DE102021127328A1

DE102021127328A1 - Vorrichtung und Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses

Info

Publication number: DE102021127328A1
Application number: DE102021127328.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Krötz; Sandro Klingebiel; Yanik Pfaff; Michael Rampp
Original assignee: Trumpf Scientific Lasers GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Scientific Lasers GmbH and Co KG
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-06-07
Also published as: WO2023066995A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses (100) eines Laserstrahls (10), umfassend eine Einkoppeloptik (20), mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`), und eine Auskoppeloptik (26), wobei die Einkoppeloptik (20) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in das mindestens eine Linsenelement (224, 224`) einzukoppeln, und wobei die Auskoppeloptik (26) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) auszukoppeln, wobei der Laserpuls (100) des Laserstrahls (10) durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit der mindestens einen nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) spektral verbreitert wird und der Laserstrahl (10) durch die Einkoppeloptik (20) und/oder die mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) fokussiert wird, wobei der Strahlquerschnitt im Fokus (30) elongiert ist, wobei der Fokus (30) bevorzugt ein Linienfokus ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls.
Stand der Technik
Es ist bekannt, Vorrichtungen zur spektralen Pulsverbreiterung eines ultrakurzen Laserpulses eines Laserstrahls mittels Selbstphasenmodulation einzusetzen, siehe etwa T. Nagy et al. (2021) „Highenergy few-cycle pulses: post-compression techniques“, Advances in Physics: X, 6:1, 1845795. Hierbei wird ein Laserstrahl durch die optischen Elemente der Vorrichtung geführt, wobei der Laserpuls des Laserstrahls nichtlinear mit dem Material der optischen Elemente wechselwirkt. Die nichtlineare Wechselwirkung führt zu einer Selbstphasenmodulation, die zu einer spektralen Verbreiterung, also eine Verbreiterung des Laserpulses im Frequenzbereich, führt. Zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung wird der Laserstrahl typischerweise fokussiert, um über optische Abbildungen zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung, eine Kontrolle über die Strahlpropagation und Strahleigenschaften zu ermöglichen.
Die maximal einsetzbare Leistung des Laserstrahls wird hierbei jedoch begrenzt durch die lonisationsschwelle des Gases, beispielsweise der Luft, das sich zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung befindet. Bei konventionellen Vorrichtungen wird diese lonisationsschwelle des Gases recht schnell durch die hohe Intensität im Bereich der Fokuspunkt, im Wesentlichen entlang der Rayleigh Länge, zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung erreicht.
Die maximal einsetzbare Leistung des Laserstrahls wird ferner begrenzt von der laserinduzierten Zerstörungsschwelle der eingesetzten optischen Elemente der Vorrichtung.
Zudem wird die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung in den optischen Elementen der Vorrichtung von einem weiteren nichtlinearen Effekt, der sogenannten katastrophalen Selbstfokussierung, der ebenfalls bei hohen Intensitäten im Bereich der Fokuspunkte entlang der Rayleigh Länge auftritt, begrenzt.
Eine Möglichkeit die Intensität des Laserstrahls im Bereich der Fokuspunkte zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung zu reduzieren besteht darin, den Durchmesser der Fokuspunkte zu vergrößern. Dies kann beispielsweise durch einen kleineren Öffnungswinkel des Laserstrahls erreicht werden, was bei gleichbleibender Laserleistung zu einer Reduktion der Intensität in den Fokuspunkten führen würde. Jedoch wird ein kleinerer Öffnungswinkel des Laserstrahls durch eine längere Bauweise, beziehungsweise eine längere Brennweite der verwendeten optischen Elemente der Vorrichtung erkauft, so dass die Intensität des Lasers unterhalb der Zerstörschwelle der verwendeten optischen Elemente gehalten werden kann. Dadurch können solche Vorrichtungen für hohe Pulsenergien sehr groß werden.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls vorgeschlagen, umfassend eine Einkoppeloptik, mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung, und eine Auskoppeloptik, wobei die Einkoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in die mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung einzukoppeln, und wobei die Auskoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl auszukoppeln, wobei der Laserpuls des Laserstrahls durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit der mindestens einen nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung spektral verbreitert wird und der Laserstrahl durch die Einkoppeloptik und/oder die mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung fokussiert wird. Erfindungsgemäß ist der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert, wobei der Fokus bevorzugt ein Linienfokus ist.
Der Laser zur Bereitstellung des Laserstrahls ist bevorzugt ein Ultrakurzpulslaser und stellt ultrakurze Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden. Die Strahlausbreitungsrichtung ist hier definitionsgemäß die z-Richtung.
Die Pulsspitzenleistung der Laserpulse des Laserstrahls kann größer als 3 Megawatt (MW) und kleiner als 2 Terawatt (TW) sein, bevorzugt größer als 30 MW und besonders bevorzugt 50 MW bis 500 Gigawatt (GW).
Die Pulsspitzenleistung bestimmt sich als Quotient aus der Pulsenergie E_p des Laserpulses des Laserstrahls durch die Pulsdauer t_p des Laserpulses multipliziert mit einem Faktor s für die Pulsform: $P_{p} \approx s \frac{E_{p}}{t_{p}}$
Beispielsweise für einen gaussförmigen Laserpuls ist der Faktor s ≈ 0,94.
Dadurch lassen sich besonders Laserpulse mit einer besonders großen Bandbreite erzeugen.
Einkoppeln kann bedeuten, dass der Laserstrahl von seiner ursprünglichen Trajektorie auf eine Trajektorie umgelenkt wird, auf dem der Laserstrahl die Anordnung von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung durchlaufen kann. Beispielsweise kann ein Spiegel als Einkoppeloptik den Laserstrahl ablenken. Insbesondere kann das Einkoppeln auch bereits eine Fokussierung des Laserstrahls umfassen.
Eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung ist hierbei ein optisches Element, welches eine optisch abbildende Eigenschaft aufweist. Insbesondere kann die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung den Laserstrahl fokussieren. Es ist auch möglich, dass die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung den Laserstrahl aus der Objektebene in eine Bildebene abbildet.
Die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung kann insbesondere in Form eines Linsenelements ausgebildet sein.
Die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung kann auch als reflektive Optik vorgesehen sein. Das kann bedeuten, dass die in dieser Beschreibung für ein Linsenelement (transmissive Optik) angegebenen Charakterisierungen auch analog für einen Spiegel zu verstehen sind, wobei der Spiegel bevorzugt so ausgebildet ist, dass der Laserstrahl zunächst einen transparenten Körper aus einem nichtlinearen Material durchläuft und dann an einer rückseitigen Reflektionsschicht reflektiert wird. Durch die Interaktion des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Material des transparenten Körpers kann nichtlineare Wechselwirkung stattfinden.
Beispielsweise können die Abbildungseigenschaften der mindestens einen nichtlineare Optik mit Linsenwirkung dazu verwendet werden, den Laserstrahl von der Einkoppeloptik zur Auskoppeloptik zu leiten. Bei mehreren nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung kann hierbei eine Verkettung von Abbildungen, also eine sukzessive Abfolge von Abbildungen eingesetzt werden, um den Laserstrahl von der Einkoppeloptik zur Auskoppeloptik zu leiten. Hierbei entstehen zwischen den optischen Elementen, also zwischen der Einkoppeloptik und der mindestens einen nichtlineare Optik mit Linsenwirkung, zwischen den nichtlinearen Optike mit Linsenwirkung und zwischen der mindestens einen nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung und der Auskoppeloptik Foki.
Die Foki liegen dabei in einem zwischen den jeweiligen optischen Elementen angeordneten gasförmigen oder flüssigen Medium, beispielsweise in Luft. Mit anderen Worten liegen die Foki nicht in dem Material der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung oder in dem Material der Einkoppeloptik oder der Auskoppeloptik. Es gibt mindestens einen Fokus, der nicht innerhalb der Materialien liegt.
