DE102020004501B3 - Optische Anordnungen zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten und zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen durch nichtlineare Selbst-Phasen-Modulation - Google Patents

Optische Anordnungen zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten und zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen durch nichtlineare Selbst-Phasen-Modulation Download PDF

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Abstract

Die Aufgabe dieser vorliegenden Patentanmeldung ist optische Anordnung anzugeben, bei denen es möglich ist, die nötige Vergrößerung der Bandbreite durch die Selbstphasenmodulation (SPM) auf einer kompakt Bauweise generiert werden kann, ohne dabei die durch Kerr-Linsen-Effekt bedingte Selbstfokussierung zur Verringerung der Strahlqualität führt und die Optik durch hohe Leistungsdichte beschädigt wird.Die Kernidee der vorliegenden Patentanmeldung besteht darin, dass eine Multipasszelle verwendet wird, wobei die Multipasszelle aus einer Spiegelanordnung (727, 728) besteht, wobei in der Multipasszelle ein nichtlineares Medium (66) mit vernachlässigbarer Absorption zur Erzeugung der Selbstphasenmodulation angeordnet wird, wobei ein Laserstrahl (1) mit einer Optik (261) zu einem definierten einfach-astigmatischen Strahl (11) transformiert wird und in die Multipasszelle eingekoppelt wird, wobei der Laserstrahl (11) zwischen die Spiegelanordnung hin- und zurückreflektiert wird und mehrfach durch das nichtlineare Medium (66) durchläuft, wobei die Krümmungen der Spiegel so ausgelegt werden und die Spiegel so angeordnet werden, dass der Strahl mehrere Taillen innerhalb der Multipasszelle aufweist, wobei die Taillen in der xz-Ebenen und in der yz-Ebenen an unterschiedlichen z-Positionen liegen.

Description

  • Die Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern gewinnt zunehmend an Bedeutung als präzises und flexibles Produktionsverfahren. Die hohe Präzision basiert hauptsächlich auf der Tatsache, dass die Laserpulse kürzer sind als die charakteristischen Zeitkonstanten für die thermischen Wechselwirkungen zwischen den Laserpulsen und den Materialien. Im Allgemeinen gilt: desto kürzer die Pulse umso präziser die Bearbeitung.
  • Die DE 10 2014 007 159 A1 beschreibt ein Verfahren einer Anordnung zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen für die nichtlineare Pulskompression.
  • Die Laserpulse werden in eine optische Anordnung eingekoppelt, in der sie abwechselnd durch wenigstens einen Abschnitt, der wenigstens ein Medium mit nichtlinearen optischen Eigenschaften enthält und in dem die Laserpulse durch Selbstphasenmodulation eine nichtlineare Phase erhalten, und einen Abschnitt propagieren, in dem im Wesentlichen keine nichtlineare Phase durch Selbstphasenmodulation erzeugt wird.
  • Die DE 10 2015 005 257 A1 beschreibt eine optische Anordnung zur Erhöhung der Strahlqualität und zur Verbesserung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls. Es werden eine oder mehrere sphärische und/oder zylindrische Komponenten, wie Linsen und/oder Spiegel, verwendet, mit denen der Stahl fokussiert wird. Mindestens zwei Blenden werden im Fokusbereich der Komponenten in Reihe entlang der Strahlausbreitung verwendet, wobei die Öffnungsformen und -größen der Blenden durch den Strahlquerschnitt an der jeweiligen axialen Position der Blenden bestimmt werden.
  • Die Publikation BRONS, Jonathan, et al. Efficient, high-power, all-bulk spectral broadening in a quasi-waveguide. In: 2017 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC). IEEE, 2017, S. 1-1, bezieht sich auf eine effiziente, leistungsstarke, spektrale Verbreiterung von ultrakurzen Pulsen in einem Quasi-Wellenleiter.
