DE102021122360A1 - Optical system and method for generating wavelength-tunable laser pulses - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System und ein Verfahren zur Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen. Das System umfasst eine Kurzpulslaserquelle (1), die zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung eingerichtet ist. Ein nichtlineares optisches Element (3) ist vorgesehen, das hinsichtlich der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung durchstimmbar und dazu ausgelegt ist, die Laserstrahlung in spektral verbreiterte Laserstrahlung umzuwandeln ist. Ein nachgeschalteter optischer Filter (4) ist für wenigstens einen spektralen Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig und für andere spektrale Anteile undurchlässig.The invention relates to an optical system and a method for generating wavelength-tunable laser pulses. The system includes a short-pulse laser source (1) that is set up to generate pulsed laser radiation. A non-linear optical element (3) is provided, which can be tuned in terms of the strength of the non-linear interaction and is designed to convert the laser radiation into spectrally broadened laser radiation. A downstream optical filter (4) is transparent to at least one spectral component of the spectrally broadened laser radiation and opaque to other spectral components.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System und ein Verfahren zur Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen.The invention relates to an optical system and a method for generating wavelength-tunable laser pulses.

Kurzpulslaser, insbesondere Ultrakurzpulslaser, die Laserpulse mit einer Pulsdauer im Piko- bis Femtosekundenbereich erzeugen, haben sich in den letzten Jahren als vielfältig einsetzbare Werkzeuge z.B. in der hochpräzisen Materialbearbeitung und modernen Wissenschaft etabliert. Eine Vielzahl von Anwendungen erfordern dabei ultrakurze Laserpulse hoher Pulsenergie mit durchstimmbarer Emissionswellenlänge. Die gewünschte Variabilität der Wellenlänge überfordert allerdings oft die verfügbare Emissionsbandbreite des in dem verwendeten Laser oder optischen Verstärker eingesetzten aktiven Mediums. Ein bekannter Ansatz, um hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbare, ultrakurze Laserpulse bei vergleichsweise hoher Pulsenergie zu erzeugen, basiert auf der parametrischen Verstärkung. Dabei werden Laserpulse einer Signalstrahlung auf Kosten von Laserpulsen einer Pumpstrahlung in einem nichtlinearen Medium, typischerweise einem Kristall, verstärkt. Zusätzlich entstehen Laserpulse einer Idlerstrahlung, sodass die Energieerhaltung gewahrt ist. Die Effizienz des parametrischen Prozesses hängt von den Eigenschaften des nichtlinearen Mediums ab und von der Einhaltung der Phasenanpassungsbedingung. Letztere kann durch die Auswahl sowie die Orientierung des Kristalls relativ zu den miteinander wechselwirkenden Strahlen der Pump-, Signal- und Idlerstrahlung bestimmt und variiert werden, wodurch äußerst kurze und/oder durchstimmbare Laserpulse erzeugt bzw. verstärkt werden können (siehe G. Cerullo, S. De Silvestri, „Ultrafast optical parametric amplifiers“, Rev. Sci. Instrum. 74, 1-18, 2003).Short-pulse lasers, in particular ultra-short-pulse lasers that generate laser pulses with a pulse duration in the picosecond to femtosecond range, have established themselves in recent years as versatile tools, e.g. in high-precision material processing and modern science. A large number of applications require ultra-short laser pulses of high pulse energy with tunable emission wavelengths. However, the desired variability of the wavelength often overwhelms the available emission bandwidth of the active medium used in the laser or optical amplifier used. A well-known approach to generating wavelength-tunable, ultra-short laser pulses with comparatively high pulse energy is based on parametric amplification. In this case, laser pulses of a signal radiation are amplified at the expense of laser pulses of a pump radiation in a non-linear medium, typically a crystal. In addition, laser pulses of idler radiation are generated, so that energy conservation is maintained. The efficiency of the parametric process depends on the properties of the nonlinear medium and on compliance with the phase-matching condition. The latter can be determined and varied by the selection and the orientation of the crystal relative to the interacting beams of the pump, signal and idler radiation, whereby extremely short and/or tunable laser pulses can be generated or amplified (see G. Cerullo, p De Silvestri, "Ultrafast optical parametric amplifiers", Rev. Sci. Instrum. 74, 1-18, 2003).

Die nichtlineare spektrale Verbreiterung (zum Beispiel in optischen Wellenleitern oder Multipasszellen) durch Selbstphasenmodulation ist ein bekannter Ansatz, um die Pulsdauer von gepulster Laserstrahlung nachträglich zu verkürzen (M. Nisoli, S. De Silvestri, O. Svelto, R. Szipöcs, K. Ferencz, C. Spielmann, S. Sartania, and F. Krausz, „Compression of high-energy laser pulses below 5 fs,“ Opt. Lett. 22, 522-524, 1997). Dazu wird meist ein dispersives Elemente, z.B. in Form eines gechirpten Spiegels, der nichtlinearen spektralen Verbreiterungsstufe nachgeschaltet. Das Resultat sind der (nichtlinear vergrößerten) spektralen Breite entsprechend nahezu transform-limitierte, sehr kurze Laserpulse.Nonlinear spectral broadening (e.g. in optical waveguides or multipass cells) by self-phase modulation is a well-known approach to subsequently shortening the pulse duration of pulsed laser radiation (M. Nisoli, S. De Silvestri, O. Svelto, R. Szipöcs, K. Ferencz , C. Spielmann, S. Sartania, and F. Krausz, "Compression of high-energy laser pulses below 5 fs," Opt. Lett. 22, 522-524, 1997). For this purpose, a dispersive element, e.g. in the form of a chirped mirror, is usually connected downstream of the non-linear spectral broadening stage. The result is almost transform-limited, very short laser pulses corresponding to the (non-linearly increased) spectral width.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem sowie ein Verfahren bereit zu stellen, welche mit einfachen Mitteln die Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen ermöglichen. Die Methode soll möglichst flexibel einsetzbar, hochleistungstauglich und effizient sein.Against this background, it is the object of the invention to provide a laser system and a method which, with simple means, make it possible to generate laser pulses whose wavelength can be tuned. The method should be as flexible as possible, suitable for high performance and efficient.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein optisches System mit