Bei der Transmission des Laserstrahls durch ein optisches Element der Vorrichtung, insbesondere bei einer Transmission durch eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung wird im vorliegenden Fall eine nichtlineare Wechselwirkung des Laserpulses des Laserstrahls mit dem optischen Material des optischen Elements erzeugt.
Ursache für die nichtlineare Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Material der Einkoppeloptik, der Auskoppeloptik oder der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung kann hierbei der sogenannte Kerr-Effekt sein, nach dem die optischen Eigenschaften, insbesondere der Brechungsindex n, des Materials des jeweiligen optischen Elements durch Anlegen eines elektrischen Feldes variiert werden können. Insbesondere kann hierbei ein Laserpuls das elektrische Feld bereitstellen, wobei hochenergetische Laserpulse, oder Laserpulse mit besonders großer Leistung, besonders große elektrische Felder bereitstellen.
In dem optischen Element wird durch die hohe Laserintensität des Laserpulses eine Variation des Brechungsindex erzeugt: $n (I) = n_{0} + n_{2} I (z, t) .$
Der lineare Brechungsindex ist hierbei durch n₀ gegeben und der nichtlineare Brechungsindex ist durch n₂ gegeben. Die Intensität I hängt hierbei ab von der Strahlausbreitungsrichtung z, sowie von der Zeit t durch die veränderliche Intensität des Laserpulses.
Zur Charakterisierung einer nichtlinearen Wechselwirkung wird auf das sogenannte B-Integral zurückgegriffen, welches ein Maß für einen nichtlinearen Phasenschub des Laserstrahls beim Durchgang durch das optische Element ist. Das B-Integral ist definiert als: $B = \frac{2 π}{λ} \int n_{2} I (z, t) d z,$
wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls ist. Aus dem B-Integral wird bereits deutlich, dass ein großer nichtlinearer Brechungsindex n₂ und/oder eine große Intensität I des Laserstrahls zu einem nichtlinearen Phasenschub führen.
Die Intensität des Laserpulses weist hierbei typischerweise eine starke Zeitabhängigkeit auf, da der Laser innerhalb der Pulsdauer von einer verschwindenden Intensität auf eine maximale Spitzenintensität ansteigt und wieder auf eine verschwindende Intensität abfällt. Aus der zeitlichen Abhängigkeit der Laserenergie, sprich dem zeitlichen Verlauf der Laserpulse, ergibt sich eine zeitliche Änderung des Brechungsindex: $\frac{d n (I)}{d t} = \frac{n_{2} d I (z, t)}{d t} .$
Der Phasenschub des Laserstrahls lässt sich nun mittels $λ = \frac{c}{n f_{0}} = \frac{λ_{0}}{n} und k_{0} \frac{2 π}{λ_{0}}$
schreiben als $ϕ (z, t) = ω_{0} t - k z = ω_{0} t - \frac{2 π}{λ_{0}} z n (I) .$
Hieraus ergibt sich nach dem Durchlaufen einer Strecke L, beziehungsweise der Dicke L des optischen Elements, ein nichtlinearer Phasenschub von $ϕ (L, t) = ω_{0} t - \frac{2 π}{λ_{0}} L n (I) .$
Hieraus ist unmittelbar ersichtlich, dass die nichtlineare Wechselwirkung eine Frequenzänderung bewirkt, die durch den nichtlinearen Brechungsindex n₂ verursacht wird: $ω (t) = \frac{d ϕ}{d t} = - \frac{2 π}{λ_{0}} L n_{2} \frac{d I (t)}{d t} .$
Die steigende Flanke des Laserpulses führt wegen der positiven Zeitableitung zu einer Verringerung der Frequenz und somit zu einer Rotverschiebung des Laserpulses. Die abfallende Flanke am Pulsende hingegen führt wegen der negativen Zeitableitung zu einer Erhöhung der Frequenz und somit zu einer Blauverschiebung.
Der Laserpuls wird somit durch die Propagation in dem Material der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung und/oder dem die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung umgebenden Gases spektral verbreitert. Den zugehörigen Prozess nennt man Selbstphasenmodulation. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass die Selbstphasenmodulation auch von der Länge der durchlaufenen Strecke beziehungsweise der Dicke des jeweiligen optischen Elements abhängt. Dementsprechend skaliert die Selbstphasenmodulation auch mit der Anzahl an optischen Elementen der Vorrichtung.
Ein weiterer wichtiger nichtlinearer Effekt ist die sogenannte Selbstfokussierung. Wie bereits gezeigt ist der Brechungsindex n intensitätsabhängig. Bei einem beispielsweise Gauß'schen Laserstrahl, dessen Querschnitt stets die Form einer Gauß'schen Glockenkurve hat, ist die Intensität in der Strahlmitte am größten. Dadurch stellt das optische Element für den Laserstrahl ab einer gewissen Leistung eine zusätzliche Linsenwirkung bereit.
Die Selbstfokussierung tritt hierbei ab der sogenannten kritischen Pulsspitzenleistung P_crit auf, wobei die Leistung P des Lasers proportional zur Laserintensität I und zur Querschnittsfläche A ist: P ∝ I A. Durch die Selbstfokussierung kann es insbesondere zu einem Anstieg der Laserintensität kommen, so dass die Intensität in dem optischen Element der Vorrichtung eine Schädigungsschwelle überschreitet. Eine Selbstfokussierung wird deshalb vorteilhafterweise vermieden.
Die obige nichtlineare Wechselwirkung findet jedoch nicht nur in den optischen Elementen der Vorrichtung statt, sondern auch in den in dem gasförmigen oder flüssigen Medium liegenden Foki zwischen den jeweiligen optischen Elementen. Hierbei wechselwirkt der Laserpuls mit dem gasförmigen oder flüssigen Medium nichtlinear. Insbesondere kann das gasförmige oder flüssige Medium ebenfalls zu einer Selbstfokussierung führen.
Eine Fokussierung ist hierbei eine gezielte herbeigeführte Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls, wobei die Intensität des Laserstrahls über die Laserenergie pro Querschnittsfläche definiert ist. Der Fokus des Laserstrahls ist der Punkt entlang der Strahlausbreitungsrichtung, in dem die Querschnittsfläche des Laserstrahls minimiert wird. Analog hierzu ist der Fokus des Laserstrahls der Punkt entlang der Strahlausbreitungsrichtung, in dem die Intensität maximal ist. Durch die hohe Intensität zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung kann es auch zu einer Selbstfokussierung und/oder einer Ionisierung des gasförmigen oder flüssigen Mediums, beispielsweise der Luft, kommen, die die Vorrichtung umgibt.
Die Querschnittsfläche des Laserstrahls wird in der x-y-Ebene gemessen, die orthogonal zur z-Achse steht. Der Strahldurchmesser ist definiert als der Durchmesser der Querschnittsfläche entlang der x-Achse beziehungsweise der y-Achse. Die x- und y-Achsen stehen hierbei nicht notwendigerweise senkrecht zueinander. Vielmehr können sie auch einen anderen Winkel miteinander einschließen, um die Symmetrie des Querschnitts des Laserstrahls besonders einfach abzubilden.
Alternativ und/oder ergänzend kann der Fokus auch darüber definiert werden, dass der Strahldurchmesser bezüglich einer Strahlebene minimiert wird. Eine Strahlebene ist jede Ebene in der die Strahlausbreitungsrichtung liegt. Beispielsweise sind die x-z-Ebene und die y-z-Ebene Strahlebenen. Wenn der Laserstrahl fokussiert wird, dann wird auch der Strahldurchmesser bezüglich der x-z-Ebene und/oder der y-z-Ebene minimiert.
Erfindungsgemäß ist der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert.