  • Ultrakurzpulslaser für industrielle Materialbearbeitung bestehen aus einer Oszillator-Verstärker-Anordnung. Die Pulslänge des Oszillators wird durch die Bandbreite des eingesetzten Lasermediums bestimmt. So ist die typische Pulsdauer eines modegelockten Yb:YAG-Oszillators um 700 fs. Um eine für die Materialbearbeitung relevante Pulsenergie zu erzeugen, werden Oszillator-Verstärker-Anordnungen verwendet. Bedingt durch die Bandbreite des Verstärkungsmediums wird die Bandbreite der verstärkten Pulse aufgrund von Gain-Narrowing verringert. Dadurch werden die verstärkten Pulse verlängert.
  • Zur Vergrößerung der Bandbreite kann der nichtlineare Prozess der Selbstphasenmodulation benutzt werden. Allerdings geht die Selbstphasenmodulation mit räumlichen Phasenmodulationen wie Kerr-Linsen einher. Der Kerr-Linsen-Effekt kann zur katastrophalen Selbstfokussierung und nicht akzeptablen Verringerung der Strahlqualität führen.
  • Ein stigmatischer Strahl weist kreisförmige Leistungsdichteverteilungen in jeder Ebene unter freier Ausbreitung auf. Die Strahltaillen eines stigmatischen Strahls in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen haben die gleiche Größe und liegen zusammen an der gleichen Position. In diesem Fall ist die Leistungsdichte umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Strahldurchmessers. Bei stabilen und kompakten Optikaufbauten führt dies zu einer sehr hohen Leistungsdichte in Fokussen, Spiegeln oder Linsen. Eine zu hohe Leistungsdichte kann zur Zerstörung von Optiken wie Linsen und Spiegeln führen.
  • Durch Verwendung von unter anderem zylindrischen Optiken wie Zylinderlinsen, Zylinderspiegeln, oder Prismen kann ein stigmatischer Strahl zu einem einfach-astigmatischen Strahl umgeformt werden. zeigt ein Beispiel eines einfach-astigmatischen Strahls. Dabei propagiert der einfach-astigmatische Strahl in z-Richtung. In der xz-Ebene hat der Strahl eine Taille dσx0 die bei Z0x liegt. In der yz-Ebene hat beträgt die Strahltaille dσy0 und liegt an der Stelle Z0y. Bei einem einfach-astigmatischen Strahl kann die Optik so positioniert werden, dass die Leistungsdichte auf der Optik erheblich reduziert werden kann.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Patentanmeldung ist es optische Anordnungen anzugeben, die es ermöglichen, eine festgelegte Vergrößerung der Bandbreite durch Selbstphasenmodulation (SPM) mit einer kompakten Bauweise zu generieren , ohne dass dabei die durch den Kerr-Linsen-Effekt bedingte Selbstfokussierung zu einer Verringerung der Strahlqualität führt und ohne das Optiken durch hohe Leistungsdichten beschädigt werden.
  • Die Kernidee der vorliegenden Patentanmeldung besteht darin, dass eine Multipasszelle verwendet wird, wobei die Multipasszelle aus einer Spiegelanordnung (771, 772), (796, 797, 798), (776, 777, 778), (717, 718), oder (727, 728) besteht, wobei in der Multipasszelle ein nichtlineares Medium (66) mit vernachlässigbarer Absorption zur Erzeugung der Selbstphasenmodulation angeordnet wird, wobei ein Laserstrahl (1) mit einer Optik (261) zu einem definierten einfach-astigmatischen Strahl (11) transformiert und in die Multipasszelle eingekoppelt wird, wobei der Laserstrahl (11) zwischen der Spiegelanordnung hin und her reflektiert wird und mehrfach das nichtlineare Medium (66) durchläuft, wobei die Krümmungen der Spiegel so ausgelegt werden und die Spiegel so angeordnet werden, dass der Strahl mehrere Taillen innerhalb der Multipasszelle aufweist, wobei die Taillen in den xz-Ebenen und in den yz-Ebenen an unterschiedlichen z-Positionen liegen.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele optischer Anordnungen gemäß dieser Erfindungsanmeldung erläutert.