  • - einer Kurzpulslaserquelle, die zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung eingerichtet ist,
  • - einem nichtlinearen optischen Element, das hinsichtlich der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung durchstimmbar und dazu ausgelegt ist, die Laserstrahlung in spektral verbreiterte Laserstrahlung umzuwandeln ist, und
  • - einem optischen Filter, der für wenigstens einen spektralen Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig und für andere spektrale Anteile undurchlässig ist.
The invention solves this problem with an optical system
  • - a short-pulse laser source set up to generate pulsed laser radiation,
  • - a non-linear optical element which can be tuned in terms of the strength of the non-linear interaction and is designed to convert the laser radiation into spectrally broadened laser radiation, and
  • - An optical filter which is permeable to at least one spectral component of the spectrally broadened laser radiation and opaque to other spectral components.

Außerdem löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen, mit den Verfahrensschritten

  • - nichtlineare spektrale Verbreiterung einer gepulsten Laserstrahlung, wobei die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung variiert wird, und
  • - spektrale Filterung der spektral verbreiterten Laserstrahlung, wobei wenigstens ein spektraler Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert wird.
In addition, the invention solves the problem by a method for generating wavelength-tunable laser pulses, with the method steps
  • - non-linear spectral broadening of a pulsed laser radiation, whereby the strength of the non-linear interaction is varied, and
  • - Spectral filtering of the spectrally broadened laser radiation, at least one spectral component of the spectrally broadened laser radiation being selected.

Kern der Erfindung ist die gezielt durchstimmbare nichtlineare spektrale Verbreiterung der mittels der Kurzpulslaserquelle erzeugten Laserstrahlung (d.h. mit variabler Nichtlinearität) und darauf abgestimmter spektraler Filterung.The core of the invention is the specifically tunable, non-linear spectral broadening of the laser radiation generated by means of the short-pulse laser source (i.e. with variable non-linearity) and spectral filtering coordinated therewith.

Durch die spektrale Verbreiterung entstehen neue spektrale Anteile bei Wellenlängen, die von der der zentralen Wellenlänge der ursprünglichen Laserpulse abweichen. Zur Durchstimmung der Wellenlänge wird die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung variiert, d.h. es wird z.B. die Pulsenergie der gepulsten Laserstrahlung oder die Nichtlinearität des Mediums (z.B. durch Variation des Drucks des gasförmigen nichtlinearen Mediums) variiert, so dass entsprechend die intensitätsabhängige nichtlineare Wechselwirkung und damit die spektrale Verbreiterung variiert wird. Anschließend wird ein gewünschter spektraler Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert. Durch Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung in Kombination mit darauf abgestimmter spektraler Filterung sind auf diese Weise kurze und leistungsstarke Laserpulse, die hinsichtlich ihrer Zentralwellenlänge über einen weiten Bereich durchgestimmt werden können, erzeugbar. Dabei überlappt vorzugsweise der wenigstens eine von dem optischen Filter durchgelassene spektrale Anteil nicht mit dem Spektrum der von dem Kurzpulslaser ursprünglich, d.h. vor der spektralen Verbreiterung emittierten Laserstrahlung.The spectral broadening creates new spectral components at wavelengths that deviate from the central wavelength of the original laser pulses. To tune the wavelength, the strength of the nonlinear interaction is varied, ie the pulse energy of the pulsed laser radiation or the nonlinearity of the medium (e.g. by varying the pressure of the gaseous nonlinear medium) is varied, so that the intensity-dependent nonlinear interaction and so that the spectral broadening is varied. A desired spectral component of the spectrally broadened laser radiation is then selected. By varying the strength of the non-linear interaction in combination with spectral filtering tailored to it, short and powerful laser pulses can be generated in this way, which can be tuned over a wide range with regard to their central wavelength. The at least one spectral component let through by the optical filter preferably does not overlap with the spectrum of the laser radiation originally emitted by the short-pulse laser, ie before the spectral broadening.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der optische Filter hinsichtlich seiner spektralen Durchlasscharakteristik durchstimmbar. Der optische Filter kann ein Kantenfilter sein, der zwei voneinander getrennte Spektralbereiche aufweist, in denen der Filter transmittiert (durchlässig ist) beziehungsweise absorbiert (undurchlässig ist), wobei die Grenzwellenlänge zwischen den beiden Bereichen einstellbar ist. Bei der praktischen Realisierung des durchstimmbaren Filters kommen verschiedene Varianten in Frage. Zum Beispiel können Elemente wie Gitter oder Prismen zur räumlichen Separation der spektralen Anteile zum Einsatz kommen, was ein verstellbares räumliches Ausblenden der nicht durchzulassenden spektralen Anteile erlaubt. Ebenso sind dielektrische Kantenfilter mit einer Hoch- bzw. Tiefpass-Charakteristik denkbar. Vorzugsweise besitzt der Filter über den selektierten Spektralbereich eine vernachlässigbare Gruppengeschwindigkeitsdispersion, um unmittelbar nach der spektralen Filterung nahezu transform-limitierte Pulse zu ermöglichen. Ansonsten muss eine geeignete nachgeschaltete Dispersionskompensation in Betracht gezogen werden.In a preferred embodiment, the optical filter can be tuned with regard to its spectral transmission characteristic. The optical filter can be an edge filter that has two spectral ranges that are separate from one another, in which the filter transmits (is transparent) or absorbs (is impermeable), with the limit wavelength between the two ranges being adjustable. Various variants can be considered for the practical implementation of the tunable filter. For example, elements such as gratings or prisms can be used for the spatial separation of the spectral components, which allows an adjustable spatial masking of the spectral components that are not allowed to pass. Dielectric edge filters with a high-pass or low-pass characteristic are also conceivable. The filter preferably has a negligible group velocity dispersion over the selected spectral range, in order to enable nearly transform-limited pulses immediately after the spectral filtering. Otherwise, appropriate downstream dispersion compensation must be considered.

