses durch eine Vergrößerung der positiven GDD im Resonator und einer gleichzeitigen Vergrößerung der Verstärkung beliebig skaliert werden kann. Die dabei erreichbaren Pulsdauern sind anders als bei herkömmlichen CPA-Techniken erheblich kürzer.
Zweckmäßigerweise wird das Verstärkungsmedium so betrieben, dass eine Sättigung der Verstärkung erst dann einsetzt, wenn der im Resonator umlaufende Laserpuls ein B-Integral von π rad aufgesammelt hat.
Es ist ferner günstig, wenn der Resonator als linearer Oszillator mit zwei Endspiegeln aufgebaut ist und das Verstärkungsmedium vor einem der Endspiegel angeordnet ist.
So kann die Verstärkung des Laserpulses und damit die Zunahme des B-integrals pro Umlauf verkleinert werden und damit etwaige negativen Einflüsse der vom Laserpuls aufgesammelten Nichtlinearität auf z.B. die Strahlqualität minimiert werden.
Zweckmäßig ist es auch, wenn die Bandbreite des Seedlaserpulses größer oder zumindest gleich groß ist, wie die Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums.
Von Vorteil ist ferner, wenn das Maximum des Spektrums des Seedlaserpulses von der Zentralwellenlänge des Verstärkungsmediums abweicht.
Besonders günstig ist es, wenn das Maximum des Spektrums des Seedlaserpulses gerade außerhalb der Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums liegt.
Dadurch bewirkt die anfängliche Verstärkung des Pulsspektrums effektiv eine Verbreitung des Spektrums. Der sogenannte „Gain-Filtering-Effekt“ wird somit abgeschwächt.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn das Verstärkungsmedium so ausgelegt ist, dass die Verstärkung bei Erreichen einer maximalen durch die Zerstörschwelle der optischen Komponenten (unter Einbezug eines entsprechenden Sicherheitsabstandes) vorgegebene Peakleistung des Laserpulses im Resonator sättigt.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Resonator ein zweites Verstärkungsmedium umfasst, dessen Verstärkung sättigt, sobald die Seedlaserpulse ein B-integral aufgesammelt haben das π rad übersteigt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Einstellen der GDD des Stretchers.
Und zwar läßt sich die optimale GDD des Stretchers z.B. so einstellen, indem die Zahl der Umläufe der Laserpulse durch den Resonator durch Anpassung der Schaltzeit des elektrooptischen Schalters so weit verkleinert wird, dass ein auf Basis von gemessener Pulsenergie und Pulsdauer des Ausgangspulses berechnete B-integral zwischen π/4 rad und 7/2 π rad liegt (bei Annahme einer exponentiellen Verstärkung der Pulsenergie und konstanter Pulsdauer über die letzten Umläufe, wobei die gemessene Pulsdauer des unkomprimierten Ausgangspulses als Referenz herangezogen wird).
Besonders günstig ist es, wenn das B-integral dann genau π rad beträgt.
Die GDD des Stretchers wird im Anschluss daran so verändert, dass die Pulsdauer des unkomprimierten Ausgangspulses minimiert wird. Bei einer beobachtbaren Änderung des erneut zu berechnenden B-integrals wird anschließend der Vorgang aus Veränderung des Stretchers und Berechnung des B-Integrals einige Male rekursiv wiederholt bis keine Anpassung des Stretchers mehr notwendig ist.
Um die Spitzenintensität der komprimierten Ausgangspulse zu maximieren, wird nach Einbau von zusätzlichen dispersiven Elementen mit positiver GDD in den Resonator die Zahl der Umläufe so angepasst, dass die Spitzenleistung der Laserpulse im Resonator, kurz vor dem Auskoppeln, einen Grenzwert, der durch die Zerstörschwelle der optischen Elemente im Resonator bestimmt wird (unter Berücksichtigung eines entsprechenden Sicherheitsabstandes), nicht überschreitet.