Das kann bedeuten, dass der Strahldurchmesser bezüglich einer ersten Strahlebene größer ist als bezüglich einer zweiten Strahlebene. Beispielsweise ist der Laserstrahl elongiert, wenn das Verhältnis der Strahldurchmesser bezüglich der x-Achse und der y-Achse größer als 1:2, bevorzugt größer als 1:3, bevorzugt größer als 1:5, besonders bevorzugt größer als 1:10 ist. Beispielsweise kann ein Laserstrahl im Fokus entlang der x-Achse einen Durchmesser von 1 cm aufweisen und entlang der y-Achse einen Durchmesser von 5cm aufweisen. Dann ist der Strahlquerschnitt elongiert.
Dadurch kann erreicht werden, dass die Intensität des Laserstrahls im Fokus zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung herabgesetzt wird, da sich die Laserenergie auf eine größere Fläche als bei einem punktförmigen Fokus verteilt. Durch die herabgesetzte Intensität im Fokus können insbesondere auch Laserpulse mit größeren Pulsleistungen spektral verbreitert werden, bevor es zu einer katastrophalen Selbstfokussierung zwischen den optischen Elementen kommt. Gleichzeitig kann durch die geringe Intensität des Laserstrahls im Fokus ein Überschreiten der lonisationsschwelle der Luft vermieden werden. Dadurch wird eine kürzere Bauweise der Vorrichtung ermöglicht, da größere Öffnungswinkel eingesetzt werden können. Beispielsweise kann die Vorrichtung um einen Faktor 4 kürzer als konventionelle Vorrichtungen gebaut werden.
Der Fokus zwischen den optischen Elementen kann ein Linienfokus sein.
Der elongierte Fokus kann zwischen der Einkoppeloptik und einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung und/oder zwischen mindestens zwei nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung und/oder zwischen einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung und der Auskoppeloptik in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, bevorzugt Luft, angeordnet sein, wobei besonders bevorzugt jeweils ein elongierter Fokus zwischen jeweils allen nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung in dem flüssigen oder gasförmigen Medium angeordnet ist.
Ein Linienfokus kann hierbei von einer Optik erzeugt werden, die den Laserstrahl lediglich bezüglich einer Strahlebene fokussiert. Insbesondere kann eine Zylinderoptik den Laserstrahl lediglich entlang einer Strahlebene fokussieren.
Durch eine Optik, die den Laserstrahl lediglich bezüglich einer Achse fokussiert, wird somit definitionsgemäß ein Linienfokus erzeugt. Ein Fokus ist im allgemeinen jedoch ein Linienfokus, wenn das Verhältnis der Strahldurchmesser bezüglich der x-Achse und der y-Achse größer als 1:10, bevorzugt größer als 1:100, ist. Dementsprechend können auch astigmatische Optiken einen Linienfokus erzeugen.
Durch einen Linienfokus kann zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung kann eine Wechselwirkung mit dem gasförmigen oder flüssigen Medium, beispielsweise der Luft, besonders gut kontrolliert oder vermieden werden.
Die nichtlineare Phasenverschiebung des Laserpulses in den optischen Elementen der Vorrichtung kann pro nichtlinearer Wechselwirkung pro optischem Element zwischen π/20 und 4π, bevorzugt zwischen π/10 und 2π, betragen.
Dadurch ist der gesamte nichtlineare Wechselwirkungsprozess zwischen dem Laser und den optischen Elementen der Vorrichtung gut kontrollierbar. Beispielsweise lässt sich die spektrale Verbreiterung über die Anzahl an optischen Elementen der Vorrichtung einstellen.
Die Intensität des Laserstrahls im Fokus zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung kann kleiner als die lonisationsschwelle des dort vorliegenden gasförmigen oder flüssigen Mediums sein.
Kleiner als die lonisationsschwelle kann hierbei bedeuten, dass in dem Fokusvolumen, in dem beispielsweise mehr als 50%, bevorzugt mehr als 75%, besonders bevorzugt mehr als 90% der spektralen Verbreiterung aufgesammelt werden, weniger als 50%, bevorzugt weniger als 25%, besonders bevorzugt weniger als 10% des dort vorhandenen Mediums ionisiert werden.
Durch eine Ionisierung des gasförmigen oder flüssigen Mediums ändert sich der Brechungsindex und der nichtlineare Brechungsindex des Mediums, da sich die Verteilung der elektrischen Ladungsträger in dem Mediumändert. Eine Ionisierung des Mediums führt schließlich dazu, dass die nichtlineare Wechselwirkung des Laserpulses nicht mehr kontrolliert oder unterdrückt werden kann oder unkontrolliert verläuft. Zudem geht mit der Bildung eines Plasmazustands eines Gases ein großer Verlust an Laserleistung einher.
Die Vorrichtung, bevorzugt die Auskoppeloptik der Vorrichtung, kann einen optischen Kompressor aufweisen, der dazu eingerichtet ist die Laserpulsdauer, aufgrund der spektralen Verbreiterung des Laserpulses, auf weniger als das 0,9-fache, bevorzugt auf weniger als das 0,7-fache der ursprünglichen Laserpulsdauer zu komprimieren.
Dies liegt anschaulich darin begründet, dass der Frequenzraum und der Zeitraum durch eine Fourier-Transformation miteinander verknüpft sind. Beispielsweise ist eine Bandbreite Δf im Frequenzraum umgekehrt proportional zur Dauer des Signals Δt im Zeitraum: Δf ∝ 1/ΔT.
Beispielsweise kann ein Laserpuls ursprünglich eine Pulsdauer von 1ps aufweisen und nach der spektralen Verbreiterung dann eine Fourier-limitierte Pulsdauer von 0,7ps aufweisen, die durch eine nachfolgende Pulskompression erreicht werden kann.
Durch die spektrale Verbreiterung des Laserpulses kann somit insbesondere durch einen in der Auskoppeloptik angeordneten oder einen nachgeschalteten Pulskompressor eine Verkürzung der Laserpulsdauer herbeigeführt werden. Eine entsprechende Pulskompression kann ebenfalls durch mindestens einen gechirpten Spiegel erzielt werden, der insbesondere auch ein Teil der Auskoppeloptik sein kann oder einteilig mit der Auskoppeloptik ausgebildet sein kann.
Die Einkoppeloptik und die Auskoppeloptik können nicht-rotationssymmetrische Optiken sein, bevorzugt zylindersymmetrische Optiken sein.
Eine Optik ist hierbei nicht-rotationssymmetrisch, wenn sie die Symmetrie eines einfallenden Laserstrahls bricht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche der Optik nicht-rotationssymmetrisch ist. Beispielsweise ist ein Zylinderspiegel ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel. Beispielsweise ist eine Zylinderlinse eine nicht-rotationssymmetrische Linse. Wenn der Spiegel oder die Linse einen parabolischen Querschnitt (anstatt einen zylindrischen) und eine Längsachse aufweist, dann ist der Spiegel oder die Linse ebenfalls nicht-rotationssymmetrisch. Auch eine sogenannte Asphäre kann eine nicht-rotationssymmetrische Optik sein.
Beispielsweise fällt ein kollimierter Laserstrahl mit einem Gauß'schen Strahlprofil in der z-Richtung auf eine Zylinderlinse, die die Einkoppeloptik ist, wobei die Zylinderachse parallel zur x-Achse steht. Dann ergeben sich aus der Zylindersymmetrie zwei relevante Strahlebenen in denen die Propagation und Fokussierung des Laserstrahls beschrieben werden kann, nämlich die x-z-Ebene und die y-z-Ebene. Insbesondere kommt es aufgrund der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen der Einkoppeloptik und dem Laserpuls zu einer spektralen Verbreiterung des Laserpulses.
Zum einen wird der Laserstrahl in der x-z-Ebene ohne Modifikation der Strahlpropagation transmittiert (Merke: „x wie ohne Modifikation“), da die Zylinderlinse in dieser Ebene keine Krümmung aufweist. Sprich der Strahldurchmesser bleibt in der x-z-Ebene gleich groß, beziehungsweise der Laserstrahl bleibt bezüglich der x-z-Ebene kollimiert.
