DE102020122731A1

DE102020122731A1 - Kurzpuls-Lasersystem und Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen

Info

Publication number: DE102020122731A1
Application number: DE102020122731.0A
Authority: DE
Inventors: Tino Eidam; Christian Gaida; Steffen Hädrich; Fabian Stutzki
Original assignee: Active Fiber Systems GmbH
Current assignee: Active Fiber Systems GmbH
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2022-03-03
Also published as: EP4205246A1; WO2022043021A1; CN116529667A; US20230335964A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Laserquelle (1), die gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen erzeugt, und wenigstens einer im Strahlverlauf angeordneten Pulskompressionseinrichtung (3), die ein nichtlineares Medium (7) aufweist, wobei die Laserpulse während der Propagation durch das Medium (7) eine nichtlineare spektrale Verbreiterung erfahren und den Laserpulsen dabei ein Chirp aufgeprägt wird. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches System bereit zu stellen, das es ermöglicht, nichtlinear komprimierte Laserpulse mit verbessertem zeitlichem Pulskontrast bzw. mit verbesserter Pulsqualität zu erzeugen. Die Erfindung schlägt hierzu vor, dass die Pulskompressionseinrichtung (3) den Laserpulsen eine entlang des Strahlverlaufs veränderliche Gruppenlaufzeitdispersion aufprägt, welche eine zumindest teilweise Kompensation des Chirps bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Laserquelle, die gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen erzeugt, und wenigstens einer im Strahlverlauf angeordneten Pulskompressionseinrichtung, die ein nichtlineares Medium aufweist, wobei die Laserpulse während der Propagation durch das Medium eine nichtlineare spektrale Verbreiterung erfahren und den Laserpulsen dabei ein Chirp aufgeprägt wird.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, bei dem gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen erzeugt wird und die erzeugten Laserpulse unter Aufprägung eines Chirps nichtlinear spektral verbreitert werden.
Lasersysteme zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse im Piko- und Femtosekundenbereich erfahren seit Jahren hohe Aufmerksamkeit.
Eine Vielzahl von Anwendungen derartiger Systeme erfordern eine kürzere Pulsdauer als sie vom Verstärkungsmedium des Lasersystems unterstützt wird. Darüber hinaus können Effekte im optischen Verstärker, wie Sättigung oder spektrale Einengung (engl. „gain narrowing“), zu einer Abnahme der spektralen Bandbreite der Laserstrahlung führen, was sich am Ausgang des Lasersystems in einer unerwünschten Verlängerung der Pulsdauer äußert.
Ein bekannter Ansatz zur Verkürzung der Pulsdauer ist die Ausnutzung von nichtlinearen Effekten zur kohärenten Erzeugung neuer spektraler Anteile. Die entsprechenden nichtlinearen Wechselwirkungen können im Verstärkungsmedium auftreten (nichtlineare Verstärkung) oder auch in separaten Komponenten, die dem optischen Verstärker im Strahlverlauf nachgeschaltet sind, und zwar in Form einer Pulskompressionseinrichtung. Die am häufigsten ausgenutzte nichtlineare Wechselwirkung von Laserstrahlung mit einem Medium zur Vergrößerung der spektralen Bandbreite ist die Selbstphasenmodulation (SPM). Die SPM-induzierte spektrale Verbreiterung kann in Medien verschiedenster Geometrien realisiert werden, z.B. in optischen Wellenleitern wie lichtleitenden Fasern.
Durch die SPM erhalten die Laserpulse zusätzliche Frequenzkomponenten, die Laserstrahlung gewinnt also an Bandbreite. Um die neu erzeugten Frequenzkomponenten für eine Verkürzung der Pulsdauer nutzen zu können, müssen die Laserpulse möglichst frei von Chirp, d.h. frei von unterschiedlichen zeitlichen Verzögerungen der verschiedenen Frequenzkomponenten der Laserstrahlung sein. Die Pulskompressionseinrichtung umfasst daher typischerweise dem nichtlinearen Medium nachgeschaltete dispersive Elemente, um den durch die SPM erzeugten Chirp weitestgehend zu kompensieren und dadurch die Laserpulse zeitlich zu komprimieren. Ziel ist die Erreichung einer Pulsdauer möglichst entsprechend der erzeugten spektralen Bandbreite, d.h. bandbreitenlimitierte Laserpulse minimaler Pulsdauer. Der durch die dispersiven Elemente erreichte Kompressionsfaktor kann dabei durch verschiedene Effekte limitiert sein, wie z.B. durch Ionisation, erreichbare Nichtlinearität, Verluste oder eine begrenzte spektrale Bandbreite des nichtlinearen Mediums.
