DE102021207332A1

DE102021207332A1 - Pulsmodifikationsvorrichtung mit einer passiven Umsetzungseinrichtung zur Kompensation von Umgebungseinflüssen

Info

Publication number: DE102021207332A1
Application number: DE102021207332.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Enzmann
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2023-01-12
Also published as: KR20240019844A; EP4371197A1; US20240154377A1; CN117693872A; WO2023285028A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pulsmodifikationsvorrichtung (1) in Form einer Pulsstreckungsvorrichtung zur dispersiven Streckung von Laserpulsen (2) oder einer Pulskompressionsvorrichtung zur dispersiven Kompression von Laserpulsen (2) mit mindestens einem dispersiven optischen Element (3,3') zur Winkelseparation und Zusammenführung von Spektralkomponenten (7) der Laserpulse (2) und einer Stelleinrichtung (4') zur Einstellung der Dispersion der Pulsmodifikationseinrichtung (1) über eine Beeinflussung der Spektralkomponenten (7). Die Pulsmodifikationsvorrichtung (1) umfasst weiter mindestens ein passives Sensorelement (5) mit einer Ausgangsgröße (A), die von mindestens einem Umgebungsparameter (U) abhängt, und eine passive Umsetzungseinrichtung (6) zur Umsetzung einer Ausgangsgrößenänderung (dA) des mindestens einen passiven Sensorelements (5) in eine Stellgrößenänderung (dS) der Stelleinrichtung (4'), um eine Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung (1) und/oder mindestens einer weiteren Pulsstreckungsvorrichtung (25) und/oder mindestens einer weiteren Pulskompressionsvorrichtung (26) zu kompensieren, die aus einer Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters (U) resultiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulsmodifikationsvorrichtung in Form einer Pulsstreckungsvorrichtung zur dispersiven Streckung von Laserpulsen oder einer Pulskompressionsvorrichtung zur dispersiven Kompression von Laserpulsen. Die Erfindung betrifft ferner ein Chirped-Pulse-Amplification-System.
Laserpulse, insbesondere ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich und darunter, finden auf zahlreichen Gebieten der Technik Anwendung, beispielsweise in der Materialbearbeitung einschließlich dem Laserschwei-ßen und dem Laserschneiden. Eine wichtige Größe in der Beschreibung von Laserpulsen ist die Phase des elektrischen Feldes der Laserpulse im Frequenzraum, die sogenannte spektrale Phase. Unterschieden werden kann damit zwischen ungechirpten Laserpulsen, die eine spektrale Phase aufweisen, die konstant ist oder linear von der Frequenz abhängt, und gechirpten Laserpulsen, deren spektrale Phase eine komplexere Frequenzabhängigkeit aufweist. Vereinfacht gesagt eilen in einem gechirpten Laserpuls bestimmte Spektralanteile, beispielsweise niederfrequentere, anderen Spektralanteilen, beispielsweise höherfrequenteren, voraus. Ungechirpte Laserpulse zeichnen sich durch eine minimale Pulsdauer bei gegebener spektraler Breite aus.
Die Eigenschaften von Laserpulsen können mittels Vorrichtungen, die sich auf die einzelnen Spektralanteile der Laserpulse unterschiedlich auswirken, die also dispersiv sind, insbesondere mittels Vorrichtungen, welche die spektrale Phase verändern, gezielt beeinflusst werden. Im Allgemeinen erwünscht sind hohe Pulsqualitäten, kurze Pulsdauern und hohe Pulsintensitäten. Von besonderer Bedeutung sind Pulsstreckungsvorrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und Pulskompressionsvorrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen. Mittels Pulsstreckungsvorrichtungen können ungechirpte und gechirpte Laserpulse zeitlich gestreckt werden. Die resultierenden zeitlich gestreckten Laserpulse sind dann gechirpt bzw. stärker gechirpt. Mittels Pulskompressionsvorrichtungen können gechirpte Laserpulse zeitlich komprimiert werden. Die resultierenden zeitlich komprimierten Laserpulse sind dann weniger stark gechirpt oder ungechirpt.