Zum anderen wird der Laserstrahl in der y-z-Ebene fokussiert (Merke: „y wie in Zylinder“), da die Zylinderlinse in dieser Ebene die Zylinderkrümmung aufweist. Trägt man den Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene als Funktion der z-Koordinate auf, so nimmt der Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene stetig ab, bis er ein Minimum im Fokus erreicht. Anschließend nimmt der Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene wieder zu. Mit anderen Worten konvergiert der Laserstrahl in der y-z-Ebene zum Fokus hin und divergiert anschließend vom Fokus weg.
Indem der Strahldurchmesser in x-z-Ebene konstant ist und der Strahldurchmesser bezüglich der y-z-Ebene minimiert wird, wird auch die Querschnittsfläche des Laserstrahls minimiert. In dem Minimum des Strahldurchmessers bezüglich der y-z-Ebene erreicht der Laserstrahl somit ein Intensitätsmaximum. Der Laserstrahl kann somit zwischen der Einkoppeloptik und der Anordnung von Linsenelementen einen elongierten Fokus aufweisen.
Nach dem Durchlaufen des Fokus divergiert der Laserstrahl in der y-z-Ebene. Eine solche Divergenz kann durch eine zylindrische Auskoppeloptik behoben werden. Mit anderen Worten kann der Laserstrahl durch eine Auskoppeloptik, die ebenfalls eine Zylinderlinse ist wieder kollimiert werden.
Die Anordnung von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung kann mindestens ein rotationssymmetrisches Linsenelement umfassen.
Eine Optik ist hierbei rotationssymmetrisch, wenn die Symmetrie eines einfallenden Laserstrahls nicht gebrochen wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche der Optik rotationssymmetrisch ist. Beispielsweise ist ein sphärischer Spiegel ein rotationssymmetrischer Spiegel. Beispielsweise ist eine sphärische Linse eine rotationssymmetrische Linse. Neben einem sphärischen Spiegel oder einer sphärischen Linse ist auch ein parabolischer Spiegel oder eine parabolische Linse rotationssymmetrisch.
Beispielsweise fällt ein kollimierter Laserstrahl mit einem Gauß'schen Strahlprofil in der z-Richtung auf eine sphärische Linse. Dann wird der Laserstrahl gleichförmig in allen Strahlebenen fokussiert. Es ergeben sich insbesondere keine bestimmten Achsen, die für die Beschreibung besonders förderlich wären. Die Achsen zur können zur Beschreibung daher frei gewählt werden.
In obigem Beispiel trifft der Laserstrahl nach der Einkoppeloptik auf das erste sphärische Linsenelement. Auf dem Linsenelement weist der Laserstrahl durch die Divergenz nach dem Fokus nach der Einkoppeloptik erneut seine ursprüngliche Strahlform auf. Beispielsweise liegt auf der Oberfläche des ersten Linsenelements wieder eine Gauß'sche Strahlform vor. In dem Linsenelement kommt es aufgrund der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen dem Linsenelement und dem Laserpuls zu einer spektralen Verbreiterung des Laserpulses.
Gleichzeitig wird der Laserstrahl bezüglich der y-z-Ebene kollimiert, wohingegen der Laserstrahl in der x-z-Ebene fokussiert wird. Gewissermaßen wird durch die Kombination von nicht-rotationssymmetrischer (zylindrischer) Einkoppeloptik und rotationssymmetrischem (sphärischem) Linsenelement ein Wechsel der Fokusebene vorgenommen, in der sich der elongierte Strahlquerschnitt erstreckt.
Dementsprechend weist der Laserstrahl nach dem ersten sphärischen Linsenelement einen Fokus in der x-z-Ebene auf. Der Fokus erstreckt sich hierbei in die y-z-Ebene und ist somit elongiert, beziehungsweise ein Linienfokus.
In obigem Beispiel könnte nun die zylindrische Auskoppeloptik eine Kollimation des Laserstrahls vornehmen. Nach dem Durchlaufen des Laserstrahls könnte der Laserstrahl dementsprechend mit einem Gauß'schen Strahlprofil weiter propagieren. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Auskoppeloptik, beziehungsweise die Zylinder der Zylinderlinse, um 90° gegenüber der Einkoppeloptik gedreht ist, da durch das zwischengeschaltete sphärische Linsenelement eine Drehung der Kollimationsebene vorgenommen wurde.
Es ist jedoch auch möglich, dass weitere Linsenelemente nach dem ersten Linsenelement angeordnet werden, so dass der Laserstrahl eine Vielzahl von Linsenelementen durchläuft und so sukzessive spektral verbreitert wird.
Beispielsweise weist der Laserstrahl zwischen dem ersten und dem zweiten sphärischen Linsenelement einen Fokus in der x-z-Ebene auf. Der Fokus erstreckt sich hierbei in die y-z-Ebene und ist somit elongiert, beziehungsweise ein Linienfokus. Der Laserstrahl wird dann von dem zweiten sphärischen Linsenelement bezüglich der x-z-Ebene wieder kollimiert wird und bezüglich der y-z-Ebene fokussiert wird. Je nach Anzahl der Linsenelemente kann dieser Prozess fortgesetzt und weitergeführt werden.
Somit wechselt sich eine Fokussierung des Laserstrahls zwischen der x-z-Ebene und der y-z-Ebene bei aufeinanderfolgenden Durchgängen durch die sphärischen Linsenelemente ab. Mit anderen Worten wird eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts nur bei jedem zweiten Durchgang durch ein Linsenelement erreicht, was einer sogenannten 4f-Abbildung entspricht.
Nachdem der Laserstrahl genügend stark spektral verbreitert wurde, kann der Laserstrahl durch eine Auskoppeloptik aus der Vorrichtung ausgekoppelt werden. Die Auskoppeloptik kann hierbei den Laserstrahl insbesondere erneut kollimieren. Hierzu kann die Auskoppeloptik nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet sein, insbesondere zylinderförmig ausgebildet sein, um die entsprechende Konvergenz des Laserstrahls zu beseitigen.
Die Auskoppeloptik kann hierbei beispielsweise mindestens einen gechirpten Spiegel aufweisen oder ein gechripter Spiegel sein, um eine zeitliche Pulskompression des spektral verbreiterten Laserpulses zu erreichen.
Die Einkoppeloptik und/oder die Auskoppeloptik und/oder mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung kann als Spiegelelement ausgebildet sein, bevorzugt als durch ein rückseitig verspiegeltes Quarzglas Element ausgebildetes Spiegelelement.
Die Einkoppeloptik kann ein astigmatischer Spiegel sein, der in zwei verschiedenen orthogonalen Spiegelebenen, der Sagittalebene und der Meridionalebene, zwei verschiedene Brennweiten aufweist. Beispielsweise kann die Sagittalebene mit der x-y-Ebene zusammenfallen und die y-z-Ebene mit der Meridionalebene zusammenfallen. Beispielsweise kann der Spiegel in der Sagittalebene eine größere Brennweite aufweisen als in der Meridionalebene. Dann ergeben sich aus den zwei Spiegelebenen zwei relevante Strahlebenen in denen die Propagation und Fokussierung des Laserstrahls beschrieben werden können.
In der Meridionalebene wird der Laserstrahl dank der kleineren Brennweite in Strahlausbreitungsrichtung zuerst fokussiert, sprich der Strahldurchmesser bezüglich der Meridionalebene des Laserstrahls wird in dem ersten Fokus minimiert. Entsprechend ist der Strahldurchmesser bezüglich der Meridionalebene im Fokus kleiner als in der Sagittalebene. Es ergibt sich somit bei einem astigmatischen Spiegel ein Linienfokus, der sich in der Sagittalebene erstreckt.
Anschließend wächst der Strahldurchmesser bezüglich der Meridionalebene wieder an, wohingegen der Strahldurchmesser in der Sagittalebene weiter reduziert wird, bis dieser im Fokus der Sagittalebene minimal ist. Es ergibt sich somit bei einem astigmatischen Spiegel ein weiterer Linienfokus, der sich in die Meridionalebene erstreckt.