Ein bekanntes Problem ist, dass die Pulsqualität der nichtlinear komprimierten Laserpulse nicht perfekt ist und ein gewisser Anteil der Pulsenergie sich in Nebenpulsen bzw. einem zeitlichen Untergrund der Laserstrahlung befindet. Dies liegt in der Natur der SPM-induzierten spektralen Verbreiterung, welche sich in ausgeprägten Modulationen in der spektralen Intensität widerspiegelt (siehe Agrawal, G. P., 2007, Nonlinear Fiber Optics, 4. Ausgabe, Amsterdam, Academic Press). Auch eine perfekte Beseitigung des Chirps hinterlässt einen Teil der Pulsenergie außerhalb des zeitlich verkürzten Hauptpulses. Bekannt ist es, dass für größere zeitliche Kompressionsfaktoren typischerweise der zeitliche Pulskontrast bzw. die Pulsqualität reduziert werden. Ein Maß für die Pulsqualität ist dabei derjenige Anteil der gesamten Pulsenergie, der in ein bestimmtes zeitliches Fenster um das Intensitätsmaximum des Pulses fällt.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, ein optisches System bereit zu stellen, das es ermöglicht, nichtlinear komprimierte Laserpulse mit verbessertem zeitlichem Pulskontrast bzw. mit verbesserter Pulsqualität zu erzeugen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem optischen System der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Pulskompressionseinrichtung den Laserpulsen eine entlang des Strahlverlaufs veränderliche Gruppenlaufzeitdispersion aufprägt, welche eine zumindest teilweise Kompensation des Chirps bewirkt.
Außerdem löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, bei dem gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen erzeugt wird und die erzeugten Laserpulse unter Aufprägung eines Chirps nichtlinear spektral verbreitert werden, wobei den Laserpulsen eine entlang des Strahlverlaufs veränderliche Gruppenlaufzeitdispersion aufgeprägt wird, welche eine zumindest teilweise Kompensation des Chirps bewirkt.
Grundidee der Erfindung ist eine Pulskompressionseinrichtung, in der die spektrale Verbreiterung und die Kompensation des Chirps verteilt auf möglichst viele Einzelschritte (im Grenzfall infinitesimal kleine Schritte) stattfindet, was einer (quasi-)adiabatischen Pulskompression entspricht. Dabei wird idealerweise der Kompressionsfaktor, d.h. der Faktor der zeitlichen Pulsverkürzung, pro Schritt möglichst klein gehalten, wodurch die spektralen Modulationen im SPM-verbreiterten Spektrum der Laserpulse reduziert werden. Vorzugsweise sollte der Kompressionsfaktor pro Schritt kleiner als vier, vorzugsweise kleiner als drei, besonders bevorzugt kleiner als zwei sein. Dadurch wird der Energieinhalt in Nebenpulsen reduziert und die Pulsspitzenleistung effektiv erhöht. Nach jedem Schritt der SPM-induzierten spektralen Verbreiterung wird der Laserpuls durch Aufprägen von Gruppenlaufzeitverzögerung (engl. „group delay dispersion“, kurz GDD) entsprechend komprimiert. Im einfachsten Fall bleibt die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung in den Folgeschritten unverändert. Aufgrund der immer weiter sinkenden Pulsdauer und der dadurch steigenden Pulsspitzenleistung nimmt allerdings die spektrale Verbreiterung zu und damit variiert auch der aufgeprägte Chirp pro Schritt. Entsprechend muss die Gruppenlaufzeitdispersion von Schritt zu Schritt, d.h. entlang des Strahlverlaufs variieren, um jeweils möglichst passend den in jedem Schritt aufgeprägten Chirp weitgehend zu kompensieren.