Pulsstreckungs- und Pulskompressionsvorrichtungen werden häufig in Kombination miteinander eingesetzt. Beispielsweise sind in einem sogenannten Chirped-Pulse-Amplification-System mindestens eine Pulsstreckungsvorrichtung, mindestens eine Pulskompressionsvorrichtung und eine Pulsverstärkungseinrichtung integriert. In Kombination mit einem Seed-Laser dient ein Chirped-Pulse-Amplification-System zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse mit höchsten Pulsintensitäten. Laserpulse des Seed-Lasers, beispielsweise eines Faserlasers, werden dabei zunächst mittels der mindestens einen Pulsstreckungsvorrichtung zeitlich gestreckt. Die gestreckten Laserpulse werden anschließend in der Verstärkungseinrichtung, beispielsweise in einem Faserverstärker, verstärkt. Nach der Verstärkung werden die verstärkten Laserpulse mittels der mindestens einen Pulskompressionsvorrichtung zeitlich wieder komprimiert. Ohne die zeitliche Streckung vor der Verstärkung würde in Folge der hohen Intensität und damit einhergehender nichtlinearer Effekte das Verstärkermedium der Verstärkungseinrichtung beschädigt oder zerstört und die Pulseigenschaften beeinträchtigt werden. Weitere Details zum Aufbau von Ultrakurzpulslasern mit einem Seed-Laser und einem Chirped-Pulse-Amplification-System finden sich beispielsweise in dem Artikel „Pulsed Lasers for Industrial Applications“ von F. Jansen et al., Laser Technik Journal 2, 46 (2018).
Pulsstreckungs- und Pulskompressionsvorrichtungen sind häufig als Freistrahleinrichtungen aufgebaut, was bedeutet, dass die Laserpulse bzw. deren Spektralkomponenten zumindest teilweise durch Luft oder eine andere Gasatmosphäre propagieren. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn hohe Intensitäten auftreten und/ oder hohe Streckfaktoren erzielt werden sollen. Zu dieser Bauform zählen Gitter- und Prismenstrecker bzw. Gitter- und Prismenkompressoren, in welchen mindestens ein Gitter bzw. Prisma zur Auftrennung und Zusammenführung der einzelnen Spektralkomponenten dient. Die aufgetrennten Spektralkomponenten weisen unterschiedliche Laufzeiten in den Streckern bzw. Kompressoren auf, bevor diese erneut zusammengeführt werden, was zur gewünschten zeitlichen Streckung bzw. Komprimierung führt.
Die Dispersion einer Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionsvorrichtung kann mathematisch über die akkumulierte spektrale Phase, φ(ω), der Laserpulse bei der Propagation durch die Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionsvorrichtung beschrieben werden. Die Charakterisierung der Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionsvorrichtung erfolgt dabei typischerweise über die Koeffizienten, β_i, einer Taylor-Entwicklung $φ (ω) = β_{0} + β_{1} (ω - ω_{0}) + \frac{β_{2}}{2} {(ω - ω_{0})}^{2} + \frac{β_{3}}{6} {(ω - ω_{0})}^{3} + \dots$
in der Kreisfrequenz, ω, um die Zentralfrequenz, ω₀, der Laserpulse. Von Bedeutung ist insbesondere die Gruppenverzögerungsdispersion, β₂, die das zeitliche Auseinanderlaufen bzw. Zusammenlaufen der Laserpulse in niedrigster Ordnung beschreibt. Bei hochdispersiven Pulsstreckungs- und Pulskompressionsvorrichtungen spielen aber auch die höheren Ordnungen, insbesondere die Dispersion dritter Ordnung, β₃, eine Rolle.
Im Stand der Technik werden ferner Einrichtungen zur Einstellung der Dispersion einer Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionsvorrichtung oder einer Vorrichtung mit einer Pulsstreckungs- und/oder einer Pulskompressionsvorrichtung beschrieben. Eine genaue Einstellung der Dispersion ist wichtig, um eine möglichst hohe Pulsqualität, insbesondere eine möglichst kurze Pulsdauer, zu erzielen. Insbesondere können damit auch Veränderungen der Umgebung, die sich auf die Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionsvorrichtung auswirken, kompensiert werden. Die Einstellung der Dispersion erfolgt dabei anhand einer Messung mindestens einer Pulseigenschaft der Laserpulse.