Durch eine astigmatische Optik können sich demnach zwei elongierte Foki, beziehungsweise Linienfoki zwischen den optischen Elementen der Vorrichtung, ergeben.
Bevorzugt weniger als 20 nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung, bevorzugt weniger als 10 nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung können mit dem Laserstrahl nichtlinear wechselwirken.
Beispielsweise kann die Anordnung von Linsenelementen zwei nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung umfassen.
Zudem kann der optische Aufbau ein Teleskop umfassen. Das Teleskop kann eine Anordnung von zwei Linsen sein, die den Rohstrahl des Lasers auf einen gewünschten Strahldurchmesser vor Eingang in die Einkoppeloptik vergrößern oder verkleinern und den Laserstrahl kollimieren.
In obigem Beispiel könnte die Vorrichtung lediglich vier Linsenoptiken aufweisen, nämlich die Einkoppeloptik, die Auskoppeloptik und zwei Linsenelemente. Die Optik des Teleskops wird hierbei nicht mitgezählt. Gleichwohl kann der Laserpuls auch mit der Optik des Teleskops nichtlinear wechselwirken. Der Eingang unmittelbar vor der Einkoppeloptik und der Ausgang unmittelbar nach der Auskoppeloptik bilden demnach zwei Referenzpunkte der Vorrichtung, in denen auch die spektrale Verbreiterung bestimmt wird.
In einer Ausführungsform kann jedes optische Element der Vorrichtung eine Linse sein, wobei der Laserstrahl beim Durchlaufen der Linsen nichtlinear mit dem Material der Linsen wechselwirken kann.
Beispielsweise kann die Einkoppeloptik ein nicht-rotationssymmetrischer Spiegel, bevorzugt ein Zylinderspiegel sein, und die Vorrichtung kann mindestens einen beschichteten Spiegel aufweisen, bevorzugt einen Zylinderspiegel aufweisen, wobei die Auskoppeloptik bevorzugt ebenfalls ein Zylinderspiegel ist.
Analog zum obigen Beispiel wird ein kollimierter Laserstrahl durch die nicht-rotationssymmetrische Einkoppeloptik in der y-z-Ebene vor dem ersten nicht-rotationssymmetrischen Linsenelement fokussiert. Wenn die Zylinderachsen von Einkoppeloptik und den Linsenelementen parallel verlaufen, dann wird der Laserstrahl immer in der y-z-Ebene fokussiert. Gewissermaßen wird somit eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts bei jedem Durchgang erreicht, was einer sogenannten 2f-Abbildung entspricht.
Es kann aber auch sein, dass die Zylinderachsen der Linsenelemente orthogonal zueinanderstehen. Dann kann durch eine geeignete Wahl der Brennweite der Resonatorspiegel eine abwechselnde Fokussierung in der Ebene der Zylinderkrümmung und der Ebene der Zylinderachse herbeigeführt werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Divergenz des Laserstrahls nach einem Fokus so klein gehalten wird, dass die Aufweitung des Laserstrahls kleiner ist als die Abmessung des Zylinderspiegels des Resonators. Gewissermaßen wird somit eine gleiche Ausrichtung des Strahlquerschnitts bei jedem zweiten Durchgang erreicht, was einer sogenannten 4f-Abbildung entspricht.
In jedem Fall kann der Laserpuls des Laserstrahls mit dem nichtlinearen Material des Körpers des Spiegel nichtlinear wechselwirken, so dass unabhängig von der Spiegelsymmetrie eine spektrale Verbreiterung erreicht wird.
In den genannten Beispielen ist es jeweils möglich eine Linse durch einen Spiegel mit der entsprechenden Symmetrie zu ersetzen. Insbesondere ist es somit möglich, dass die Vorrichtung Linsen und Spiegel umfasst.
Beispielsweise kann der Laserstrahl durch einen Zylinderspiegel als Einkoppeloptik reflektiert und elongiert fokussiert werden und durch eine Anordnung von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung geleitet werden, wobei die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung Linsen sind. Anschließend kann der Laserstrahl durch eine Zylinderlinse als Auskoppeloptik aus der Vorrichtung ausgekoppelt werden.
Die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung können dieselbe Brennweite aufweisen oder alle optischen Elemente der Vorrichtung können dieselbe Brennweite aufweisen.
Hierdurch kann ein besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung erreicht werden.
Zwei optische Elemente der Vorrichtung, mit denen der Laserstrahl nacheinander nichtlinear wechselwirkt, können einen Abstand aufweisen, der zwischen dem 0,8-fachen und dem 1,2-fachen der Summe der Brennweiten der beiden optischen Elemente der Vorrichtung beträgt.
Beispielsweise kann die zylindrische Einkoppeloptik eine Brennweite von 30cm aufweisen und das erste Linsenelement der Vorrichtung kann eine Brennweite von 70cm aufweisen. Dann können die Spiegel in einem Abstand von 80cm bis hin zu 120cm voneinander aufgestellt werden.
Beispielsweise kann das erste Linsenelement und das zweite Linsenelement eine Brennweite von 100cm aufweisen 160cm bis 240cm aufgestellt werden. In diesem Fall kann in jedem zweiten Durchgang dieselbe Ausrichtung des Querschnitts des Fokus erreicht werden.
Beispielsweise können alle optischen Elemente eine Brennweite von 20cm aufweisen.
Für die Auslegung einer entsprechenden Vorrichtung können die verschiedenen weiter oben aufgeführten Parameter berücksichtigt werden.
Hierfür kann zunächst aus der Pulsenergie der Querschnitt des Laserstrahls berechnet werden, bei der die Intensität im Fokus die lonisationsschwelle erreicht. Der Querschnitt (beziehungsweise Durchmesser) ist wie weiter oben gezeigt mit dem Öffnungswinkel des Laserstrahls über das Strahlparameterprodukt verknüpft.
Zusätzlich sollte die maximale Intensität oder die Fluenz des Laserstrahls auf den optischen Elementen kleiner als die laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT) sein, so dass die optischen Elemente nicht durch den Laserstrahl zerstört werden. Die laserinduzierte Zerstörschwelle wird hierbei unterschritten, wenn die Querschnittsfläche des Laserstrahls auf dem optischen Element eine gewisse kritische Querschnittsfläche übersteigt. Aus der Querschnittsfläche auf den optischen Elementen, der Querschnittsfläche im Fokus und dem Öffnungswinkel ergibt sich somit die Brennweite der optischen Elemente.
Schließlich lässt sich über die Materialparameter der optischen Elemente der nichtlineare Phasenschub durch das B-Integral pro Transmission/Reflexion berechnen. Hierbei können insbesondere Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden, um ein Ionisieren oder ein Zerstören der Spiegel oder Linsen sicher zu umgehen.
Mit der Anzahl an optischen Elementen lässt sich schließlich die Gesamtverbreiterung des Laserpulses festlegen.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum spektralen Verbreitern mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses eines Laserstrahls vorgeschlagen, wobei der Laserstrahl durch eine Einkoppeloptik in mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung eingekoppelt wird, der Laserstrahl die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung durchläuft,
wobei der Laserpuls des Laserstrahls durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit der nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung spektral verbreitert wird, wobei der Laserstrahl nach dem Durchlaufen der mindestens einen nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung durch eine Auskoppeloptik ausgekoppelt wird,
wobei der Laserstrahl durch die Einkoppeloptik und/oder mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung fokussiert wird. Erfindungsgemäß ist der Strahlquerschnitt im Fokus elongiert, wobei der Fokus bevorzugt ein Linienfokus ist.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung der Ortsabhängigkeit verschiedener Strahleigenschaften gemäß dem Stand der Technik;
3A, B, C, D, E, F eine schematische Darstellung der Ortsabhängigkeit verschiedener Strahleigenschaften bei einer Vorrichtung;
4A, B, C, D eine schematische Darstellung der optischen Elemente;
5 eine weitere schematische Darstellung der Ortsabhängigkeit verschiedener Strahleigenschaften bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
6 eine weitere schematische Darstellung einer Vorrichtung.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform einer vorgeschlagenen Vorrichtung 2 gezeigt.