Insbesondere bei Einsatz eines Kantenfilters ist es vorteilhaft, wenn durch die optische Filterung nur die letzte spektrale Modulation am unteren (kurzwelligen) und/oder oberen (langwelligen) Ende des Spektrums der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert wird. Durch die nichtlineare spektrale Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation entsteht typischerweise ein stark moduliertes Spektrum. Die Grenzfrequenz des Kantenfilters kann dabei zweckmäßig auf das Minimum untermittelbar neben der letzten Modulation am unteren und/oder oberen Ende des Spektrums eingestellt werden. Im Ergebnis wird eine klar begrenzte, nicht weiter modulierte Spektrallinie selektiert, so dass transform-limitierte Laserpulse guter Qualität und kurzer Pulsdauer erhalten werden können.In particular when using an edge filter, it is advantageous if only the last spectral modulation at the lower (short-wave) and/or upper (long-wave) end of the spectrum of the spectrally broadened laser radiation is selected by the optical filtering. A strongly modulated spectrum typically results from the non-linear spectral broadening by self-phase modulation. The cut-off frequency of the edge filter can expediently be set to the minimum immediately next to the last modulation at the lower and/or upper end of the spectrum. As a result, a clearly defined spectral line that is not further modulated is selected, so that transform-limited laser pulses of good quality and short pulse duration can be obtained.

Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung ist, dass eine möglichst kurze Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung vor der durchstimmbaren nichtlinearen spektralen Verbreiterung vorteilhaft ist. Einerseits steigt mit kürzerer Pulsdauer die Effizienz des Verfahrens und andererseits sinkt mit kürzerer Pulsdauer die Pulsdauer der Laserstrahlung nach der spektralen Filterung. Auch resultiert daraus ein besonders großer Durchstimmbereich hinsichtlich der Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung.An essential finding of the invention is that the shortest possible pulse duration of the pulsed laser radiation is advantageous before the tunable, non-linear spectral broadening. On the one hand, the efficiency of the method increases with a shorter pulse duration and, on the other hand, the pulse duration of the laser radiation after spectral filtering decreases with a shorter pulse duration. This also results in a particularly large tuning range with regard to the wavelength of the pulsed laser radiation.

Bekannte Hochleistungs-Kurzpulslaser sind durch ihre Verstärkungsbandbreite meist auf eine Pulsdauer von mehr als 200 fs beschränkt. Daher kann eine für das erfindungsgemäße Prinzip geeignet kurze Pulsdauer vorteilhaft durch einen zweistufigen Ansatz erzielt werden. Hierzu kann im Verlauf der Laserstrahlung zwischen Kurzpulslaserquelle und nichtlinearem optischen Element eine Pulskompressionsstufe angeordnet sein, die zur Verkürzung der Pulsdauer der von der Kurzpulslaserquelle gelieferten gepulsten Laserstrahlung ausgelegt ist, sodass die Pulsdauer am Ausgang der Pulskompressionsstufe, d.h. am Eingang des durchstimmbaren nichtlinearen optischen Elementes weniger als 500 fs, vorzugsweise weniger als 200 fs, besonders bevorzugt weniger als 100 fs beträgt. Known high-power short-pulse lasers are usually limited to a pulse duration of more than 200 fs due to their amplification bandwidth. A short pulse duration that is suitable for the principle according to the invention can therefore advantageously be achieved by a two-stage approach. For this purpose, a pulse compression stage can be arranged in the course of the laser radiation between the short-pulse laser source and the non-linear optical element, which is designed to shorten the pulse duration of the pulsed laser radiation supplied by the short-pulse laser source, so that the pulse duration at the output of the pulse compression stage, i.e. at the input of the tunable non-linear optical element, is less than 500 fs, preferably less than 200 fs, more preferably less than 100 fs.

Die Erfindung schlägt demnach vor, dass im ersten Schritt eine konventionelle Pulskompression z.B. mittels eines (nicht durchstimmbaren) nichtlinearen spektralen Verbreiterungselementes in Kombination mit einer dispersiven optischen Komponente zur zeitlichen Verkürzung der Laserpulse erfolgt. Nachfolgend kommt dann das zuvor beschriebene Prinzip der Variation der Nichtlinearität in Kombination mit spektraler Filterung zum Einsatz, um durchstimmbare, ultrakurze und kontrastreiche Laserpulse mit einer Pulsdauer im Bereich unterhalb von 50 fs, potenziell sogar unterhalb von 20 fs zu erzeugen.The invention therefore proposes that, in the first step, conventional pulse compression be carried out, e.g. by means of a (non-tunable) non-linear spectral broadening element in combination with a dispersive optical component to shorten the time of the laser pulses. The previously described principle of varying the non-linearity in combination with spectral filtering is then used to generate tunable, ultra-short and high-contrast laser pulses with a pulse duration in the range of less than 50 fs, potentially even less than 20 fs.