  • zeigt eine Herriott-Multipasszelle, die aus zwei sphärischen Spiegeln (771) und (772) besteht. Durch Verwendung einer Optik (261) wird ein Strahl (1) zu einem einfach-astigmatischen Strahl (11) geformt. Durch einen Kantenspiegel (781) wird der einfach-astigmatische Strahl (11) in die Herriott-Multipasszelle eingekoppelt. Die Spiegel (771) und (772) werden so ausgelegt und zueinander angeordnet, dass im Zusammenwirken mit einer Formungsoptik (261) der Strahl einen sich verändernden elliptischen Querschnitt entlang der Propagationsrichtung innerhalb der Multipasszelle aufweist. Beispielhaft zeigt die Strahlquerschnitte des Strahls an dem Spiegel (771) und die Strahlquerschnitte des Strahls an dem Spiegel (772). Innerhalb der Multipasszelle wird ein Medium (66) angeordnet. Das Medium (66) weist eine vernachlässigbare Absorption für den Strahl (11) auf und wirkt als ein nichtlineares Medium, das bei einer hohen Pulsleistungsdichte zur Selbstphasenmodulation führt. Ein Beispielmedium ist eine Quarzglasplatte, die auf beiden Flächen antireflexiv für den Strahl (11) beschichtet ist. Durch Verwendung eines weiteren Kantenspiegels (782) wird der Strahl aus der Multipasszelle als Ausgangsstrahl (19) ausgekoppelt. Die akkumulierte Selbst-Phasen-Modulation aufgrund des Mehrfachdurchgangs durch das nichtlineare Medium führt zu einer Verbreiterung des Strahlspektrums.
  • Eine einfachste Ausführung der Optik (261) besteht aus einer Zylinderlinse mit einer definierten Fokuslänge.
  • Die Dispersion des Mediums und der Luft führt zur unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten für verschiedene Wellenlängen. Dies führt zu einer Verlängerung der Pulsdauer des Strahls. Durch eine nachgeschaltete Anordnung aus dispersiven Optiken können die Pulse des Strahls komprimiert bzw. verkürzt werden. Zur Pulskomprimierung können z. B. Gitter, Spiegel wie GDD Spiegel, GTI Spiegel, Prismen etc. verwendet werden.
  • Vorteilhaft ist, dass mindestens einer der Spiegel (771) und (772) ein GDD- oder GTI-Spiegel ist. Die Dispersion des Spiegels wird so gewählt, dass die durch das Medium und die Luft verursachte Dispersion ausgeglichen wird und die Pulslänge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durchgang verkürzt wird.
  • In und ist eine weitere Ausführung dargestellt. Dabei zeigt die Aufsicht und die Seitenansicht einer Multipasszelle. Die Multipasszelle besteht aus 3 zylindrischen Spiegeln (796), (797) und (798). Die Krümmungen der Spiegel liegen in der xz-Ebene. Bei dem gezeigten Fall haben die 3 Spiegel den gleichen Krümmungsradius. Vorteilhaft werden die Spiegel (797) und (798) übereinander mit der gleichen z-Position angeordnet. Der Spiegel (796) wird zu den Spiegeln (797) und (798) so angeordnet, dass die Entfernung dem Krümmungsradius der Spiegel gleicht. So bilden die Spiegel eine konfokale Anordnung. Die gestrichelte Linie symbolisiert die Mittelebene (33) der Multipasszelle. Bei diesem speziellen Fall ist die Mittelebene gleichzeitig die Fokusebene der Spiegel. In der Nähe der Mittelebene (33) wird ein nichtlineares Medium (66) angeordnet. Der mit einer Optik (261) geformte astigmatische Strahl (11) wird in eine Multipasszelle eingekoppelt. Bei diesem gezeigten Beispiel entstehen innerhalb der Multipasszelle 8 Strahlgänge (111, 112, 113, 114, 115, 116, 117 und 118). Grundsätzlich kann der Strahl (1) einen beliebigen Querschnitt haben. Für eine vereinfachte Darstellung wird vorausgesetzt, dass der Strahl (1) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Formungsoptik (261) wird so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl (11) in der yz-Ebene annähernd kollimiert ist und in der xz-Ebene die Strahltaille des Eingangsstrahls an der Mittelebene (33) liegt. Nach Reflexion von dem Spiegel (797) wird der Strahl in der xz-Ebene kollimiert, so dass der reflektierte Strahl (112) ein kollimierter Strahl mit einem annähernd kreisförmigen Querschnitt wird.