Bei möglichen Ausführungsformen der Erfindung variiert die Gruppenlaufzeitdispersion entlang des Strahlverlaufs stetig oder stufenweise. Tatsächlich kann die nichtlineare Kompression schrittweise erfolgen, wozu das nichtlineare Medium in zwei oder mehr voneinander separate Abschnitte unterteilt ist, die nacheinander von der Laserstrahlung durchlaufen werden, wobei jedem der Abschnitte des nichtlinearen Mediums im Strahlverlauf ein diesem Abschnitt zugeordnetes dispersives optisches Element nachfolgt, wobei sich die dispersiven optischen Elemente hinsichtlich der Gruppenlaufzeitdispersion voneinander unterscheiden. Bei dieser Ausgestaltung wechseln sich also im Strahlverlauf Abschnitte des nichtlinearen Mediums und diesen jeweils zugeordnete dispersive Elemente ab. Jeder Abschnitt des nichtlinearen Mediums mit zugehörigem dispersiven Element ist einem Schritt der nichtlinearen Kompression zuzuordnen. Das dispersive Element ist hinsichtlich der Gruppenlaufzeitdispersion so ausgelegt, dass der in dem zugehörigen Schritt erzeugte Chirp weitgehend kompensiert wird und somit insgesamt spektrale Modulationen während der nichtlinearen Kompression reduziert werden.
SPM ist ein intensitätsabhängiger Effekt, was bedeutet, dass in Wechselwirkungsbereichen (des nichtlinearen Mediums mit der Laserstrahlung) höherer Intensität eine stärkere spektrale Verbreiterung stattfindet als in Bereichen niedrigerer Intensität. Demzufolge erfährt ein Laserstrahl mit typischem Gauß-förmigem Strahlprofil während der Propagation durch das nichtlineare Medium, z.B. eine Glasplatte, eine räumlich inhomogene spektrale Verbreiterung. Die spektrale Verbreiterung ist nahe der Strahlachse stärker ausgeprägt als in den von der Strahlachse weiter entfernten Randbereichen. Viele Anwendungen verlangen allerdings eine über das Strahlprofil homogene spektrale Bandbreite der Laserpulse. Ein bekannter Ansatz zur räumlich homogenen spektralen Verbreiterung von gepulster Laserstrahlung (siehe Nenad Milosevic, Gabriel Tempea, and Thomas Brabec, „Optical pulse compression: bulk media versus hollow waveguides,“ Opt. Lett. 25, 672-674, 2000) nutzt aus, dass sich die spektrale Verbeiterung in einem Medium, das sich in einer abbildenden Spiegelanordnung, einer sogenannten Multipasszelle, die als stabiler Resonator ausgebildet ist, räumlich homogenisiert. Entsprechend kann sich mit Vorteil das nichtlineare Medium bei dem erfindungsgemäßen optischen System in einer Multipasszelle befinden, die von der Laserstrahlung mehrfach durchlaufen wird. Eine Multipasszelle umfasst eine Anordnung aus zwei oder mehr (teilweise fokussierenden) Spiegeln, die einen in die Multipasszelle eingekoppelten Laserstrahl an jedem Reflexionspunkt umleiten, so dass die Strahlausbreitung auf ein vordefiniertes Volumen entlang eines kontrollierten Propagationspfades in der Multipasszelle begrenzt wird, und zwar bis der Laserstrahl nach einer Mehrzahl von Reflexionen und damit Durchläufen durch das Volumen der Multipasszelle diese wieder verlässt. Bekannte Ausgestaltungen von Multipasszellen werden z.B. als White-Zellen oder Herriott-Zellen bezeichnet. Die Nutzung einer Multipasszelle zur räumlich homogenen spektralen Verbreiterung setzt voraus, dass die Spiegel der Multipasszelle so geformt und angeordnet sind, dass die Multipasszelle einen stabilen optischen Resonator bildet, der dadurch charakterisiert ist, dass Gauß'sche Strahlen als transversale Eigenlösung des Resonators existieren, welche die gewünschte räumliche Homogenisierung der spektralen Verbreiterung ebenso erfahren, wie transversale Eigenlösungen in nichtlinearen Wellenleitern.
Als nichtlineares Medium, das sich in der Multipasszelle befindet und entsprechend mehrfach von der Laserstrahlung durchlaufen wird, kann ein dielektrisches Material (z.B. eine Glasplatte) oder auch ein Gas (z.B. ein Edelgas) verwendet werden. Denkbar ist auch die Anordnung mehrerer nichtlinearer Elemente in der Multipasszelle, es kann eine Glasplatte mit variierender Dicke verwendet werden, oder es können Bereiche mit unterschiedlichem Gasdruck in der Multipasszelle vorgesehen sein.