Alternativ kann Laserstrahlung mit einer hinreichend kurzen Pulsdauer in dem oben genannten Bereich direkt von einer hierfür entsprechend ausgelegten Kurzpulslaserquelle bereitgestellt werden.Alternatively, laser radiation with a sufficiently short pulse duration in the above-mentioned range can be provided directly by a short-pulse laser source that is appropriately designed for this purpose.

Als nichtlineares optisches Element mit durchstimmbarer Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung eignet sich z.B. eine von der Laserstrahlung durchstrahlte optische Faser, eine gasgefüllte Kapillare oder eine mit einem nichtlinearen Medium gefüllte Multipasszelle. Die nichtlineare Wechselwirkung kann variiert werden, indem z.B. die Pulsenergie variiert wird. Ebenso kann der Gasdruck des nichtlinearen Mediums in der gasgefüllten Kapillare bzw. in der Multipasszelle variiert werden. Die praktische Realisierung zur nichtlinearen spektralen Verbreiterung kann an die jeweils verfügbare bzw. anvisierte Pulsenergie angepasst werden. Bei Pulsenergien im nJ bis µJ Bereich eignen sich zum Beispiel konventionelle Fasern, im Bereich von einigen µJ bis einige mJ gasgefüllte Hohlkernfasern. Gasgefüllte Multipasszellen erlauben eine besonders effiziente Realisierung des Ansatzes der Erfindung und eignen sich ebenso für Pulsenergien im Bereich von wenigen µJ bis hin zu einigen 10mJ. Bei noch höheren Pulsenergien sind dünne Folien als nichtlineares Medium vorstellbar.An optical fiber through which the laser radiation passes, a gas-filled capillary or a multi-pass cell filled with a non-linear medium, for example, is suitable as a non-linear optical element with a tunable strength of the non-linear interaction. The non-linear interaction can be varied, for example by varying the pulse energy. The gas pressure of the non-linear medium in the gas-filled capillary or in the multi-pass cell can also be varied. The practical realization of the non-li nearen spectral broadening can be adapted to the respectively available or targeted pulse energy. For example, conventional fibers are suitable for pulse energies in the nJ to µJ range, while gas-filled hollow-core fibers are suitable for pulse energies in the range from a few µJ to a few mJ. Gas-filled multi-pass cells allow the approach of the invention to be implemented particularly efficiently and are also suitable for pulse energies in the range from a few μJ to a few 10 mJ. At even higher pulse energies, thin foils are conceivable as a non-linear medium.

Bei einer möglichen Ausgestaltung liegt die Zentralwellenlänge der zunächst von einem Kurzpulslaser erzeugten Laserstrahlung bei wenigstens 1000 nm, z.B. bei 1030 nm. Durch die nichtlineare spektrale Verbreiterung können neue spektrale Anteile z.B. im Bereich zwischen 700 nm und 1000 nm erzeugt werden. Aus diesem Bereich kann dann mittels des optischen Filters ein Anteil selektiert werden. Die so nach der optischen Filterung erhaltene Laserstrahlung ist durch Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung und darauf abgestimmte In one possible embodiment, the central wavelength of the laser radiation initially generated by a short-pulse laser is at least 1000 nm, e.g. 1030 nm. The non-linear spectral broadening allows new spectral components to be generated, e.g. in the range between 700 nm and 1000 nm. A portion can then be selected from this area by means of the optical filter. The laser radiation thus obtained after optical filtering is tuned by varying the strength of the non-linear interaction and tuned to it

Variation der Durchlasscharakteristik des optischen Filters in dem genannten Spektralbereich durchstimmbar. Je nach zur Verfügung stehender Pulsenergie und Pulsspitzenleistung durch den treibenden Laser sowie des gewünschten spektralen Bereiches, muss die Nichtlinearität zur Verbreiterung angepasst werden.Variation of the transmission characteristic of the optical filter in said spectral range tunable. Depending on the available pulse energy and pulse peak power from the driving laser as well as the desired spectral range, the non-linearity must be adjusted for broadening.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1: Illustration des Prinzips der Erfindung anhand von Diagrammen, die den zeitlichen Verlauf der Laserpulse bzw. die zugehörigen Spektren zeigen;
  • 2: Spektren von gepulster Laserstahlung, erhalten gemäß der Erfindung durch variable spektrale Verbreiterung in Kombination mit darauf abgestimmter spektraler Selektion;
  • 3: schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems;
  • 4: schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems.
Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. Show it:
  • 1 : Illustration of the principle of the invention using diagrams that show the time course of the laser pulses and the associated spectra;
  • 2 : spectra of pulsed laser radiation obtained according to the invention by variable spectral broadening in combination with spectral selection matched thereto;
  • 3 : schematic representation of a first exemplary embodiment of a laser system according to the invention;
  • 4 : schematic representation of a second exemplary embodiment of a laser system according to the invention.