Hierbei stellt ein Laser 1 einen Laserstrahl 10 bereit, in dem die Laserpulse 100 des Lasers 1 propagieren. Insbesondere können die Laserpulse 100 ultrakurze Laserpulse sein. Beispielsweise können die ultrakurzen Laserpulse eine Pulsdauer von weniger als 100ps, bevorzugt weniger als 1ps, beispielsweise 600fs oder 300fs aufweisen.
Die Laserpulse 100 weisen hierbei ein Frequenzbandbreite auf, die durch die Vorrichtung 2 verbreitert werden soll. Beispielsweise kann die Pulsspitzenleistung der Laserpulse 100 des Laserstrahls 10 größer als 3 Megawatt (MW) und kleiner als 2 Terawatt (TW) sein, bevorzugt größer als 30 MW und besonders bevorzugt 50 MW bis 500 Gigawatt (GW).
Die Vorrichtung 2 weist eine Einkoppeloptik 20, eine Anordnung 22 von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224, 224`, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Linsenelemente ausgebildet sind, sowie eine Auskoppeloptik 26 auf. Die Anordnung 22 von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224, 224' umfasst mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung 224, 224', bevorzugt mindestens ein Linsenelement.
Der Laserstrahl 100 trifft in einem kollimierten Zustand auf die Einkoppeloptik 20 und wird von dieser in die Anordnung 22 von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224 geleitet. In der Anordnung 22 von nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224 wird der Laserstrahl 10 durch die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224 geleitet, wobei bei jeder Transmission durch eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung 224 der Laserstrahl 10 mit den dem optischen Material der nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung 224 nichtlinear wechselwirkt und dadurch spektral verbreitert wird. Nach der Transmission des Laserstrahls 10 durch die letzte nichtlineare Optik mit Linsenwirkung 224' wird der Laserstrahl 10 von der Auskoppeloptik 26 aus der Vorrichtung 2 ausgekoppelt. Der ausgekoppelte Laserpuls 100' ist gegenüber dem ursprünglichen Laserpuls 100 spektral verbreitert.
Die Auskopplungsoptik 26 kann hierbei den Laserstrahl 10 erneut kollimieren und/oder eine Pulskompression durchführen und/oder den Laserstrahl 10 zu einem nachgeschalteten Pulskompressor führen.
Insbesondere wechselwirkt der Laserstrahl 10 auch nichtlinear mit der Einkoppeloptik 20 und der Auskoppeloptik 26, wobei der Umfang dieser Wechselwirkung geringer sein kann, als die nichtlineare Wechselwirkung des Laserstrahls 10 mit der mindestens einen nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung 224, 224' der Anordnung 22.
Verschiedene Strahleigenschaften in einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik sind in 2 gezeigt. Gemäß dem Stand der Technik sind die gezeigte Einkoppeloptik 20, die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224, sowie die Auskoppeloptik 26 jeweils als sphärische Linsen ausgebildet. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die Strahleigenschaften. In 2 ist der Strahldurchmesser D als Funktion der Strahlausbreitungsrichtung z für die x-z-Ebene und die y-z-Ebene gezeigt. Die z-Richtung fällt hierbei stets mit der Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 10 zusammen.
Der Laserstrahl 10 wird zunächst kollimiert, bevor er auf die Einkoppeloptik 20 fällt. Dies ist daran zu erkennen, dass der Strahldurchmesser D vor der Einkoppeloptik 20 sowohl in der x-z-Ebene als auch in der y-z-Ebene konstant ist.
Durch die sphärische Einkoppeloptik 20 des Standes der Technik wird der Laserstrahl 10 transmittiert und fokussiert. Bei der Transmission wechselwirkt der Laserpuls bereits mit dem optischen Material der Einkoppeloptik 20, wodurch der Laserpuls spektral verbreitert wird. Insbesondere findet dabei eine Fokussierung des Laserstrahls 10 in der x-z-Ebene und der y-z-Ebene statt. Die gesamte Energie des Laserstrahls 10 wird dementsprechend auf einen quasi punktförmigen Brennfleck konzentriert, so dass es lokal im Fokuspunkt 3 zu einem starken Ansteigen der Intensität I kommt. Dies ist ebenfalls in 2 gezeigt. Der Fokuspunkt 3 ist dementsprechend dort angeordnet, wo der Strahldurchmesser D ein Minimum in beiden Strahldurchmessern aufweist. Anschließend divergiert der Laserstrahl 10 zum zweiten Linsenelement und wird dann wieder fokussiert. Dies setzt sich fort, bis der Laserstrahl 10 aus der Vorrichtung durch die Auskoppeloptik 26 ausgekoppelt wird.
Wie weiter oben beschrieben kann es aufgrund der hohen Intensität und der nichtlinearen Wechselwirkung mit dem flüssigen oder gasförmigen Medium 240, hier in Form von Luft, zwischen den optischen Elementen 20, 224, 26 in dem quasi punktförmigen Fokus 3 zu einer Selbstfokussierung des Laserstrahls 10 oder einer Ionisierung des flüssigen oder gasförmigen Mediums 240 kommen. Ersteres ist insbesondere der Fall, wenn die Leistung des Lasers die Pulsspitzenleistung P_crit überschreitet. Da die Pulsspitzenleistung P_crit über den Strahldurchmesser D mit der Intensität I verknüpft ist, kann dementsprechend ein Fokussieren des Laserstrahls 10 zu einer sogenannten katastrophalen Selbstfokussierung führen. Durch eine Ionisierung der Luft, wird ein Teil der Laserenergie an die Erzeugung eines Plasmazustandes der Luft verloren.
Um dieses Problem nun zu beheben, sind gemäß der vorgeschlagenen Lösung die Einkoppeloptik 20 und/oder nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224 dazu eingerichtet, den Laserstrahl 10 zu fokussieren, wobei der Strahlquerschnitt im Fokus 30 elongiert ist.
In 3A ist ein entsprechender Verlauf verschiedener Strahleigenschaften der Vorrichtung 2 gemäß der vorgeschlagenen Lösung gezeigt. Insbesondere ist der Verlauf des Strahldurchmessers D gezeigt, wenn der Strahlquerschnitt im Fokus 30 elongiert ist. Der Laserstrahl 10 wird hierbei durch die Einkoppeloptik 20 zunächst in einer Strahlebene fokussiert, hier die y-z-Ebene. Durch die Fokussierung in der y-z-Strahlebene weist der Laserstrahl 10 in der x-z-Ebene auch nach der Transmission durch die Einkoppeloptik 20 einen unveränderten Strahldurchmesser D auf. In dem Minimum des Strahldurchmessers D, wird demzufolge eine Intensitätsüberhöhung in Form eines Linienfokus 30 erzeugt. Der Linienfokus 30 erstreckt sich bei einer Fokussierung in der y-z-Ebene in der x-z-Ebene. Durch den Linienfokus 30 bleibt die Intensität im Linienfokus 30 vergleichsweise gering, so dass die Pulsspitzenleistung P_crit nicht erreicht oder gar überschritten wird. In der Folge kommt es auch nicht zur katastrophalen Selbstfokussierung. Typischerweise ist die Intensität hierbei auch so gering, dass ein Ionisieren des flüssigen oder gasförmigen Mediums 240, beispielsweise Luft, vermieden wird. Beispielsweise liegt die lonisationsschwelle von Luft bei etwa 20 TW/cm². Die Intensität zwischen den optischen Elementen kann im Fokus 30 somit 7TW/cm² betragen, so dass die Intensität im Fokus 30 immer noch um einen Sicherheitsfaktor 3 unterhalb der lonisationsschwelle liegt.