Die Zerstörschwelle der Spiegel, welche zur Realisierung der Multipasszelle eingesetzt werden, limitiert die komprimierbare Pulsenergie bzw. die in die Zelle einkoppelbare Pulsspitzenleistung. Die Zerstörschwelle hängt von der Intensität der Laserstrahlung ab. Die Intensität auf den Spiegeloberflächen lässt sich prinzipiell durch Vergrößerung der Spiegelabstände reduzieren. Weiterhin kann nahe einer konzentrischen Spiegelkonfiguration gearbeitet werden, wodurch sich unter allen symmetrischen Anordnungen die größten Strahlradien auf den Spiegeloberflächen ergeben. Allerdings führt diese Konfiguration zu kleinen Fokussen der Laserstrahlung, was wiederum bei der Auslegung hinsichtlich der nichtlinearen Wechselwirkung im Medium beachtet werden muss. Einerseits ist auch hier eine Zerstörung des Mediums bzw. eine exzessive Ionisation zu vermeiden und andererseits darf die akkumulierte nichtlineare Phase pro Umlauf einen gewissen Grenzwert nicht überschreiten, um im Sinne der Erfindung die nichtlineare Pulskompression pro Schritt hinreichend gering zu halten.
Die erfindungsgemäße schrittweise Kompensation des Chirps kann dadurch erfolgen, dass die Spiegel der Multipasszelle dispersiv ausgelegt werden (z.B. als dielektrische Spiegel). Wenigstens einer der Spiegel kann dabei geeignet segmentiert sein, wobei die Laserstrahlung beim mehrfachen Durchlaufen der Multipasszelle nacheinander an verschiedenen Segmenten des Spiegels reflektiert wird. Wenigstens zwei der Segmente des Spiegels unterscheiden sich dabei voneinander hinsichtlich der aufgeprägten Gruppenlaufzeitdispersion, so dass bei jedem Kompressionsschritt, d.h. bei jedem Durchlauf der Laserstrahlung durch die in der Multipasszelle befindlichen nichtlinearen Medien bei der danach erfolgenden Reflexion an dem entsprechenden Spiegel der Laserstrahlung die passende Gruppenlaufzeitdispersion aufgeprägt wird, um den jeweils erzeugten Chirp weitgehend zu kompensieren und dadurch die spektralen Modulationen gering zu halten.
Die Multipasszelle kann mit den zugehörigen (segmentierten) Spiegeln so ausgelegt werden, dass die nichtlineare Kompression mit einer Unterteilung in eine vergleichsweise große Zahl von Schritten erfolgt. Entsprechend durchläuft die Laserstrahlung die Multipasszelle, d.h. den Fokus der Multipasszelle wenigstens dreimal, vorzugsweise wenigstens fünfmal, besonders bevorzugt wenigstens zehnmal oder sogar mehr als zwanzigmal.
Dadurch, dass das nichtlineare Medium in der Multipasszelle von der Laserstrahlung mehrfach durchlaufen wird, erfährt die Laserstrahlung bei jedem Schritt entlang des gesamten Strahlverlaufs eine im Wesentlichen konstante nichtlineare Suszeptibilität. Denkbar ist aber auch eine Abfolge von Multipasszellen der beschriebenen Art mit unterschiedlichen Suszeptibiltäten entlang des Strahlverlaufs.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Systems als Blockdiagramm;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pulskompressionseinrichtung, realisiert auf Basis von lichtleitenden Fasern;
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Pulskompressionseinrichtung, realisiert auf Basis einer Multipasszelle;
4 Diagramme der Verkürzung der Pulsdauer, des Spektrums und des zeitlichen Pulsverlaufs von nichtlinear komprimierten Laserpulsen;
5 eine Diagramm zur Illustration der auf mehrere Schritte aufgeteilten nichtlinearen Pulskompression gemäß der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung von erfindungsgemäß segmentierten Spiegeln der Multipasszelle gemäß 3.

Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 wird ein Eingangslaserstrahl EL aus gepulster Laserstrahlung mittels einer Laserquelle 1 (z.B. umfassend einen modengekoppelten Faseroszillator) mit nachgeschaltetem optischem Verstärker 2 erzeugt. Der Eingangslaserstrahl EL wird einer Pulskompressionseinrichtung 3 zugeführt. Die Pulskompressionseinrichtung 3 enthält ein nichtlineares Medium (in 1 nicht dargestellt), das eine nichtlineare spektrale Verbreiterung der Laserpulse durch Selbstphasenmodulation bewirkt. Der dabei erzeugte Chirp wird durch dispersive Elemente (in 1 nicht dargestellt) der Pulskompressionseinrichtung 3 kompensiert, so dass die Laserpulse in dem die Pulskompressionseinrichtung 3 verlassenden Ausgangslaserstrahl AL (nahezu) bandbreitenlimitiert sind.