1 zeigt in den Diagrammen der linken Spalte (1a, 1c, 1d) die Zeitdomäne, in der rechten Spalte (1b, 1d, 1f) die Spektraldomäne. Die 1a und 1b zeigen einen Laserpuls bzw. das zugehörige Spektrum. In diesem Beispiel handelt sich um transform-limitierte, Gauss-förmige Laserpulse. Die Pulsdauer beträgt 100 fs nach Verkürzung der Pulsdauer von mittels eines Kurzpulslasers erzeugter gepulster Laserstrahlung durch nichtlineare spektrale Verbreiterung und dispersive Kompression (s.u.). Die Zentralwellenlänge liegt bei 1030 nm bei einer Pulsenergie von 4 mJ. Eine spektrale Verbreiterung dieser Laserstrahlung erfolgt in einem nichtlinearen Medium durch Selbstphasenmodulation mit einem nichtlinearen Index von 3·10-23 m2/W. Dabei beträgt der Strahldurchmesser 500 µm. Die Wechselwirkungsstrecke in dem nichtlinearen Medium ist 1m lang. Die 1c und 1d zeigen das Resultat der spektralen Verbreiterung. Zu erkennen ist in 1d ein stark moduliertes, gegenüber 1b signifikant verbreitertes Spektrum, das sich von ca. 750 nm bis zu 1500 nm erstreckt. Ein spektraler Filter, hier ein Kantenfilter, selektiert im nächsten Schritt die äußerste kurzwellige Modulation des verbreiterten Spektrums. Die Filtercharakteristik des Kantenfilters ist in 1d angedeutet (gestrichelte Linie). Die Grenzwellenlänge (Pfeil) liegt bei ca. 850 nm. Unterhalb der Grenzwellenlänge ist der Kantenfilter durchlässig, oberhalb der Grenzwellenlänge ist der Kantenfilter undurchlässig für die spektral verbreiterte Laserstrahlung (Hochpass). Es ergeben sich nach der Filterung, wie man in den 1e und 1f erkennt, Laserpulse bei einer Zentralwellenlänge von ca. 820 nm mit einer Pulsdauer (FWHM) von ca. 25 fs. Die Pulsenergie der erhaltenen Laserpulse beträgt ca. 1 mJ. Dies zeigt, dass durch den Ansatz der Erfindung einer deutliche Verschiebung der Zentralwellenlänge erzielt werden kann, wobei mit einer hohen Effizienz (im Beispiel ca. 25%) eine erhebliche Pulsdauerverkürzung (um den Faktor vier) erreicht wird. 1 shows in the diagrams of the left column ( 1a , 1c , 1d ) the time domain, in the right column ( 1b , 1d , 1f ) the spectral domain. The 1a and 1b show a laser pulse and the associated spectrum. This example involves transform-limited, Gaussian-shaped laser pulses. The pulse duration is 100 fs after shortening the pulse duration of pulsed laser radiation generated by a short-pulse laser by non-linear spectral broadening and dispersive compression (see below). The central wavelength is 1030 nm with a pulse energy of 4 mJ. A spectral broadening of this laser radiation takes place in a non-linear medium by self-phase modulation with a non-linear index of 3×10 -23 m 2 /W. The beam diameter is 500 µm. The interaction distance in the nonlinear medium is 1m long. The 1c and 1d show the result of spectral broadening. Can be seen in 1d a strongly modulated, opposite 1b significantly broadened spectrum, extending from about 750 nm to 1500 nm. In the next step, a spectral filter, here an edge filter, selects the extreme short-wave modulation of the broadened spectrum. The filter characteristic of the edge filter is in 1d indicated (dashed line). The cut-off wavelength (arrow) is around 850 nm. Below the cut-off wavelength, the cut-off filter is permeable; above the cut-off wavelength, the cut-off filter is impermeable to the spectrally broadened laser radiation (high-pass). It result after filtering, as seen in the 1e and 1f detects laser pulses at a central wavelength of approx. 820 nm with a pulse duration (FWHM) of approx. 25 fs. The pulse energy of the laser pulses obtained is approx. 1 mJ. This shows that a significant shift in the central wavelength can be achieved by the approach of the invention, with a significant shortening of the pulse duration (by a factor of four) being achieved with high efficiency (approx. 25% in the example).

Festzuhalten ist, dass der Ansatz ebenso auf die langwellige Modulation des verbreiterten Spektrums anwendbar ist. Zur Filterung ist ein entsprechend bei oberhalb einer Grenzwellenlänge durchlässiger, durchstimmbarer Filter zu verwenden. Außerdem eignet sich der Ansatz der Erfindung durch entsprechende Filterung für die Erzeugung von Laserpulsen mit zwei spektralen Anteilen, und zwar der langwelligen und der kurzwelligen Modulation des nichtlinear verbreiterten Spektrums, wobei der Abstand der beiden Anteile durchstimmbar ist.It should be noted that the approach is also applicable to the long-wavelength modulation of the broadened spectrum. For filtering, a tunable filter that is permeable above a limit wavelength should be used. In addition, the approach of the invention is suitable through appropriate filtering for the generation of laser pulses with two spectral components, specifically the long-wave and the short-wave modulation of the nonlinearly broadened spectrum, the distance between the two components being tunable.