So ist in der EP 3 578 287 A1 ein Lasersystem mit einer Laserpulsquelle und einer Dispersionsanpassungseinheit zur Pulsstreckung oder Pulskompression von Laserpulsen mit einer Anordnung mit mindestens einem dispersiven Element zur Erzeugung von Winkeldispersion und einer im Winkeldispersionsbereich angeordneten optischen Einheit beschrieben. Die optische Einheit umfasst eine die Laserpulse transmittierende, planparallele optische Platte, die einen eintrittswinkelabhängigen Parallelversatz der einzelnen Spektralkomponenten der Laserpulse bewirkt. Eine Drehung der optischen Platte beeinflusst die Dispersionseigenschaften der Dispersionsanpassungseinheit. Insbesondere kann durch eine Drehung der optischen Platte die Pulsdauer der Laserpulse in einem Ausgangsstrahl des Lasersystems eingestellt werden. In einem Beispiel umfasst das Lasersystem ferner eine Pulsdauermessvorrichtung und eine Steuerungseinheit. Die Pulsdauermessvorrichtung dient der Ausgabe eines pulsdauerabhängigen Messsignals an die Steuerungseinheit. Die Steuerungseinheit dient der Ansteuerung einer Winkeleinstellvorrichtung zur Einstellung einer Winkelstellung der optischen Platte in Abhängigkeit der Pulsdauermessung.
In der US 7,822,347 ist weiter ein Chirped-Pulse-Amplification-System mit einem Pulserzeuger, einem Pulsstrecker, einem Pulsverstärker und einem Pulskompressor, sowie einem Einstellelement und einer Pulsmesseinrichtung beschrieben. Das Einstellelement ist geeignet, die Gruppengeschwindigkeitsdispersion des Chirped-Pulse-Amplification-Systems einzustellen und die Pulsdauer der komprimierten Pulse zu regeln. Mittels des Einstellelements kann entweder die Dispersion eines der bereits vorhandenen Elemente des Chirped-Pulse-Amplification-Systems, beispielsweise des Pulsstreckers oder des Pulskompressors, eingestellt werden oder es handelt sich um ein zusätzliches dispersives Element im Chirped-Pulse-Amplification-System. Die Pulsmesseinrichtung ist geeignet, mindestens eine Pulseigenschaft der komprimierten Pulse beispielsweise über Multiphotonendetektion, einen Autokorrelator oder über ein FROG- (Frequency-Resolved Optical Gating) System zu messen. Das Einstellelement ist ferner ausgebildet, auf ein Ausgangssignal der Pulsmesseinrichtung zu reagieren. In einem Beispiel dient das Einstellelement dazu, Veränderungen der Dispersion zu kompensieren, die auf Veränderungen der Umgebung oder der optischen Weglänge von Freistrahlelementen zurückzuführen sind. In weiteren Beispielen ist das Einstellelement ausgebildet, ein Faser-Bragg-Gitter mit einem Temperaturgradienten oder einem Dehnungsgradienten zu beaufschlagen.
Bekannte Pulsmesseinrichtungen, Winkeleinstellvorrichtungen und Steuerungseinheiten, einschließlich der oben genannten, haben jedoch in der Regel einen relativ komplexen Aufbau und sind verhältnismäßig teuer.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Pulsmodifikationsvorrichtung in Form einer Pulsstreckungsvorrichtung oder einer Pulskompressionsvorrichtung bereitzustellen, bei der die austretenden Laserpulse unabhängig von mindestens einem Umgebungsparameter gleichbleibende Pulseigenschaften aufweisen und die sich gleichzeitig durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch eine Pulsmodifikationsvorrichtung in Form einer Pulsstreckungsvorrichtung zur dispersiven Streckung von Laserpulsen oder einer Pulskompressionsvorrichtung zur dispersiven Kompression von Laserpulsen mit mindestens einem dispersiven optischen Element zur Winkelseparation und Zusammenführung von Spektralkomponenten der Laserpulse und einer Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der Pulsmodifikationseinrichtung über eine Beeinflussung der Spektralkomponenten sowie mindestens einem passiven Sensorelement mit einer Ausgangsgröße, die von mindestens einem Umgebungsparameter abhängt, und einer passiven Umsetzungseinrichtung zur Umsetzung einer Ausgangsgrößenänderung des mindestens einen passiven Sensorelements in eine Stellgrößenänderung der Stelleinrichtung, um eine Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung und/oder mindestens einer weiteren Pulsstreckungsvorrichtung und/oder mindestens einer weiteren Pulskompressionsvorrichtung zu kompensieren, die aus einer Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters resultiert.