Erfindungsgemäß erfolgt die spektrale Verbreiterung und die Kompensation des Chirps in der Pulskompressionseinrichtung verteilt auf eine Anzahl von Einzelschritten, um so eine (quasi-)adiabatische Pulskompression zu erzielen. Dabei wird idealerweise der Kompressionsfaktor, d.h. der Faktor der zeitlichen Pulsverkürzung, pro Schritt möglichst klein gehalten, wodurch die spektralen Modulationen im SPM-verbreiterten Spektrum der Laserpulse reduziert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 umfasst die Pulskompressionseinrichtung 3 mehrere Abschnitte von nichtlinearen Fasern 4 (z.B. gasgefüllte Hohlkernfasern oder konventionelle Stufenindexfasern) zur spektralen Verbreiterung der Laserpulse per SPM, jeweils gefolgt von einem geeignet dispersiven Faserabschnitt 5, 5', 5", der den durch die Faseranordnung propagierenden Laserpulsen eine geeignete Gruppenlaufzeitdispersion aufprägt, und zwar in der Weise, dass der in dem zugehörigen nichtlinearen Faserabschnitt 4 den Laserpulsen aufgeprägte Chirp möglichst vollständig kompensiert wird. Die dispersiven Faserabschnitte 5, 5', 5" unterscheiden sich hinsichtlich der aufgeprägten Gruppenlaufzeitdispersion, z.B. durch geeignete Auslegung der Längen der Faserabschnitte 5, 5', 5". Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist somit die nichtlineare Pulskompression in drei Einzelschritte unterteilt. Eine größere Zahl ist denkbar, wobei die Praktikabilität bei einer sehr großen Zahl von Schritten (z.B. 20 oder mehr) an ihre Grenzen gelangt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die Pulskompressionseinrichtung 3 durch eine nichtlineare Multipasszelle 6 realisiert, welche eine räumlich homogene spektrale Verbreiterung per SPM ermöglicht. Demnach homogenisiert sich die spektrale Verbeiterung in der abbildenden Spiegelanordnung der Multipasszelle 6, solange sich diese im Bereich einer stabilen Spiegelkonfigurationen befindet, d.h. sich eine Gauß-Mode als transversale Eigenlösung finden lässt. Als nichtlineares Medium 7, das sich in der Multipasszelle 6 befindet, kann ein dielektrisches Material (z.B. eine Glasplatte) oder auch ein Gas (z.B. ein Edelgas) verwendet werden. Einerseits erlaubt die Multipasszelle 6 eine nahezu verlustfreie spektrale Verbreiterung und andererseits sind die nichtlineare Wechselwirkung (im Fokus) und Dispersion weitgehend voneinander getrennt einstellbar. Unter der Annahme, dass die Dispersion des nichtlinearen Mediums 7 vernachlässigbar ist, kann die Dispersion eines oder mehrerer Spiegel 8, 8', zwischen denen die Laserstrahlung durch die Multipasszelle 7 hin und her reflektiert wird, genutzt werden, um eine erfindungsgemäß schrittweise (d.h. nach jeder nichtlinearen Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Medium 7 im Fokusdurchgang) Pulskompression durch Kompensation des Chirp zu erzielen. Dabei sind die Spiegel 8, 8', auf denen die Strahlen der einzelnen Durchgänge räumlich voneinander getrennt sind, in ihren Dispersionseigenschaften so ausgelegt, dass den Laserpulsen eine entlang des Strahlverlaufs, d.h. von Reflexion zu Reflexion veränderliche Gruppenlaufzeitdispersion aufgeprägt wird, um den Chirp zu kompensieren. Vorteilhaft können die Spiegel 8, 8' hierzu segmentiert sein (siehe 6), wobei die Laserstrahlung beim mehrfachen Durchlaufen der Multipasszelle 6 nacheinander an verschiedenen Segmenten (in 6 von 1 bis 20 durchnummeriert) der Spiegel 8, 8' reflektiert wird. Dabei unterscheiden sich die Segmente der Spiegel 8, 8' hinsichtlich der jeweils beim Reflexionsvorgang aufgeprägten Gruppenlaufzeitdispersion voneinander, um den Chirp passend für jeden Kompressionsschritt weitgehend zu kompensieren.