Im Folgenden soll die Durchstimmbarkeit hinsichtlich der Wellenlänge der durch die Erfindung bereitgestellten Laserstrahlung anhand der 2 erläutert werden. Ausgangspunkt sind wiederum durch nichtlineare Pulskompression erzeugte, Gauß-förmige Laserpulse mit einer Pulsdauer von 100fs und mit 4 mJ Pulsenergie bei 1030 nm Zentralwellenlänge. Die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung wird z.B. durch den Druck des gasförmigen nichtlinearen Mediums über einen Bereich von 100-400% variiert. Daraus resultiert eine Variation der Breite des Spektrums der erhaltenen spektral verbreiterten Laserstrahlung und damit eine Durchstimmung der Zentralwellenlänge der äußersten Modulationen im selbstphasenmodulierten Spektrum (vgl. 1d). Ansonsten entsprechen die Parameter des verwendeten nichtlinearen Mediums den obigen Angaben. Folgende Tabelle fasst das Ergebnis der nichtlinearen spektralen Verbeiterung mit nachgeschalteter spektraler Filterung zusammen. Anzumerken ist, dass die Durchlasscharakteristik des Kantenfilters an die Verbeiterung angepasst variiert wird, d.h. die Grenzwellenlänge des variablen Filters wird stets nachgeführt, so dass sie auf das erste kurzwellige Minimum des selbstphasenmodulierten Spektrums eingestellt ist. Es ergibt sich, wie die 2 zeigt, ein Durchstimmbereich über mehrere 100 nm mit einer relativen Pulsenergie (bezogen auf die Pulsenergie der ursprünglich bei 1030 nm erzeugten Laserpulse) zw. 20% und 40%. Bemerkenswert ist, dass die Pulsdauerverkürzung von der Durchstimmung der Wellenlänge im Wesentlichen unabhängig ist. Die Pulsdauer der zunächst spektral verbreiterten und dann gefilterten Laserpulse liegt im Bereich von 24-38 fs. Damit wird bei der erfindungsgemäßen Durchstimmung der Wellenlänge die Pulsspitzenleistung im Wesentlichen gehalten. nichtlinearer Index n2 Wellenlängenverschiebung relativ zu 1030nm Pulsenergie des gefilterten Laserpulses relativ zur ursprünglichen Pulsenergie Pulsdauer des gefilterten Laserpulses 1.0·10-23m2/W -70 nm 1.54 mJ 38.5% 37.5 fs 1.5·10-23m2/W -107 nm 1.35 mJ 33.7% 33.0 fs 2.0·10-23m2/W -141 nm 1.23 mJ 30.7% 30.0 fs 2.5·10-23m2/W -173 nm 1.14 mJ 28.5% 27.8 fs 3.0·10-23m2/W -203 nm 1.07 mJ 26.7% 26.3 fs 3.5·10-23m2/W -231 nm 1.02 mJ 25.5% 25.0 fs 4.0·10-23m2/W -258 nm 0.98 mJ 24.5% 24.0 fs In the following, the tunability with regard to the wavelength of the laser radiation provided by the invention is to be based on the 2 be explained. The starting point is again Gaussian-shaped laser pulses generated by non-linear pulse compression with a pulse duration of 100 fs and 4 mJ pulse energy at a central wavelength of 1030 nm. The strength of the non-linear interaction is varied over a range of 100-400%, for example by the pressure of the gaseous non-linear medium. This results in a variation in the width of the spectrum of the spectrally broadened laser radiation obtained and thus in a tuning of the central wavelength of the outermost modulations in the self-phase-modulated spectrum (cf. 1d ). Otherwise, the parameters of the non-linear medium used correspond to the above information. The following table summarizes the result of the non-linear spectral broadening with downstream spectral filtering. It should be noted that the transmission characteristic of the cut-off filter is varied to match the broadening, ie the cut-off wavelength of the variable filter is always tracked so that it is set to the first short-wave minimum of the self-phase-modulated spectrum. It turns out like that 2 shows a tuning range over several 100 nm with a relative pulse energy (related to the pulse energy of the laser pulses originally generated at 1030 nm) between 20% and 40%. It is remarkable that the shortening of the pulse duration is essentially independent of the tuning of the wavelength. The pulse duration of the first spectrally broadened and then filtered laser pulses is in the range of 24-38 fs. In this way, the pulse peak power is essentially maintained when the wavelength is tuned according to the invention. nonlinear index n 2 Wavelength shift relative to 1030nm Pulse energy of the filtered laser pulse relative to the original pulse energy Pulse duration of the filtered laser pulse 1.0·10 -23 m 2 /W -70nm 1.54 mJ 38.5% 37.5 fs 1.5·10 -23 m 2 /W -107 nm 1.35 mJ 33.7% 33.0 fs 2.0·10 -23 m 2 /W -141 nm 1.23 mJ 30.7% 30.0 fs 2.5·10 -23 m 2 /W -173 nm 1.14 mJ 28.5% 27.8 fs 3.0·10 -23 m 2 /W -203 nm 1.07 mJ 26.7% 26.3 fs 3.5·10 -23 m 2 /W -231 nm 1.02 mJ 25.5% 25.0 fs 4.0·10 -23 m 2 /W -258nm 0.98 mJ 24.5% 24.0 fs

Die 2 zeigt die zugehörigen Spektren der gepulsten Laserstrahlung nach spektraler Filterung. Die Durchstimmung der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung und die darauf abgestimmte Durchstimmung der Durchlasscharakteristik des optischen Filters ermöglicht (in dem Beispiel) die hocheffiziente Erzeugung von im Bereich von ca. 750-950 nm durchstimmbaren Laserpulsen mit einer Pulsdauer von unter 50 fs.The 2 shows the associated spectra of the pulsed laser radiation after spectral filtering. The tuning of the strength of the non-linear interaction and the matching tuning of the transmission characteristic of the optical filter enables (in the example) the highly efficient generation of laser pulses tunable in the range of approx. 750-950 nm with a pulse duration of less than 50 fs.