Durch diese Kompensation weisen die austretenden Laserpulse unabhängig von dem mindestens einen Umgebungsparameter gleichbleibende Pulseigenschaften auf.
Propagieren die Laserpulse zusätzlich zur Pulsmodifikationsvorrichtung auch durch eine oder mehrere weitere Pulsstreckungsvorrichtungen und/oder eine oder mehrere weitere Pulskompressionsvorrichtungen, kann statt oder zusätzlich zur Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung auch die Veränderung der Dispersion der oder mindestens einer der mehreren weiteren Pulsstreckungsvorrichtungen und/oder der mindestens oder mindestens einer der mehreren weiteren Pulskompressionsvorrichtungen kompensiert werden. Eine beispielhafte Anwendung sind Chirped-Pulse-Amplification-Systeme. Bevorzugt ist die Pulsmodifikationsvorrichtung ausgebildet, die kumulierte Dispersion zu kompensieren. Die weiteren Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionsvorrichtungen können im Strahlengang der Laserpulse vor und/oder nach der Pulsmodifikationsvorrichtung angeordnet sein.
Die Pulsmodifikationsvorrichtung ist als Freistrahleinrichtung ausgebildet. Bei Freistrahl-Pulsstreckungsvorrichtungen und Freistrahl-Pulskompressionsvorrichtungen führt eine Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters insbesondere zu einer Veränderung des Brechungsindex der Luft bzw. der Gasatmosphäre, welche wiederum zu einer Veränderung der Dispersion führt.
Bei dem mindestens einen dispersiven optischen Element handelt es sich beispielsweise um mindestens ein Beugungsgitter oder mindestens ein Prisma. Die separierten Spektralkomponenten der Laserpulse weisen unterschiedliche Laufzeiten auf, bevor diese wieder zusammengeführt werden, was zur gewünschten zeitlichen Kompression bzw. zeitlichen Streckung der Laserpulse führt.
Im Fall eines einzelnen passiven Sensorelements kann dieses eine Ausgangsgrö-ßenänderung bei einer Veränderung nur eines Umgebungsparameters oder bei einer Veränderung mehrerer Umgebungsparameter zeigen. Im Fall mehrerer passiver Sensorelemente gilt dies entsprechend für jedes der passiven Sensorelemente.
Die passive Umsetzungseinrichtung setzt die Ausgangsgrößenänderung in eine Stellgrößenänderung um, wobei die bewirkte Stellgrößenänderung gerade zu einer Kompensation der Veränderung der Dispersion führt, die aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters resultiert.
Unter einer passiven Umsetzungseinrichtung wird hier insbesondere eine Umsetzungseinrichtung verstanden, die keine aktiven Elemente, also beispielsweise keinen Motor, keine zusätzlichen Energiequellen und keine Elektronik benötigt. Entsprechend gilt dies für das passive Sensorelement. In der Folge ist die Pulsmodifikationsvorrichtung relativ einfach und kostengünstig aufgebaut sowie einfach zu warten oder sogar wartungsfrei.
In einer Ausführungsform umfasst die Stelleinrichtung ein planparalleles transmissives optisches Element, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten der Laserpulse durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz erfahren, wobei die Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung über eine Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements einstellbar ist und die Stellgrößenänderung einem Drehwinkel des planparallelen transmissiven optischen Elements entspricht. Bei dem planparallelen transmissiven optischen Element kann es sich beispielweise um ein Glasplättchen handeln. Durch die Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements um den Drehwinkel verändert sich der Strahlengang der Spektralkomponenten, was sich auf die Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung auswirkt. Details zur Einstellung der Dispersion mittels einer Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements finden sich in der EP 3 578 287 A1 , deren Inhalt hiermit vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Insbesondere ist dort der genaue Zusammenhang zwischen dem Drehwinkel und der Gruppenverzögerungsdispersion dargelegt.