Falls die Pulsenergie sich nicht mehr durch weitere Umläufe im Resonator aufgrund einer eingetretenen Sättigung des Verstärkungsmediums steigern läßt, ist es günstig, die Verstärkung entsprechend zu vergrößeren (z.B. durch Vergrößerung der Pumpleistung).
Falls die so erreichbare Pulsspitzenintensität des komprimierten Laserpulses noch nicht den gewünschten Wert erreicht hat, kann die positive GDD des Resonators durch Einbringen weiterer dispersiver Elemente mit positiver GDD vergrößert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen regenerativen Scheibenlaserverstärkers wird anhand dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen regenerativer Scheibenlaserverstärkers und
2 Simulationsergebnisse die den Parameterbereich darstellen, der von dem erfindungsgemäßen Scheibenlaserverstärker abgedeckt ist.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines regenerativen Scheibenlaserverstärkers (1) zur Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen.
Der Scheibenlaserverstärker umfasst einen Seedlaser (9) der Seedlaserpulse (11) mit geringer Energie im Nanojoulebereich erzeugt und über einen als Stretcher arbeitenden Gitterkompressor (10) zeitlich verlängert. Die von dem Seedlaser (9) erzeugten Laserpulse (11) haben eine spektrale Bandbreite, die größer ist, als die des Verstärkungsmediums (5).
Eine andere Möglichkeit wäre es z.B., wenn die Seedlaserpulse (11) über eine Faser mit negativer GDD zeitlich gestretched würden.
Die Seedlaserpulse (11) sind linear polarisiert und werden über einen Dünnschichtpolarisator (TFP) in Richtung des Resonators (3) umgelenkt. Vor dem Resonator durchlaufen die Laserpulse zunächst einen Faradayrotator, der die Polarisation der verstärkten, zurücklaufenden Laserpulse (2) dreht, so dass diese durch den Dünnschichtpolarisator (TFP) transmittiert werden.
Da die verstärkten Laserpulse (2) eine höhere Energie besitzen als die Seedlaserpulse (11) wäre auch eine entsprechend vertauschte Anordnung hinsichtlich des Dünnschichtpolarisators (TFP) denkbar.
Die Seedlaserpulse (11) werden über einen zweiten Dünnschichtpolarisator (TFP) in den Resonator (3) eingekoppelt. Dort durchlaufen diese zunächst einen als Pockelszelle ausgebildeten elektrooptischen Schalter (4), der aus zwei BBO Kristallen (14), einem Wellenplättchen (lambda/4), sowie einem Endspiegel besteht. An den BBO Kristallen (14) liegt eine variable Hochspannung an, wobei je nach Wert der Hochspannung die Polarisation der durch die BBO Kristalle (14) transmittierten Laserpulse (6) unverändert bleibt oder ebenfalls um lambda/4 verändert wird. Je nach Schalterzustand wird somit die Polarisation der Laserpulse (6) nach Durchlaufen des elektrooptischen Schalters (4) verändert oder eben nicht.
Um die Seedlaserpulse (11) in dem Resonator (3) zu verstärken, wird die Pockelzelle (4) zunächst so angesteuert, dass sich die Polarisation der Laserpulse (6) ändert, so dass diese beim Zurücklaufen vom Polarisator abgelenkt werden und somit in dem Resonator (3) verbleiben. Die Laserpulse durchlaufen daraufhin einige Spiegel (12), sowie das Verstärkungsmedium (5) und werden von einem Endspiegel (15) zurückreflektiert. Zu diesem Zeitpunkt hat sich der Schalterzustand des elektrooptischen Schalters (4) verändert, so dass die Polarisation der Laserpulse (6) nicht weiter verändert wird. Die Laserpulse laufen also zwischen den beiden Endspiegeln (4,15) des Resonators hin und her.
Bei jedem Übergang über das Verstärkungsmedium (5) wird die Energie der Laserpulse (6) verstärkt. Andererseits erfahren die Laserpulse (6) eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GDD) durch die beiden BBO Kristalle (14), das Verstärkungsmedium (8) und durch die hier als gechirpten Spiegel ausgebildeten dispersiven Elemente (12). Dabei ist die GDD aller dieser optischen Elemente (8) positiv und wirkt somit der Pulsverlängerung durch den Stretcher (10) entgegen.