  • Durch geeignete Einstrahlung des Strahls (11) und Orientierung der Spiegel können innerhalb der Zelle 4*N Pässe generiert werden. Dabei ist N eine ganze Zahl.
  • Der Strahl (112) wird von dem Spiegel (796) zu einem Strahl (113) fokussierend in der xz-Ebene reflektiert. Der Strahl (113) hat seinen Fokus in Mittelebene (33). So hat er einen elliptischen Strahlquerschnitt in der Mittelebene (33). Der Strahl (113) wird von dem Spiegel (798) zu einem Strahl (114) reflektiert und kollimiert. Der Strahl (114) weist einen annähernd kreisförmigen Querschnitt auf.
  • Auf diese Weise wird der Strahl hin und her reflektiert und durchläuft mehrfach das Medium. Dabei ändert sich der Strahlquerschnitt von elliptisch zu kreisförmig und von kreisförmig wieder zu elliptisch. Die Querschnitte der Strahlen an Spiegel (796) zeigt die . In sind die Strahlquerschnitte in der Mittelebene (33) dargestellt. zeigt die Strahlquerschnitte an den Spiegeln (797) und (798). Es zeigt sich, dass an den Spiegeln der Strahl große und annähernd kreisförmige Querschnitte aufweist. Dies ist vorteilhaft, um Beschädigungen der Spiegel aufgrund hoher Pulsspitzenleistung zu vermeiden.
  • Vorteilhaft ist, dass mindestens einer der Spiegel (796), (797) und (798) ein GDD- oder GTI-Spiegel ist. Die Dispersion des Spiegels wird so gewählt, dass die durch das Medium und die Luft verursachte Dispersion ausgeglichen wird und die Pulslänge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durchgang verkürzt wird.
  • zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß dieser vorliegenden Patentanmeldung. Die Multipasszelle besteht aus 3 sphärischen und konkaven Spiegeln (776), (777) und (778). Bei dem gezeigten Fall haben die 3 Spiegel den gleichen Krümmungsradius. Vorteilhaft werden die Spiegel (777) und (778) übereinander mit der gleichen z-Position angeordnet. Der Spiegel (776) wird zu den Spiegeln (777) und (778) so angeordnet, dass die Entfernung dem Krümmungsradius der Spiegel gleicht. So bilden die Spiegel eine konfokale Anordnung. Die gestrichelte Linie symbolisiert die Mittelebene (33) der Multipasszelle. Bei diesem speziellen Fall ist die Mittelebene gleichzeitig die Fokusebene der Spiegel. In der Nähe der Mittelebene (33) oder in der Mittelebene (33) wird ein nichtlineares Medium (66) angeordnet. Der mit einer Optik (261) geformte astigmatische Strahl (11) wird in eine Multipasszelle eingekoppelt. Bei diesem gezeigten Beispiel entstehen Innerhalb der Multipasszelle 8 Strahlgänge (321, 322, 323, 324, 325, 326, 327 und 328). Grundsätzlich kann der Strahl (1) einen beliebigen Querschnitt haben. Für eine vereinfachte Darstellung wird vorausgesetzt, dass der Strahl (1) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Formungsoptik (261) wird so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl (11) in der yz-Ebene annähernd kollimiert ist und in der xz-Ebene die Strahltaille des Eingangsstrahls an der Mittelebene (33) liegt. Nach Reflexion von dem Spiegel (777) wird der Strahl in der xz-Ebene kollimiert, während in der yz-Ebene der Strahl fokussiert wird, so dass der reflektierte Strahl (322) ein astigmatischer Strahl ist, der in der xz-Ebene annähernd parallel ist und in der yz-Ebene eine Strahltaille in der Mittelebene aufweist und dessen Querschnitt sich während der Ausbreitung von kreisförmig zu elliptisch und wieder zu kreisförmig verändert.