Die Stelleinrichtung kann alternativ auch eine Multikeilanordnung, insbesondere eine Doppelkeilanordnung, umfassen, die so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten durch diese hindurchtreten, wobei die Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung über eine Verschiebung mindestens eines Keiles der Multikeilanordnung und/oder eine Drehung der Multikeilanordnung einstellbar ist. Bei einer Doppelkeilanordnung beziehungsweise Multikeilanordnung handelt es sich um eine optische Anordnung aus zwei beziehungsweise mehr als zwei Keilen. Unter Keilen werden hier keilförmige transmissive optische Elemente verstanden. Bei der Stellgrößenänderung handelt es sich in diesem Fall typischerweise um einen Verschiebungsweg des mindestens einen Keils und/oder einen Drehwinkel der Multikeilanordnung. Über eine Verschiebung eines Keiles einer Doppelkeilanordnung kann insbesondere eine Dicke der Doppelkeilanordnung variiert werden. Dies führt zu einer Einstellbarkeit der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung, da die Spektralkomponenten beim Hindurchtreten durch die Doppelkeilanordnung einen einfallswinkelabhängigen Strahlversatz erfahren, der von der Dicke der Doppelkeilanordnung abhängig ist. Weitere Details zur Einstellung der Dispersion einer Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrichtung mittels derartiger Multikeilanordnungen finden sich ebenfalls in der EP 3 578 287 A1 .
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der Ausgangsgröße des passiven Sensorelements oder mindestens eines der passiven Sensorelemente um eine Länge. Unter der Länge wird hier die Abmessung des passiven Sensorelements oder eines Teils des passiven Sensorelements entlang einer beliebigen Raumrichtung verstanden. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Ausgangsgröße auch um eine Orientierung des passiven Sensorelements oder eines Teils des passiven Sensorelements handeln. Insbesondere kann die Ausgangsgrößenänderung in einer Verschiebung oder einer Drehung oder einer Überlagerung aus einer Verschiebung und einer Drehung resultieren.
In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei der passiven Sensorelemente in Reihe miteinander verbunden, wodurch sich ihre Ausgangsgrößenänderungen, insbesondere ihre Längenänderungen, addieren. Beispielweise können passive Sensorelemente in Reihe miteinander verbunden werden, die eine Ausgangsgrö-ßenänderung bei einer Veränderung des gleichen Umgebungsparameters zeigen. Durch die Addition der Ausgangsgrößenänderungen, insbesondere der Längenänderungen, resultiert eine gegebene Veränderung des Umgebungsparameters in einem stärkeren Signal, insbesondere in einem größeren mechanischen Hub. Die passive Umsetzungseinrichtung kommt mit kleineren Hebeln aus. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird besser. Insgesamt wird die Kompensation genauer und zuverlässiger.
In einer weiteren Ausführungsform ist die passive Umsetzungseinrichtung ein mechanisches Getriebe, bevorzugt ein Gestänge. Ein mechanisches Getriebe ist eine Einrichtung zur Übertragung von Bewegungen und Kräften durch starre Bauteile, beispielsweise Zahnräder, Zahnstangen, Ketten, oder Riemen. Die passive Umsetzungseinrichtung kann insbesondere auch eine sogenannte Übertragungskette umfassen. Ein Gestänge ist eine Einrichtung aus zwei oder mehreren miteinander über Gelenke oder fest verbundenen Stäben, die der Übertragung von Kräften und Bewegungen dient.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist mindestens ein Gelenk des mechanischen Getriebes bzw. des Gestänges ein Festkörpergelenk. Festkörpergelenke haben den Vorteil, reibungsfrei oder äußerst reibungsarm zu sein. Die Ausgangsgrö-ßenänderung kann damit zuverlässiger und genauer in die entsprechende Stellgrö-ßenänderung, insbesondere in die Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements um den entsprechenden Drehwinkel, umgesetzt werden. Der typischerweise begrenzte Bewegungsbereich von Festkörpergelenken stellt für die vorliegende Anwendung keine relevante Einschränkung dar.