Gleichzeitig kann die Intensität des Laserstrahls 10 in den optischen Elementen, insbesondere den nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 224, so groß gewählt werden, dass eine spektrale Verbreiterung des Laserpulses 100 beim Durchgang durch die optischen Elemente bewirkt werden. Dieses Verhalten lässt sich an dem aufgetragenen B-Integral ablesen. Das B-Integral, also der nichtlineare Phasenschub, vergrößert sich stets im Bereich der Propagation durch die optischen Elemente 20, 224, 26. Relevante Beiträge erfährt das B-Integral jedoch bloß in den optischen Elementen 20, 224, 26. Während der Propagation und der Fokussierung in der Luft ist der Beitrag hingegen vernachlässigbar.
Es ist jedoch auch möglich den Linienfokus 30 ebenfalls zur spektralen Verbreiterung mit zu verwenden. Insbesondere ist der Intensität in der Luft jedoch unterhalb der lonisationsschelle und unterhalb der Pulsspitzenleistung, so dass es weder zu einem Ionisieren der Luft noch zu einer Selbstfokussierung kommt.
Ein solcher Linienfokus 30 zwischen den optischen Elementen kann auf unterschiedliche Weisen erzeugt werden. Eine Möglichkeit ist es eine nicht-rotationssymmetrische Einkoppeloptik 20 mit mindestens einem rotationssymmetrischen Linsenelement als nichtlineare Optike mit Linsenwirkung 224 zu kombinieren. Nicht-rotationssymmetrische Optiken umfassen hierbei auch astigmatische Optiken.
In 3B ist der elongierte Fokus 30 eines Laserstrahls 10 gezeigt, der durch eine astigmatische Einkoppeloptik 20, beispielsweise mit einer astigmatischen Linse, erzeugt wurde. Der Strahldurchmesser hat sowohl in der x-Achse als auch in der y-Achse im Fokus 30 ein Minimum. Jedoch ist die Pulsenergie auf eine größere Fläche im Vergleich zu einem Punktfokus verteilt, so dass es weder zur Selbstfokussierung noch zur Überschreitung der lonisationsschwelle des flüssigen oder gasförmigen Mediums kommt.
In 3C ist analog der elongierte Fokus 30 eines Laserstrahls 10 gezeigt, der durch eine zylinderförmige Einkoppeloptik 20 erzeugt wurde. Hierbei ist der Strahldurchmesser in der x-Achse konstant (so wie in 3A gezeigt) und nur der Strahldurchmesser entlang der y-Achse durchläuft ein Minimum. Dementsprechend wird durch eine Zylinderoptik ein sogenannter Linienfokus 30 ausgebildet.
In 3D ist eine Vorrichtung 2 gemäß der vorgeschlagenen Lösung gezeigt, bei der Durchmesser des Laserstrahls 10 des Lasers 1 zunächst durch ein Teleskop 12 auf eine gewünschte Größe gebracht wird. Zusätzlich kann der Laserstrahl 10 durch das Teleskop 12 auch kollimiert werden. Die Einkoppeloptik 20 und die Auskoppeloptik 26 sind hierbei Zylinderlinsen und die Anordnung der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung 22 umfasst vier sphärische Linsen 224. Durch den eingezeichneten Strahldurchmesser für die x-z-Ebene und die y-z-Ebene wird deutlich, dass sich die Ausrichtung des elongierten Strahlquerschnitts im Fokus 30 zwischen den optischen Elementen 20, 224, 26 nach jeder Transmission ändert.
In 3E sind exemplarisch für die Vorrichtung 2 aus 3D die erzeugten Spektren, beziehungsweise die normalisierten Intensitäten I_norm als Funktion der Wellenlänge λ, gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Bandbreite nach der Transmission durch das Teleskop 12, also vor der Einkopplung in die Einkoppeloptik (genannt „ZL1“) eine vergleichsweise geringe Bandbreite aufweist. Nach der Transmission durch vier sphärische Linsen („SL2“ bis „SL5“) und die Auskopplung durch die Auskoppeloptik (genannt „ZL6“) hat sich die Bandbreite sichtbar vergrößert.
Dies schlägt sich auch in der zugehörigen Pulsdauer nieder, wie in 3F gezeigt. In 3F ist die gesamte Intensität I_tot als Funktion der Zeit um die Pulsmitte aufgetragen. Während die Pulsdauer nach dem Teleskop noch 264fs betragen hat, konnte die Laserpulsdauer durch eine Pulskompression nach der Auskoppeloptik 26 auf 106fs verkürzt werden.
In 4A ist eine weitere mögliche Ausgestaltung der Einkoppeloptik 20 in Form eines Zylinderspiegels 20 in der Seitenansicht und in 4B der Vogelperspektive gezeigt. Der kollimierte Laserstrahl 10 fällt hierbei zunächst von rechts auf die verspiegelte Oberfläche der Einkoppeloptik 20 und wird dort reflektiert. In der Seitenansicht weist die Einkoppeloptik 20 die Zylinderkrümmung auf, so dass eine Fokussierung des Laserstrahl 10 erreicht wird. Gleichzeitig bleibt der Strahldurchmesser D des Laserstrahls in der Vogelperspektive unverändert, da die Einkoppeloptik 20 in dieser Ebene keine Fokussierung vornimmt. Vielmehr wird der Laserstrahl 10 hier lediglich reflektiert.
Als nächstes wird der in der in der Seitenansicht fokussierte Laserstrahl 10 auf das erste Spiegelelement 220 geleitet, wie in 4C gezeigt ist, wobei das Spiegelelement 220 ein sphärischer Spiegel ist. Durch die sphärische Krümmung der Spiegeloberfläche des ersten Spiegelelements 240 kann dementsprechend der Laserstrahl 10 in der Seitenansicht kollimiert werden, während der Laserstrahl 10 in der Vogelperspektive fokussiert wird. Durch die Anordnung von nicht-rotationssymmetrischer Einkoppeloptik 20 und rotationssymmetrischen Spiegelelementen 220 kann dementsprechend ein Linienfokus 30 abwechselnd in der x-z-Ebene und in der y-z-Ebene geformt werden.
Die Spiegelelemente 20, 220 weisen hierbei eine Beschichtung auf, mit der der Laserpuls 100 nichtlinear wechselwirken kann. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass mit der hier gezeigten Vorrichtung 2 die Strahldurchmesser und Intensitätsverläufe der 3A erzeugt werden können, die jedoch mittels Linsen realisiert wurde. Ein analoger Einsatz von Linsen und Spiegeln mit Beschichtung kann dementsprechend stets angenommen werden.
In 5 sind verschiedene Strahleigenschaften einer alternative Ausführungsform der Vorrichtung 2 gezeigt, bei der alle Linienfoki 30 in derselben Ebene liegen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass sowohl die Einkoppeloptik 20 als auch die Spiegelelemente 220 nicht-rotationssymmetrisch sind. Dementsprechend kann der Laserstrahl 10 stets in der y-z-Ebene fokussiert werden. Eine entsprechende Vorrichtung 2 ist in 6 gezeigt.
In 6 ist eine Vorrichtung 2 gezeigt, bei der die Einkoppeloptik 20 als auch die Spiegelelemente 220 nicht-rotationssymmetrisch sind, beziehungsweise Zylinderspiegel sind. In der vorliegenden Ansicht steht die Zylinderachse senkrecht zur Blattebene, so dass die Zylinderkrümmung aller optischen Elemente 20, 220 und 26 in der Blattebene liegt.
Die Spiegelelemente 220 sind hier als nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung ausgebildet und umfassen einen entsprechend ausgebildeten und geformten Körper 221 aus einem transparenten, nichtlinearen Material, beispielsweise Quarzglas, der rückseitig mit einer Verspiegelung 222 versehen ist. Der Laserstrahl 10 propagiert dabei zunächst durch das nichtlineare Material des Körpers 221 und wird dann an der rückseitigen Verspiegelung 222 reflektiert, bevor er das Material des Körpers 221 erneut durchläuft und dann das Spiegelelement 220 wieder verlässt.
Beim Durchlaufen des nichtlinearen Materials des Körpers 221 sammelt der Laserstrahl durch die nichtlineare Wechselwirkung entsprechend wieder B-Integral auf.