  • Der Strahl (322) wird von dem Spiegel (776) zu einem Strahl (323) reflektiert. Dabei wird der Strahl in der xz-Ebene fokussiert und in der yz-Ebene kollimiert. In der xz-Ebene hat der Strahl (323) einen Fokus in Mittelebene (33). So hat er einen elliptischen Strahlquerschnitt in der Mittelebene (33). Der elliptische Querschnitt des Strahls (323) ist rechtwinklig zu dem Querschnitt des Strahls (322). Der Strahl (323) wird von dem Spiegel (778) zu einem Strahl (324) reflektiert. Dabei wird der Strahl in der xz-Ebene kollimiert und in der yz-Ebene fokussiert. Auf diese Weise wird der Strahl hin und her reflektiert und durchläuft mehrfach das Medium. Dabei ändert sich der Strahlquerschnitt von elliptisch zu kreisförmig und von kreisförmig wieder zu elliptisch. Die Querschnitte der Strahlen an Spiegel (776) zeigt die . In sind die Strahlquerschnitte in der Mittelebene (33) dargestellt. zeigt die Strahlquerschnitte an den Spiegeln (777) und (778). Es zeigt sich, dass der Strahl an den Spiegeln große und annähernd kreisförmige Querschnitte aufweist.
  • Auch hierbei ist es vorteilhaft, dass mindestens einer der Spiegel (776), (777) und (778) ein GDD- oder GTI-Spiegel ist. Die Dispersion des Spiegels wird so gewählt, dass die durch das Medium und die Luft verursachte Dispersionausgeglichen wird und die Pulslänge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durchgang verkürzt wird.
  • In und ist eine weitere Ausführung dargestellt. Dabei zeigt die die Aufsicht und die Seitenansicht einer Multipasszelle. Die Multipasszelle besteht aus 2 zylindrischen konkaven Spiegel (717) und (718). Die Zylinderachsen der beiden Spiegel stehen parallel zueinander und liegen in der xz-Ebene. Bei dem gezeigten Fall haben die beiden Spiegel den gleichen Krümmungsradius. Vorteilhaft werden die Spiegel (717) und (798) konfokal angeordnet. Die gestrichelte Linie symbolisiert die Mittelebene (33) der Multipasszelle. Für den konfokalen Fall ist die Mittelebene gleichzeitig die Fokusebene der Spiegel. In der Nähe der Mittelebene (33) wird ein nichtlineares Medium (66) angeordnet. Der mit einer Optik (261) geformte astigmatische Strahl (11) wird unter einem Winkel in eine Multipasszelle eingekoppelt. So entstehen zwischen den beiden Zylinderspiegeln Multipässe in Zickzack-Form. Grundsätzlich kann der Strahl (1) einen beliebigen Querschnitt haben. Für eine vereinfachte Darstellung wird vorausgesetzt, dass der Strahl (1) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Formungsoptik (261) wird so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl (11) in der xz-Ebene annähernd kollimiert ist und in der yz-Ebene die Strahltaille des Eingangsstrahls an der Mittelebene (33) liegt. Nach von dem Spiegel (718) wird der Strahl in der yz-Ebene kollimiert, so dass der reflektierte Strahl (362) ein in beiden Ebenen kollimierter Strahl mit einem annähernd kreisförmigen Querschnitt wird.
  • Der Strahl (362) wird von dem Spiegel (717) zu einem Strahl (363) fokussierend in der yz-Ebene reflektiert. Der Strahl (363) hat in der yz-Ebene einen Fokus in Mittelebene (33). So hat er einen elliptischen Strahlquerschnitt in der Mittelebene (33). Der Strahl (363) wird von dem Spiegel (718) zu einem Strahl (364) reflektiert. Dabei wird der Strahl in der yz-Ebene kollimiert. Der Strahl (364) weist einen annähernd kreisförmigen Querschnitt auf.