Nach einigen Umläufen haben die Laserpulse (6) sowohl genügend Energie angesammelt, als auch eine Pulsdauer erreicht, die genügt, dass die mit den Laserpulsen verbundenen Spitzenintensitäten in den BBO-Kristallen (14) genügend Nichtlinearitäten erzeugen, dass das B-integral einen Wert von π rad überschreitet. Erfindungsgemäß ist das genau dann der Fall, wenn die Summe der positive GDD, die der Laserpuls (6) beim mehrfachen Durchlaufen durch den Resonator (3) genau gleich ist, wie die negative GDD, die der Laserpuls (11) im Seedlaser (10) erfahren hat. Von hier ausgehend sorgt die positive GDD, die der Laserpuls (6) in den folgenden Umläufen im Resonator (3) erfährt, für eine Pulsverlängerung. Die darüber hinaus vom Laserpuls (6) durchlaufenden Nichtlinearitäten (14,5) führen zu einer spektralen Verbreiterung des Laserpulses (6).
Nachdem der Laserpuls (6) eine bestimmte Energie erreicht hat, die so groß ist, dass eine bestimmte Spitzenintensität des Laserpulses erreicht wurde, wird der Schalterzustand des elektrooptischen Schalters (4) wieder verändert. Die Laserpulse (6) werden nun aus dem Resonator (3) ausgekoppelt, durchlaufen die beiden Polarisatoren (TFP) und werden in einem Gitterkompressor (13) komprimiert.
Die so erzeugten Laserpulse (2) sind auf Pulsdauern komprimierbar, die denen ohne zeitlicher Streckung durch dispersive Elemente ähneln. Die bei konstanter Spitzenleistung im Resonator erreichbare Pulseenergie ist aber erheblich höher.
In 2 ist diese Situation dargestellt, indem die möglichen Spitzenleistungen für den komprimierten Laserpuls (11) für verschiedene Stretcherkonfigurationen und Werte für die positive GDD der zusätzlichen dispersiven Elemente dargestellt sind. Die hier dargestellten Spitzenleistungen sind mithilfe einer Split-Step Simulation berechnet worden. Dabei wurde als Laserverstärkungsmedium (5) eine Yb:YAG Scheibe angenommen. Der Seedlaserpuls hatte eine Dauer von 500 fs, ferner wurde die Simulation jeweils bei einer Spitzenleistung der Laserpulse (6) innerhalb des Resonators (3) in Höhe von 0.25 GW abgebrochen. Bei Strahlradien von 1.5 mm innerhalb des elektrooptischen Schalters (4), dessen BBO Kristalle (14) am meisten zur Nichtlinearität des Resonators (3) beitragen, wird der Resonator (3) weit unterhalb der Zerstörschwelle der optischen Komponenten (14,8) betrieben. Bei verfügbaren Kristallgrößen der BBO-Kristalle (14) von z.B. 12 mm läßt sich die maximal erreichbare Peakleistung und Pulsenergie theoretisch noch weiter nach oben skalieren.
Es zeigt sich, dass die Spitzenleistungen nur dann maximal sind (entlang der weißen Linien in 2), wenn der regenerative Verstärker so aufgebaut ist, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist.
Die Situation, wie sie in 2 mit dem schwarzen Pfeil markiert wurde, ist durch die drei kleinen Diagramme genauer dargestellt. Die Inlets zeigen von oben nach unten den zeitlichen Verlaufs des komprimierten Laserpulses (2), die Entwicklung der Pulsdauer, sowie die spektrale Breite des Laserpulses (6) über die aufeinanderfolgenden Umläufe im Resonator (3).
Die für diese Situation notwendige GDD des zusätzlichen dispersiven Elements (12) (bzw. der Elemente) von ungefähr 0.08 ps² / Umlauf könnte durch 8 GTI Spiegel mit je 10.000 fs² GDD in den Resonator (3) eingebracht werden.