Die oben aufgezeigten Beispiele basieren auf rein durch Selbstphasenmodulation induzierter spektraler Verbreiterung. Nichtlineare Effekte höherer Ordnung können die Ergebnisse verschieben, wobei die grundlegenden Aussagen ihre Gültigkeit behalten. Zum Beispiel erzeugt eine Ionisation (in Gas-basierten nichtlinearen Medien) eine Blauverschiebung im emittierten Spektrum. Sog. Selfsteepening führt zu einer asymmetrischen spektralen Verbreiterung, wobei der rotverschobene Anteil etwas weniger Energie, dafür allerdings mehr Bandbreite besitzt, was nach der Filterung wiederum zu kürzeren Laserpulsen führt.The examples shown above are based on spectral broadening induced purely by self-phase modulation. Higher-order nonlinear effects can shift the results, while the basic statements remain valid. For example, ionization (in gas-based nonlinear media) produces a blue shift in the emitted spectrum. So-called self-steepening leads to an asymmetrical spectral broadening, whereby the red-shifted part has a little less energy but more bandwidth, which in turn leads to shorter laser pulses after filtering.

In 3 und 4 sind schematisch Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Lasersystems dargestellt. Entlang der Strahlpropagation (Pfeil) sind zwischen den einzelnen Elementen des Lasersystems jeweils oberhalb der zeitliche Laserpulsverlauf und unterhalb das zugehörige Spektrum gezeigt. Die Ausführungsbeispiele umfassen jeweils ein Kurzpulslasersystem 1 als Quelle, das Laserstrahlung bestehend aus Laserpulsen mit einer Pulsdauer z.B. im Beriech von 1000 fs bis 300 fs emittiert. Diesem nachgeschaltet ist jeweils eine Pulskompressionsstufe 2, die dazu ausgelegt ist, die Pulsdauer der von dem Kurzpulslaser 1 empfangenen Laserstrahlung durch nichtlineare spektrale Verbreiterung und dispersive Kompression zeitlich auf weniger als 500 fs, vorzugsweise weniger als 200 fs, besonders bevorzugt weniger als 100 fs zu verkürzen. Es folgt ein nichtlineares optisches Element 3 (z.B. in Form einer gasgefüllten Multipasszelle), das hinsichtlich der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung durchstimmbar (z.B. durch Variation des Gasdrucks in der Multipasszelle) und dazu ausgelegt ist, die Laserstrahlung in spektral verbreiterte Laserstrahlung umzuwandeln. Wiederum nachgeschaltet ist jeweils ein optischer Filter 4, der für wenigstens einen spektralen Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig und für andere spektrale Anteile undurchlässig ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 selektiert der Filter 4 im Wesentlichen die letzte spektrale Modulation am unteren (kurzwelligen) Ende des selbstphasenmodulierten Spektrums. Die Wellenlänge des selektierten spektralen Anteils ist, wie durch die Doppelpfeile angedeutet, erfindungsgemäß durch Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung in der zweiten Stufe des nichtlinearen optischen Elementes 3 und darauf abgestimmte Variation der Durchlasscharakteristik des Filters 4 durchstimmbar. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 selektiert der Filter 4 zwei spektrale Anteile, und zwar die beiden äußersten spektralen Modulationen am unteren bzw. oberen Ende des selbstphasenmodulierten Spektrums.In 3 and 4 are shown schematically exemplary embodiments of the laser system according to the invention. Along the beam propagation (arrow) between the individual elements of the laser system, the temporal laser pulse curve is shown above and the associated spectrum below. The exemplary embodiments each include a short-pulse laser system 1 as a source, which emits laser radiation consisting of laser pulses with a pulse duration, for example, in the range from 1000 fs to 300 fs. Downstream of this is a pulse compression stage 2, which is designed to shorten the pulse duration of the laser radiation received from the short-pulse laser 1 to less than 500 fs, preferably less than 200 fs, particularly preferably less than 100 fs, by non-linear spectral broadening and dispersive compression . This is followed by a non-linear optical element 3 (e.g. in the form of a gas-filled multi-pass cell), which can be tuned in terms of the strength of the non-linear interaction (e.g. by varying the gas pressure in the multi-pass cell) and is designed to convert the laser radiation into spectrally broadened laser radiation. In turn, an optical filter 4 is connected downstream, which is transparent to at least one spectral component of the spectrally broadened laser radiation and opaque to other spectral components. In the embodiment of 3 the filter 4 essentially selects the last spectral mode lation at the lower (shortwave) end of the self-phase modulated spectrum. As indicated by the double arrows, the wavelength of the selected spectral component can be tuned according to the invention by varying the strength of the nonlinear interaction in the second stage of the nonlinear optical element 3 and varying the transmission characteristic of the filter 4 in a coordinated manner. In the embodiment of 4 the filter 4 selects two spectral components, namely the two outermost spectral modulations at the lower and upper end of the self-phase modulated spectrum.

Claims (16)