  • Auf diese Weise wird der Strahl von den beiden Spiegeln hin und her reflektiert und durchläuft mehrfach das Medium. Dabei ändert sich der Strahlquerschnitt von elliptisch zu kreisförmig und von kreisförmig wieder zu elliptisch. Die Querschnitte der Strahlen an Spiegel (717) zeigt die . In sind die Strahlquerschnitte in der Mittelebene (33) dargestellt. zeigt die Strahlquerschnitte an Spiegel (718). Es zeigt sich, dass an den Spiegeln der Strahl große und annähernd kreisförmige Querschnitte aufweist. Dies ist vorteilhaft, um Beschädigungen der Spiegel aufgrund hoher Pulsspitzenleistung zu vermeiden.
  • Durch einen geeigneten Einstrahlwinkel des Strahls (11) können innerhalb der Multipasszelle eine festgelegte Anzahl von Pässen generiert werden.
  • Vorteilhaft ist, dass mindestens einer der Spiegel (796), (797) und (798) ein GDD- oder GTI-Spiegel ist. Die Dispersion des Spiegels wird so gewählt, dass durch das Medium und die Luft verursachte Dispersion ausgeglichen wird und die Pulslänge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durchgang verkürzt wird.
  • und zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß dieser vorliegenden Patentanmeldung. Dabei zeigt die Aufsicht und die Seitenansicht einer Multipasszelle. Die Multipasszelle besteht aus 2 Spiegel-Arrays (727) und (728). Die Spiegel-Arrays werden durch sphärische Spiegelelemente, die identisch und konkav gekrümmt sind, gebildet. Die sphärischen Spiegelelemente haben den gleichen Krümmungsradius. Die beiden Spiegel-Arrays werden mit einem Abstand, der dem Krümmungsradius gleicht, zueinander angeordnet. So bilden die Spiegel-Arrays eine konfokale Anordnung. Die gestrichelte Linie symbolisiert die Mittelebene (33) der Multipasszelle. Bei diesem konfokalen Fall ist die Mittelebene gleichzeitig die Fokusebene der Spiegel. In der Nähe der Mittelebene (33) wird ein nichtlineares Medium (66) angeordnet. Der mit einer Optik (261) geformte astigmatische Strahl (11) wird in die Multipasszelle eingekoppelt. Bei diesem gezeigten Beispiel entstehen Innerhalb der Multipasszelle Strahlgänge (381, 382, 383, 384, 385, 386, 387, 388, 389, 390, 391, 392 und 393). Für eine vereinfachte Darstellung wird vorausgesetzt, dass der Strahl (1) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Formungsoptik (261) wird so ausgelegt und angeordnet, dass der Strahl (11) in der xz-Ebene annähernd kollimiert ist und in der xz-Ebene die Strahltaille des Eingangsstrahls an der Mittelebene (33) liegt. Nach Reflexion von einem ersten Spiegelelement des Spiegel-Arrays (728) wird der Strahl in der xz-Ebene kollimiert, während in der yz-Ebene der Strahl fokussiert wird, so dass der reflektierte Strahl (382) ein astigmatischer Strahl ist, der in der yz-Ebene annähernd parallel ist und in der xz-Ebene eine Strahltaille in der Mittelebene aufweist und dessen Querschnitt sich während der Ausbreitung von kreisförmig zu elliptisch und wieder zu kreisförmig verändert.