Das Prinzip der Erfindung wird nachfolgend anhand der Diagramme der 4 erläutert. Ausgangspunkt ist ein mittels der Laserquelle 1 erzeugter (und verstärkter) Laserpuls (Gauß-Puls) mit 300 fs Pulsdauer und 1 mJ Pulsenergie. Das mehrmals durchstrahlte nichtlineare Medium besitzt pro Kompressionsschritt einen nichtlinearen Parameter von γ = 2,5·10^-7 (W·m)^-1 der auf einer Strecke (z.B. durchstrahlte Dicke des Mediums) von 250 µm wirkt. Nach jedem Schritt der SPM-induzierten spektralen Verbreiterung werden die Laserpulse durch Aufprägen von Gruppenlaufzeitdispersion komprimiert. Die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung bleibt in den Folgeschritten unverändert. Aufgrund der sinkenden Pulsdauer und dadurch steigenden Pulsspitzenleistung steigt allerdings die spektrale Verbreiterung pro Schritt. Der Einfachheit halber werden Verluste sowie nichtlineare Effekte höherer Ordnung vernachlässigt und ebenso wird eine Betrachtung der Pulskompression unter Beachtung höherer Phasenterme (z.B. Dispersion dritter Ordnung) nicht durchgeführt. Die Diagramme der 4 zeigen die (Simulations-)Ergebnisse der auf diese Weise stufenweise durchgeführten Pulskompression. Das Diagramm der 4a zeigt die nach jedem Schritt erzielte Pulsdauer und die dazu nötige Gruppenlaufzeitdispersion in jedem Schritt. Die 4b und 4c zeigen das Ergebnis der 27-stufigen Pulskompression im Spektral- und Zeitbereich (Kurven 9, 10) im Vergleich zu dem ebenfalls simulierten Fall einer konventionellen, einstufigen Pulskompression (Kurven 11, 12). Die spektrale Breite ist auf 42,7 nm angestiegen, der 300 fs-Eingangspuls ist auf 28,5 fs komprimiert. Entscheidend ist der Pulsenergieinhalt in einem +/-50 fs-Fenster um das Pulsmaximum, welcher 90% der gesamten Pulsenergie beträgt und damit deutlich höher ist als in dem ebenfalls dargestellten Fall einstufiger nichtlinearer Kompression, wo nur 73% der gesamten Pulsenergie in demselben Zeitfenster enthalten sind. Das Beispiel der 4 soll lediglich den Ansatz der Erfindung illustrieren und keine optimierte Lösung darstellen. Eine weitere Steigerung des Pulskontrastes ist durch Anpassung der Schrittanzahl, der Stärke der Nichtlinearität pro Schritt und der Chirp-Kompensation pro Schritt möglich.
5 illustriert die für das Spiegeldesign der 6 erzielte Pulsdauer nach jedem Schritt und die für jeden Schritt nötige Gruppenlaufzeitdispersion. Ausgangspunkt ist wiederum ein 300 fs-Laserpuls mit 1 mJ Pulsenergie. Das mehrmals durchstrahlte nichtlineare Medium 7 besitzt pro Verbreiterungsschritt einen nichtlinearen Parameter von γ = 2,5·10^-7(W·m)-¹, der auf einer Länge von 250 µm wirkt. Demnach propagieren die Laserpulse jeweils 13 mal durch das nichtlineare Medium 7 und erfahren dabei eine spektrale Verbreiterung, ohne dass eine Kompensation des dabei erzeugten Chirp stattfindet. Dann folgt eine Spiegelreflexion mit einer aufgeprägten Gruppenlaufzeit von -7000 fs², was den Laserpuls auf ca. 120 fs verkürzt. Die folgenden drei Schritte bestehen aus nichtlinearer spektraler Verbreiterung und je -1000 fs² Gruppenlaufzeitdispersion, gefolgt von drei Schritten nichtlinearer spektraler Verbreiterung und je -500 fs² Gruppenlaufzeitdispersion und abschließend einem Durchgang durch das nichtlineare Medium 7 und abschließend einmal -200 fs² Gruppenlaufzeitdispersion. Die ursprüngliche spektrale Bandbreite der Laserpulse von 5,234 nm wird dabei auf 45,8 nm Bandbreite (FWHM) vergrößert. Die komprimierte Pulsdauer beträgt am Ende 28,6 fs, und der Energieanteil in dem +/-50 fs-Fenster um das Pulsmaximum beträgt 89% und ist damit sehr nahe an dem Wert der in 4 dargestellten, feinstufigen nichtlinearen Kompression (dort mit 27 Schritten) bei deutlich vereinfachter Realisierbarkeit mittels der in 6 gezeigten segmentierten Spiegel 8, 8'.