In einer weiteren Ausführungsform ist die passive Umsetzungseinrichtung gemäß einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve ausgelegt, welche die Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters in Relation zur Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung und/oder der mindestens einen weiteren Pulsstreckungsvorrichtung und/oder der mindestens einen weiteren Pulskompressionsvorrichtung setzt. Aus einer solchen Kalibrationskurve und dem bekannten Zusammenhang zwischen der Stellgrößenänderung, insbesondere dem Drehwinkel, und der dadurch bedingten Anpassung der Dispersion ergibt sich eine Beziehung zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameter und dem Wert der Stellgrößenänderung, der zur Kompensation der Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung führt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die passive Umsetzungseinrichtung gemäß einer mathematischen Beziehung der Form $d β_{2} = F (β_{3}, β_{4}, \dots, β_{m}, ω_{0}, d n)$
zwischen einer Veränderung, dn, eines Brechungsindex innerhalb der Pulsmodifikationsvorrichtung und/oder innerhalb der mindestens einen weiteren Pulsstreckungsvorrichtung und/oder innerhalb der mindestens einen weiteren Pulskompressionsvorrichtung, welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters resultiert, und der dadurch bedingten Veränderung, dβ₂, der Gruppenverzögerungsdispersion sowie der Dispersion höherer Ordnung (β₃, β₄,...,β_m) und der Zentralfrequenz (ω₀) der Laserpulse (2) der Pulsmodifikationsvorrichtung ausgelegt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich bei Pulsmodifikationsvorrichtungen in Form von Freistrahleinrichtungen die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion näherungsweise über mathematische Beziehungen der angegebenen Form beschreiben lässt. Aus einem bekannten Zusammenhang zwischen dem mindestens einen Umgebungsparameter und dem Brechungsindex, im Fall von Luft beispielsweise aus der Edlen-Formel, ergibt sich nun eine Beziehung zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und der Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion. Da weiter der Zusammenhang zwischen der Stellgrö-ßenänderung, insbesondere dem Drehwinkel des planparallen transmissiven optischen Elements, und der Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion bekannt ist, ergibt sich insgesamt eine Beziehung zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und der zur Kompensation führenden Stellgrößenänderung. Eine entsprechende Auslegung der passiven Umsetzungseinrichtung erlaubt eine weitgehende oder sogar vollständige Kompensation der Veränderung der Dispersion, ohne dass die Pulsdauer oder eine andere Pulseigenschaft gemessen werden muss.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die mathematische Beziehung die Folgende: dβ₂ = β₃ω₀dn. Die angegebene mathematische Beziehung beschreibt die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion bei einer gegebenen Veränderung des Brechungsindex in vielen Fällen in zumindest guter Näherung. Von den höheren Ordnungen der Dispersion geht lediglich die Dispersion dritter Ordnung, β₃, in die mathematische Beziehung ein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Stellgrößenänderung, insbesondere der Drehwinkel des planparallen transmissiven optischen Elements, zumindest näherungsweise proportional zu der Ausgangsgrößenänderung, insbesondere zu der Längenänderung, des mindestens einen passiven Sensorelements. Die Veränderung des Brechungsindex ist zumindest in guter Näherung typischerweise proportional zur Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters, beispielsweise im Fall der Edlén-Formel. Selbiges gilt für typische Ausgangsgrößenänderungen, insbesondere Längenänderungen von passiven Sensorelementen in Abhängigkeit der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion in Abhängigkeit der Stellgrößenänderung, insbesondere des Drehwinkels. Folglich ist die passive Umsetzungseinrichtung bevorzugt so auszulegen, dass diese eine Stellgrößenänderung bewirkt, die proportional zur Ausgangsgrößenänderung ist. Insbesondere ist die passive Umsetzungseinrichtung bevorzugt so auszulegen, dass diese eine Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements um einen Drehwinkel bewirkt, der proportional zu der Längenänderung bzw. den Längenänderungen des passiven Sensorelements bzw. der passiven Sensorelemente ist. Aus den genannten Beziehungen ergibt sich außerdem der Proportionalitätsfaktor, der zu einer Kompensation der Veränderung der Dispersion führt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der oder einer der Umgebungsparameter ein Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck ist insbesondere wetterabhängig, wodurch er ständigen Schwankungen unterliegt. Der Umgebungsdruck hat einen relativ starken Einfluss auf den Brechungsindex, wodurch er sich verhältnismäßig stark auf die Dispersion von Freistrahleinrichtungen auswirkt. Die Kompensation von Veränderungen der Dispersion, die aus einer Veränderung des Umgebungsdrucks resultieren, ist damit besonders wichtig.