  • Der Strahl (382) wird von einem ersten Spiegelelement des Spiegel-Arrays (727) zu einem Strahl (383) reflektiert. Dabei wird der Strahl in der yz-Ebene fokussiert und in der xz-Ebene kollimiert. In der yz-Ebene hat der Strahl (383) einen Fokus in Mittelebene (33). So hat er einen elliptischen Strahlquerschnitt in der Mittelebene (33). Der elliptische Querschnitt des Strahls (383) ist rechtwinklig zu dem Querschnitt des Strahls (382). Der Strahl (383) wird von einem zweiten Spiegelelement des Spiegel-Arrays (728) zu einem Strahl (384) reflektiert. Dabei wird der Strahl in der yz-Ebene kollimiert und in der xz-Ebene fokussiert. Auf diese Weise wird der Strahl hin und her reflektiert und durchläuft mehrfach das Medium. Dabei ändert sich der Strahlquerschnitt von elliptisch zu kreisförmig und von kreisförmig wieder zu elliptisch. Die Querschnitte der Strahlen an dem Spiegel-Array (717) zeigt die . In sind die Strahlquerschnitte in der Mittelebene (33) dargestellt. zeigt die Strahlquerschnitte an dem Spiegel-Array (718). Es zeigt sich, dass an den Spiegelelementen der Strahl große und annähernd kreisförmige Querschnitte aufweist.
  • Auch hierbei ist es vorteilhaft, dass mindestens ein Spiegel-Array (717) und (718) ein GDD- oder GTI-Spiegel ist. Die Dispersion des Spiegels wird so gewählt, dass durch das Medium und die Luft verursachte Dispersion ausgeglichen wird und die Pulslänge aufgrund inkrementeller Verbreiterung des Strahlspektrums nach jedem Durchgang verkürzt wird.
  • Für einen stigmatischen Strahl (1) ist es vorteilhaft, dass für die Optik (261) eine zylindrische Linse verwendet wird, deren Fokuslänge der Fokuslänge der Spiegel gleicht und deren Fokus in der Fokusebene (33) liegt.
  • Zur Erhöhung der Strahlqualität können ein Blenden-Array oder mehrere Blenden-Array in der Multipasszelle, verwendet werden. Vorteilhaft wird ein Blenden-Array in der Fokusebene (33), oder in der Nähe der Fokusebene (33) verwendet werden. Die Blenden-Arrays weisen Öffnungen auf, deren Geometrie an die Strahlquerschnitte der jeweiligen Strahldurchtrittsstellen angepasst sind.
  • Beispiele von Blenden-Array für die in dargestellten White-Multipasszelle zeigen die , und .
  • Ein Beispiel von einem Blenden-Array, das in der Ebene von dem Spiegel (776) zeigt die . Diese Ebene hat Strahl 5 Durchtritte (201, 202, 203, 204, 205). Das Blenden-Array hat ebenfalls 5 Öffnungen (221, 222, 223, 224, 225). Als eine Faustregel gilt, dass die Öffnungen um 1,3- bis zu 2-Fach der Strahlquerschnitte des entsprechenden Gauß'schen Strahls betragen sollen. und zeigen beispielhaft die Anordnungen der Öffnungen von Blenden-Array für die Fokusebene (33) bzw. an den Spiegeln (777) und (778).

Claims (10)

  1. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen, wobei eine Multipasszelle und ein nichtlineares Medium (66) verwendet werden, wobei das nichtlineare Medium innerhalb der Multipasszelle angeordnet ist, so dass ein Laserstrahl mit Ultrakurzpulsen mehrfach das nichtlineare Medium durchläuft, dadurch gekennzeichnet ist, dass für die Einkopplung des Laserstrahls eine Formungsoptik (261) verwendet wird, wobei mit der Formungsoptik (261) der Laserstrahl (1) zu einem astigmatischen Strahl (11) geformt und in die Multipasszelle eingekoppelt wird.
  2. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle eine Herriott-Multipasszelle ist.
  3. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle aus 3 zylindrischen Spiegeln (796, 797 und 798) besteht, wobei die 3 zylindrischen Spiegel so ausgelegt und angeordnet werden, dass deren Krümmungen in einer gemeinsamen xz-Ebene liegen und deren Ebenen in einer gemeinsamen Fokusebene (33) stehen, wobei die Formungsoptik (261) so ausgelegt und angeordnet ist, dass der Strahl (1) zu einem Strahl (11) transformiert wird, der in der yz-Ebene kollimiert ist und in der xz-Ebene einen Fokus in der Fokusebene (33) aufweist, wobei das nichtlineare Medium (66) in der Fokusebene (33) oder in der Nähe der Fokusebene (33) platziert wird.