Jeder der beiden Spiegel 8, 8' der 6 besteht aus zehn Segmenten, wobei die ersten zwölf vom Strahlengang überlaufenen Segmente (beziffert mit 1-12) eine verschwindende Gruppenlaufzeitdispersion aufweisen, Segment 13 auf Spiegel 8' weist eine Gruppenlaufzeitdispersion von -7000 fs², Segment 14 und 16 auf Spiegel 8 sowie Segment 15 auf Spiegel 8' eine Gruppenlaufzeitdispersion von -1000 fs², Segment 18 auf Spiegel 8 sowie Segment 17 und 19 auf Spiegel 8' eine Gruppenlaufzeitdispersion von -500 fs² und Segment 20 auf Spiegel 8 hat wiederum eine verschwindende Gruppenlaufzeitdispersion (der letzte Kompressionsschritt geschieht in dem Fall außerhalb der Multipasszelle).
Auch zur der 6 sei erwähnt, dass diese ein Beispiel zwecks Illustration zeigt, und nicht eine optimierte Konfiguration. Ebenso ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Funktion nicht zwingend in einer Multipasszelle realisiert werden muss. 20 einzelne, zumindest teilweise gekrümmte Spiegel mit entsprechender Charakteristik hinsichtlich der Dispersion oder das Aufprägen der Dispersion nicht durch die Spiegel, sondern durch zusätzliche Elemente, liefern beispielsweise ein identisches Resultat. Ebenso muss nicht zwingend nur ein nichtlineares Element zum Einsatz kommen.
Bei dem Ansatz der Erfindung zur Verbesserung des Pulskontrastes bzw. der Pulsqualität nichtlinear komprimierter Laserpulse ist insbesondere im Hinblick auf das konkrete Ausführungsbeispiel mit Multipasszelle 6 zu beachten, dass die bei mehrfachem Durchlaufen des nichtlinearen Mediums steigende Pulsspitzenleistung nicht zu unerwünschten Effekten in der Multipasszelle führen sollte, wie z.B. die Zerstörung der Spiegel, störende Ionisation im Fokus zwischen den Spiegeln oder eine zu starke nichtlineare Wechselwirkung pro Fokusdurchgang.
Dies würde sich in einer Verschlechterung der räumlich-spektralen Homogenität des Laserstrahls im Ausgangsstrahl AL äußern. Diese limitierenden Effekte sind bei der Auslegung der Multipasszelle 6 zu beachten. Eine mögliche Lösung ist eine Abfolge von Multipasszellen der beschriebenen Art mit unterschiedlicher Nichtlinearität und/oder unterschiedlicher Spiegelkonfiguration (z.B. hinsichtlich Krümmungsradien und Abstand).
Anzumerken ist ebenso, dass auch bei verlustbehafteten Methoden der spektralen Verbreiterung (z.B. in einer Kapillare oder in einer Multipasszelle mit metallischen Spiegeln) der Ansatz der Erfindung aufgrund der Aufrechterhaltung starker nichtlinearer Wechselwirkung von Vorteil gegenüber einer konventionellen einstufigen spektralen Verbreiterung sein kann.
Vorstellbar ist auch, wie bereits erwähnt, eine adiabatische nichtlineare Pulskompression in einer Hintereinanderanordnung aus zwei oder mehr Multipasszellen der erfindungsgemäßen Art, mit jeweils angepassten Spiegeln und nichtlinearen Medien, um eine Pulsdauer im Bereich von nur wenigen optischen Zyklen bei gleichzeitig hoher zeitlicher Qualität zu erzeugen.

Claims

Optisches System mit einer Laserquelle (1), die gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen erzeugt, und wenigstens einer im Strahlverlauf angeordneten Pulskompressionseinrichtung (3), die ein nichtlineares Medium (7) aufweist, wobei die Laserpulse während der Propagation durch das Medium (7) eine nichtlineare spektrale Verbreiterung erfahren und den Laserpulsen dabei ein Chirp aufgeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulskompressionseinrichtung (3) den Laserpulsen eine entlang des Strahlverlaufs veränderliche Gruppenlaufzeitdispersion aufprägt, welche eine zumindest teilweise Kompensation des Chirps bewirkt.