Es zeigt sich, dass die GDD des Stretchers (10) von der positiven GDD des zusätzlichen dispersiven Elements (12) im Resonator bei ungefähr ¾ der Gesamtverweildauer im Resonator (3) kompensiert wurde. Hier ist die zeitliche Pulsdauer des Laserpulses (6) minimal, da der anfängliche Chirp des Seedlaserpulses (11) ausgeglichen wurde. Ferner ist hier die SPM noch nicht groß genug um für eine wesentliche spektrale Veränderung zu sorgen. Das Spektrum verringt sich aufgrund der davor vorherschenden negativen GDD nur leicht. In den nun folgenden Umläufen sorgt die nun zunehmende SPM für die gewünschte spektrale Verbreiterung. Der komprimierte Laserpulse (2) hinter dem Resonator hat in diesem Fall eine Pulsdauer von 400 fs.
In diesem Beispiel sättigt die Verstärkung über die letzten Umläufe im Resonator.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004068657 A1 [0006]

Claims

Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) zur Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen (2), umfassend einen Resonator (3) mit wenigstens einem elektrooptischen Schalter (4) und wenigstens einem Verstärkungsmedium (5) als Festkörperscheibe, wobei der Resonator (3) zur Führung eines Laserpulses (6) entlang eines optischen Strahlengangs (7) über das Verstärkungsmedium (5) und den elektrooptischen Schalter (4) ausgelegt ist, wobei der Resonator (3) eine positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GDD) und Nichtlinearität γ aufweist, die sich aus der Summe der GDD und Nichtlineritäten γ_SPM aller optischen Elemente (8) entlang des optischen Strahlengangs (7) und der dort vorhandenen Strahlradien ergeben, einen Seedlaser (9) mit einem Stretcher (10) zur Erzeugung eines negativ gechirpten Seedlaserpulses (11), wobei der Seedlaserpuls (11) über den elektrooptischen Schalter (4) in den Resonator (3) eingekoppelt wird und dort über eine durch die Schaltzeit des Schalters (4) definierte Zahl an Umläufen bis zur Auskopplung im Resonator (3) verbleibt, die so gewählt ist, dass der Laserpuls (6) ein B-integral aufsammelt, das größer als 2π rad ist, wobei der Scheibenlaserverstärker (1) dadurch gekennzeichnet ist, dass der Resonator (3) wenigstens ein weiteres dispersives Element (12) mit zur GDD des Resonators (3) beitragender positiver GDD umfasst.
Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die positive GDD des zusätzlichen dispersiven Elements (12) größer ist, als die GDD des elektrooptischen Schalters (4) und Verstärkungsmediums (5) zusammen.
Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die negative GDD des Stretchers (10) kleiner ist, als die positive GDD des Resonators (3) multipliziert mit der Zahl der Umläufe des Laserpulses (6) im Resonator (3).
Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die negative GDD des Stretcher (10) so groß ist, wie die GDD des Resonators (3) multipliziert mit der Zahl der Umläufe die der Laserpuls (11) benötigt um ein B-integral aufzusammeln, das gleich π/4 rad, maximal 7/2π rad ist, vorzugsweise genau π rad beträgt.
Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmedium (5) so ausgelegt ist, dass eine Sättigung der Verstärkung erst dann einsetzt, wenn der im Resonator (3) umlaufende Laserpuls (6) ein B-Integral von π rad aufgesammelt hat.
Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (3) als linearer Oszillator mit zwei Endspiegeln aufgebaut ist und das Verstärkungsmedium (5) vor einem der Endspiegel angeordnet ist.
Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite des Seedlaserpulses (11) größer oder zumindest gleich groß ist, wie die Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums (5).
Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum des Spektrums des Seedlaserpulses (11) von der Zentralwellenlänge des Verstärkungsmediums (5) abweicht.
Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum des Spektrums des Seedlaserpulses (11) gerade außerhalb der Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums (5) liegt.
Regenerativer Scheibenlaserverstärker (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (3) ein zweites Verstärkungsmedium (5) umfasst, dessen Verstärkung sättigt, sobald die Laserpulse (6) ein B-integral aufgesammelt haben das π rad übersteigt.