Optisches System mit - einer Kurzpulslaserquelle (1), die zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung eingerichtet ist, - einem nichtlinearen optischen Element (3), das hinsichtlich der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung durchstimmbar und dazu ausgelegt ist, die Laserstrahlung in spektral verbreiterte Laserstrahlung umzuwandeln ist, und - einem optischen Filter (4), der für wenigstens einen spektralen Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig und für andere spektrale Anteile undurchlässig ist.Optical system with - a short-pulse laser source (1), which is set up to generate pulsed laser radiation, - A non-linear optical element (3) which can be tuned in terms of the strength of the non-linear interaction and is designed to convert the laser radiation into spectrally broadened laser radiation, and - An optical filter (4) which is permeable to at least one spectral component of the spectrally broadened laser radiation and opaque to other spectral components. Optisches System nach Anspruch 1, mit einer im Verlauf der Laserstrahlung zwischen Kurzpulslaserquelle (1) und nichtlinearem optischen Element (3) angeordneten Pulskompressionsstufe (2), ausgelegt zur Verkürzung der Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung, sodass die Pulsdauer am Ausgang der Pulskompressionsstufe (2) weniger als 500 fs, vorzugsweise weniger als 200 fs, besonders bevorzugt weniger als 100 fs beträgt.Optical system after claim 1 , with a pulse compression stage (2) arranged in the course of the laser radiation between the short-pulse laser source (1) and the non-linear optical element (3), designed to shorten the pulse duration of the pulsed laser radiation, so that the pulse duration at the output of the pulse compression stage (2) is preferably less than 500 fs is less than 200 fs, more preferably less than 100 fs. Optisches System nach Anspruch 2, wobei die Pulskompressionsstufe (2) dazu ausgelegt ist, die Pulsdauer der von der Kurzpulslaserquelle (1) empfangenen Laserstrahlung durch nichtlineare spektrale Verbreiterung und dispersive Kompression zeitlich zu verkürzen.Optical system after claim 2 , wherein the pulse compression stage (2) is designed to temporarily shorten the pulse duration of the laser radiation received from the short-pulse laser source (1) by non-linear spectral broadening and dispersive compression. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der optische Filter (4) hinsichtlich seiner spektralen Durchlasscharakteristik durchstimmbar ist.Optical system according to one of Claims 1 until 3 , wherein the optical filter (4) can be tuned in terms of its spectral transmission characteristic. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der optische Filter (4) im Wesentlichen nur für die letzte spektrale Modulation am unteren und/oder oberen Ende des Spektrums der spektral verbreiterten Laserstrahlung durchlässig ist.Optical system according to one of Claims 1 until 4 , wherein the optical filter (4) is permeable essentially only for the last spectral modulation at the lower and / or upper end of the spectrum of the spectrally broadened laser radiation. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das System dazu ausgelegt ist, den von dem optischen Filter (4) durchgelassenen spektralen Anteil auf die Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung abgestimmt zu variieren.Optical system according to one of Claims 1 until 5 , the system being designed to vary the spectral component that is passed by the optical filter (4) in a manner matched to the variation in the strength of the non-linear interaction. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das durchstimmbare nichtlineare optische Element (3) eine von der Laserstrahlung durchstrahlte optische Faser, eine gasgefüllte Kapillare oder eine mit einem nichtlinearen Medium gefüllte Multipasszelle umfasst.Optical system according to one of Claims 1 until 6 , wherein the tunable non-linear optical element (3) comprises an optical fiber through which the laser radiation radiates, a gas-filled capillary or a multi-pass cell filled with a non-linear medium. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der optische Filter (4) ein Kantenfilter ist.Optical system according to one of Claims 1 until 7 , wherein the optical filter (4) is a cut-off filter. Optisches System nach Anspruch 8, wobei die Grenzwellenlänge des Kantenfilters einstellbar ist.Optical system after claim 8 , where the cut-off wavelength of the edge filter is adjustable. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der wenigstens eine von dem optischen Filter (4) durchgelassene spektrale Anteil nicht mit dem Spektrum der von dem Kurzpulslaser (1) emittierten Laserstrahlung überlappt.Optical system according to one of Claims 1 until 9 , wherein the at least one of the optical filter (4) transmitted spectral portion does not overlap with the spectrum of the short-pulse laser (1) emitted laser radiation. Verfahren zur Erzeugung von hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbaren Laserpulsen, mit den Verfahrensschritten - nichtlineare spektrale Verbreiterung einer gepulsten Laserstrahlung, wobei die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung variiert wird, und - spektrale Filterung der spektral verbreiterten Laserstrahlung, wobei wenigstens ein spektraler Anteil der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert wird.Method for generating wavelength-tunable laser pulses, with the method steps - non-linear spectral broadening of a pulsed laser radiation, whereby the strength of the non-linear interaction is varied, and - Spectral filtering of the spectrally broadened laser radiation, at least one spectral component of the spectrally broadened laser radiation being selected. Verfahren nach Anspruch 11, wobei zuvor eine Verkürzung der Pulsdauer der gepulsten Laserstrahlung durch nichtlineare spektrale Verbreiterung und dispersive Kompression erfolgt, sodass die Pulsdauer weniger als 500 fs, vorzugsweise weniger als 200 fs, besonders bevorzugt weniger als 100 fs beträgt.procedure after claim 11 , the pulse duration of the pulsed laser radiation being shortened beforehand by nonlinear spectral broadening and dispersive compression, so that the pulse duration is less than 500 fs, preferably less than 200 fs, particularly preferably less than 100 fs. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei auch die Selektionscharakteristik der spektralen Filterung variiert wird.procedure after claim 11 or 12 , whereby the selection characteristic of the spectral filtering is also varied. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Selektionscharakteristik auf die Variation der Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung abgestimmt variiert wird.procedure after Claim 13 , wherein the selection characteristic is varied in tune with the variation in the strength of the nonlinear interaction. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Variation der Selektionscharakteristik in der Weise erfolgt, dass stets eine äußerste kurzwellige und/oder eine äußerste langwellige Modulation der spektral verbreiterten Laserstrahlung selektiert wird.Procedure according to one of Claims 11 until 14 , wherein the selection characteristic is varied in such a way that an outermost short-wavelength and/or an outermost long-wavelength modulation of the spectrally broadened laser radiation is always selected. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der wenigstens eine selektierte spektrale Anteil nicht mit dem Spektrum der emittierten Laserstrahlung, d.h. vor der nichtlinearen spektralen Verbreiterung, überlappt.Procedure according to one of Claims 11 until 15 , wherein the at least one selected spectral component does not overlap with the spectrum of the emitted laser radiation, ie before the non-linear spectral broadening.
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