Optisches System nach Anspruch 1, wobei die aufgeprägte Gruppenlaufzeitdispersion entlang des Strahlverlaufs stetig oder stufenweise variiert.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das nichtlineare Medium (7) in zwei oder mehr voneinander separate Abschnitte (4) unterteilt ist, die nacheinander von der Laserstrahlung durchlaufen werden, wobei wenigstens einigen oder jedem der Abschnitte (4) des nichtlinearen Mediums im Strahlverlauf ein diesem Abschnitt zugeordnetes dispersives optisches Element (5, 5', 5") nachfolgt, wobei sich wenigstens zwei oder sämtliche der dispersiven optischen Elemente (5, 5', 5") hinsichtlich der durch sie aufgeprägten Gruppenlaufzeitdispersion voneinander unterscheiden.
Optisches System nach Anspruch 3, wobei der Kompressionsfaktor, d.h. der Faktor der zeitlichen Pulsverkürzung der Laserpulse pro Abschnitt (4) mit jeweils zugeordnetem dispersiven optischen Element (5, 5', 5') kleiner als vier, vorzugsweise kleiner als drei, besonders bevorzugt kleiner als zwei ist.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich das nichtlineare Medium in einer Multipasszelle (6) befindet, die von der Laserstrahlung mehrfach durchlaufen wird.
Optisches System nach Anspruch 5, wobei die Multipasszelle (6) wenigstens zwei Spiegel (8, 8') aufweist, zwischen denen die Laserstrahlung hin und her reflektiert wird.
Optisches System nach Anspruch 6, wobei die Form und Anordnung der Spiegel (8, 8') so gewählt sind, dass die Multipasszelle (6) einen stabilen optischen Resonator bildet.
Optisches System nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Spiegel (8, 8') sphärisch und in konzentrischer Anordnung sind, wobei sich das nichtlineare Medium (7) im Zentrum der Anordnung befindet.
Optisches System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Spiegel (8, 8') dispersiv sind.
Optisches System nach Anspruch 9, wobei sich die Spiegel (8, 8') hinsichtlich der aufgeprägten Gruppenlaufzeitdispersion voneinander unterscheiden.
Optisches System nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei wenigstens einer der Spiegel (8, 8') segmentiert ist, wobei die Laserstrahlung beim mehrfachen Durchlaufen der Multipasszelle (6) nacheinander an verschiedenen Segmenten des Spiegels (8, 8') reflektiert wird.
Optisches System nach Anspruch 11, wobei sich wenigstens zwei der Segmente des Spiegels (8, 8') hinsichtlich der aufgeprägten Gruppenlaufzeitdispersion voneinander unterscheiden.
Optisches System nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei die Laserstrahlung die Multipasszelle (6) wenigstens dreimal, vorzugsweise wenigstens fünfmal, besonders bevorzugt wenigstens zehnmal durchläuft.
Optisches System nach einem der Ansprüche 5 bis 13, wobei der Kompressionsfaktor, d.h. der Faktor der zeitlichen Pulsverkürzung der Laserpulse, pro Durchlauf kleiner als vier, vorzugsweise kleiner als drei, besonders bevorzugt kleiner als zwei ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die nichtlineare Suszeptibilität des Mediums (7) entlang des Strahlverlaufs im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, bei dem gepulste Laserstrahlung bestehend aus einer zeitlichen Abfolge von Laserpulsen erzeugt wird und die erzeugten Laserpulse unter Aufprägung eines Chirps nichtlinear spektral verbreitert werden, dadurch gekennzeichnet, dass den Laserpulsen eine entlang des Strahlverlaufs veränderliche Gruppenlaufzeitdispersion aufgeprägt wird, welche eine zumindest teilweise Kompensation des Chirps bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeprägte Gruppenlaufzeitdispersion entlang des Strahlverlaufs stetig oder stufenweise variiert.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die nichtlineare spektrale Verbreiterung und die dazu korrespondierende Kompensation des Chirps in zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Einzelschritten erfolgt, wobei der Kompressionsfaktor, d.h. der Faktor der zeitlichen Pulsverkürzung der Laserpulse pro Einzelschritt, kleiner als vier, vorzugsweise kleiner als drei, besonders bevorzugt kleiner als zwei ist.