  4. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle aus 3 sphärischen Spiegeln (776, 777 und 778) besteht, wobei die 3 sphärischen Spiegel so ausgelegt und angeordnet werden, dass sie eine White-Multipasszelle bilden und eine gemeinsame Fokusebene (33) haben, wobei die Formungsoptik (261) so ausgelegt und angeordnet ist, dass der Strahl (1) zu einem astigmatischen Strahl (11) transformiert wird, der in der yz-Ebene kollimiert ist und in der xz-Ebene einen Fokus in der Fokusebene (33) aufweist, oder in der xz-Ebene kollimiert ist und in der yz-Ebene einen Fokus in der Fokusebene (33) aufweist, wobei das nichtlineare Medium (66) in der Fokusebene (33) oder in der Nähe der Fokusebene (33) platziert wird.
  5. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle aus zwei zylindrischen Spiegeln (717 und 718) besteht, wobei die beiden zylindrischen Spiegel so ausgelegt und angeordnet werden, dass deren Fokuslinien in der xz-Faltungsebene und in einer gemeinsamen Fokusebene (33) liegen, wobei die Formungsoptik (261) so ausgelegt und angeordnet wird, dass der Strahl (1) zu einem astigmatischen Strahl (11) transformiert wird, der in der xz-Ebene kollimiert ist und in der yz-Ebene einen Fokus in der Fokusebene (33) aufweist, wobei das nichtlineare Medium (66) in der Fokusebene (33) oder in der Nähe der Fokusebene (33) platziert wird.
  6. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipasszelle aus 2 Spiegel-Arrays (727 und 728) besteht, wobei jedes Spiegel-Array aus mindestens zwei sphärischen und konkaven Spiegelelementen besteht, wobei die sphärischen Spiegelelemente identisch und konkav gekrümmt sind und deren Fokusse in einer gemeinsamen Fokusebene (33) liegen, wobei die Formungsoptik (261) so ausgelegt und angeordnet wird, dass der Strahl (1) zu einem astigmatischen Strahl (11) transformiert wird, der in der yz-Ebene kollimiert ist und in der xz-Ebene einen Fokus in der Fokusebene (33) aufweist, oder in der xz-Ebene kollimiert ist und in der yz-Ebene einen Fokus in der Fokusebene (33) aufweist, wobei das nichtlineare Medium (66) in der Fokusebene (33) oder in der Nähe der Fokusebene (33) platziert wird.
  7. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestes einer der Spiegel oder mindestens eines der Spiegelelemente mit einer Beschichtung zur Kompensation der Dispersion versehen wird, so dass es wie ein GDD- oder GTI-Spiegel zur Verkürzung der Pulse wirkt.
  8. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Strahlqualität mindestens ein Blenden-Array in der Multipasszelle verwendet wird, wobei das Blenden-Array Öffnungen aufweist, deren Geometrie an die Strahlquerschnitte der jeweiligen Strahldurchtrittsstellen angepasst ist, wobei das Blenden-Array an einem oder mehreren Spiegel/n, an dem/denen der Strahl innerhalb der Multipasszelle reflektiert wird, oder/und in der Fokusebene (33), oder/und in der Nähe der Fokusebene (33) verwendet wird.
  9. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbst-Phasen-Modulation zwecks Verkürzung von Ultrakurzpulsen nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen des Blenden-Arrays um 1,3-bis zu 2-Fach der Strahlquerschnitte des entsprechenden Gauß'schen Strahls betragen sollen.
  10. Optische Anordnung zur Vergrößerung von spektralen Bandbreiten durch nichtlineare Selbstphasenmodulation zur Verkürzung von Ultrakurzpulsen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Pulsverkürzung der Pulse Gitter, Prismen, GDD-Spiegel oder/und GTI-Spiegel hinter der Multipasszelle angeordnet werden.
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