Der kollimierte Laserstrahl 10 fällt auf die Einkoppeloptik 20 und wird von dort aus zum ersten Spiegelelement 220 reflektiert. Während der Durchlaufens durch das Material des Körpers 221 wird der Laserpuls 100 nichtlinear spektral verbreitert. Anschließend durchläuft der Laserstrahl 10 einen ersten Fokus 30. Nach der ersten Reflexion an der Einkoppeloptik 20 durchläuft der Laserstrahl 10 einen Linienfokus 30, wobei jedoch die Ionisationsschwelle des umgebenden Gases, beziehungsweise der Luft 240 nicht überschritten wird. Da das zweite Spiegelelement 220 ebenfalls nicht-rotationssymmetrisch ist und wie das erste Spiegelelement 220 ausgerichtet ist, wird der Laserstrahl 10 immer in derselben Strahlebene fokussiert. Der Laserstrahl 10 wird hierbei beispielsweise 10 mal reflektiert, wobei bei jedem Durchlaufen des Laserstrahls durch die jeweiligen Körper 221 der Spiegelelemente 220 der Laserpuls 100 mit dem Material der Körper 221 der Spiegelelemente 220 nichtlinear wechselwirkt und somit spektral verbreitert wird. Durch die letzte Reflexion an der Auskoppeloptik 26 wird der Laserstrahl wieder kollimiert.
Wie bereits in 6 und 3D angedeutet können die optischen Elemente 20, 224, 26 einen Abstand aufweisen, der der Summe der Brennweiten zweier nacheinander vom Laserstrahl 10 angelaufenen optischen Elemente 20, 224, 26 entspricht. Beispielsweise kann die Einkoppeloptik 20 eine Brennweite von 10mm aufweisen und das erste Linsenelement 224 oder das erste Spiegelelement 220 eine Brennweite von 10mm aufweisen. Der Abstand der beiden Elemente kann demnach beispielsweise 20mm betragen.
Die oben zu den Ausführungen mit Linsenelementen 224 beschriebenen Ausbildungen sind entsprechend analog auch für beschichtete Spiegelelemente 220 auszuführen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Laser
10: Laserstrahl
12: Teleskop
100: Laserpuls
2: Vorrichtung
20: Einkoppeloptik
22: Anordnung von Linsenelementen
220: Spiegelelement
224, 224`: nichtlineare Optik mit Linsenwirkung
26: Auskoppeloptik
3: Fokus
30: Linienfokus

Claims

Vorrichtung (2) zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses (100) eines Laserstrahls (10), umfassend eine Einkoppeloptik (20), mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`), und eine Auskoppeloptik (26), wobei die Einkoppeloptik (20) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) in die mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) einzukoppeln, und wobei die Auskoppeloptik (26) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (10) auszukoppeln, wobei der Laserpuls (100) des Laserstrahls (10) durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit der mindestens einen nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) spektral verbreitert wird und der Laserstrahl (10) durch die Einkoppeloptik (20) und/oder die mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquerschnitt im Fokus (30) elongiert ist, wobei der Fokus (30) bevorzugt ein Linienfokus ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsspitzenleistung der Laserpulse (100) des Laserstrahls (10) größer als 3 MW und kleiner als 2 TW ist, bevorzugt größer als 30 MW und besonders bevorzugt bei 50 MW bis 500 GW liegt.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Phasenverschiebung des Laserpulses (100) durch die nichtlineare Wechselwirkung pro Linsenelement (224, 224`) zwischen π/20 und 4π, bevorzugt zwischen π/10 und 2π beträgt.
Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elongierte Fokus (30) zwischen der Einkoppeloptik (20) und einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) und/oder zwischen mindestens zwei nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`) und/oder zwischen einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) und der Auskoppeloptik (26) in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, bevorzugt Luft, angeordnet ist, wobei besonders bevorzugt ein elongierter Fokus (30) zwischen allen nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`) in dem flüssigen oder gasförmigen Medium angeordnet ist.
Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen optischen Kompressor, der dazu eingerichtet ist, dass die Laserpulsdauer, aufgrund der spektralen Verbreiterung des Laserpulses (100), auf weniger als das 0,9-fache, bevorzugt auf weniger als das 0,7-fache der ursprünglichen Laserpulsdauer, komprimiert werden kann.
Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (20) und/oder die Auskoppeloptik (26) nicht-rotationssymmetrische Optiken sind, bevorzugt zylindersymmetrische Optiken und/oder zylindersymmetrische Linsen sind.
Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`) ein rotationssymmetrisches Linsenelement (224, 224`) ist.
Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (20) und die Auskoppeloptik (26) jeweils als Linsen ausgebildet sind und wobei der Laserstrahl (10) beim Durchlaufen durch die Linsen (20, 26) der Einkoppeloptik und der Auskoppeloptik sowie durch die nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`) nichtlinear mit dem Material der Linsen und dem Material der nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`) wechselwirkt.
Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als 20 nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`), bevorzugt weniger als 10 nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`) mit dem Laserstrahl (10) nichtlinear wechselwirken.
Vorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, bevorzugt alle, nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`) dieselbe Brennweite aufweisen oder dass zwei nichtlineare Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`) und/oder die Einkoppeloptik (20) und eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) und/oder eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) und die Auskoppeloptik (26), mit denen der Laserstrahl (10) jeweils nacheinander nichtlinear wechselwirkt, einen Abstand voneinander aufweisen, der zwischen dem 0,8-fachen und dem 1,2-fachen der Summe der Brennweiten der jeweiligen optischen Elemente beträgt.
Vorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (20) und/oder die Auskoppeloptik (26) und oder mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung als Spiegelelement (220) ausgebildet ist, bevorzugt als durch ein rückseitig verspiegeltes Quarzglas Element ausgebildetes Spiegelelement (220).
Verfahren zum spektralen Verbreitern eines Laserpulses (100) eines Laserstrahls (10), wobei der Laserstrahl (10) durch eine Einkoppeloptik (20) in mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224) eingekoppelt wird, der Laserstrahl (10) die nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (22) durchläuft, wobei der Laserpuls (100) des Laserstrahls (10) durch eine nichtlineare Wechselwirkung mit der nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) spektral verbreitert wird, und der Laserstrahl (10) nach dem Durchlaufen der mindestens einen nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) durch eine Auskoppeloptik (26) ausgekoppelt wird, wobei der Laserstrahl (10) durch die Einkoppeloptik (20) und/oder mindestens eine nichtlineare Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlquerschnitt im Fokus (30) elongiert ist, wobei der Fokus (30) bevorzugt ein Linienfokus ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elongierte Fokus (30) zwischen der Einkoppeloptik (20) und der nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) und/oder zwischen mindestens zwei nichtlinearen Optiken mit Linsenwirkung (224, 224`) und/oder zwischen einer nichtlinearen Optik mit Linsenwirkung (224, 224`) und der Auskoppeloptik (26) in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, bevorzugt Luft, ausgebildet wird und die Intensität des Laserstrahls (10) im Fokus (30) kleiner als die lonisationsschwelle des flüssigen oder gasförmigen Mediums ist, insbesondere eines Gases (240), ist und/oder die Pulsleistung des Laserpulses (100) des Laserstrahls (10) kleiner als die kritische Pulsspitzenleistung (P_crit) ist und/oder eine nichtlineare Phasenverschiebung pro Durchgang durch den Resonator (22) zwischen π/20 und 4π, bevorzugt zwischen π/10 und 2π, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Verbreiterung des Laserpulses (100) ermöglicht, die Laserpulsdauer auf weniger als das 0,9-fache, bevorzugt auf weniger als das 0,7-fache der ursprünglichen Laserpulsdauer zu komprimieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse (100) des Laserstrahls (10) mit einer Pulsspitzenleistung größer als 3 MW und kleiner als 2 TW bereitgestellt wird, bevorzugt größer als 30 MW und besonders bevorzugt bei 50 MW bis 500 GW.