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst das passive Sensorelement oder mindestens eines der passiven Sensorelemente eine Druckmessdose, bevorzugt eine Absolutdruckmessdose. Druckmessdosen umfassen typischerweise zwei miteinander verbundene Membranen, die sich druckdifferenzabhängig deformieren. Im Fall von Absolutdruckmessdosen ist der Zwischenraum zwischen den Membranen evakuiert. Dies hat den Vorteil, dass diese unempfindlich gegenüber schwankenden Umgebungstemperaturen sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist der oder einer der Umgebungsparameter eine Temperatur. Durch eine Veränderung der Temperatur ergibt sich zum einen eine Veränderung des Brechungsindex. Weiter kann es aber auch zur einer thermischen Ausdehnung von Komponenten der Pulsmodifikationsvorrichtung, beispielsweise einer oder mehrerer Grundplatten, kommen. Auch kann sich die Temperatur auf die Gitterperiode von Beugungsgittern auswirken.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst das passive Sensorelement oder mindestens eines der passiven Sensorelemente ein Bimetallelement oder einen Bestandteil, insbesondere einen Stab, welcher einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als die Bestandteile der passiven Umsetzungseinrichtung, insbesondere als die Stäbe des Gestänges, aufweist. Um durch thermische Schwankungen bedingte Dispersionsänderungen, insbesondere Pulsdaueränderungen, zu kompensieren, können gezielt Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt werden. Beispielsweise kann mindestens ein Stab der passiven Umsetzungseinrichtung aus Invar oder Titan gefertigt sein, die sich durch einen sehr kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten auszeichnen. Das passive Sensorelement kann hingegen beispielweise einen Stab aus Aluminium umfassen, der bei einer Temperaturänderung eine deutlich größere Längenänderung zeigt.
Das passive Sensorelement kann beispielsweise auch eine Platte oder ein anderes Bauteil umfassen, die bzw. das mit einer Grundplatte der Pulsmodifikationsvorrichtung verbunden ist und sich bei einer Veränderung der Umgebungstemperatur ausdehnt (oder zusammenzieht). Durch eine solche Ausgangsgrößenänderung kann sich beispielsweise ein Gelenkpunkt des Gestänges verschieben, wodurch es zu einer Anpassung der Stellgröße kommt.
Bimetallelemente bestehen aus zwei miteinander verbundenen Metallschichten, die sich in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Bei einer Temperaturänderung kommt es daher zu einer Biegung des Bimetallelements, welche die Ausgangsgrößenänderung des passiven Sensorelements bedingt.
Mittels mindestens eines passiven Sensorelements in Form mindestens einer teilevakuierten Druckdose können sowohl Veränderungen des Umgebungsdrucks als auch Veränderungen der Umgebungstemperatur kompensiert werden. Der Druck innerhalb der teilevakuierten Druckmessdose ist dafür geeignet zu wählen. Um den gleichen mechanischen Hub bei einer gegebenen Veränderung des Umgebungsdrucks zu erzielen, ist beim Einsatz teilevakuierter Druckmessdosen im Vergleich zum Einsatz von Absolutdruckmessdosen eine größere Anzahl von Druckmessdosen notwendig.
Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Chirped-Pulse-Amplification-System zur Verstärkung von Laserpulsen, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungsvorrichtungen zur dispersiven Streckung der Laserpulse, eine Pulsverstärkungseinrichtung zur Verstärkung der gestreckten Laserpulse und eine oder mehrere Pulskompressionsvorrichtungen zur dispersiven Kompression der verstärkten Laserpulse, wobei es sich bei der oder mindestens einer der Pulsstreckungsvorrichtungen und/oder der oder mindestens einer der Pulskompressionsvorrichtungen um eine Pulsmodifikationsvorrichtung wie oben beschrieben handelt. Anders als in konventionellen Chirped-Pulse-Amplification-Systemen bleiben die Pulsparameter der austretenden Laserpulse in einem solchen Chirped-Pulse-Amplification-System unabhängig von dem mindestens einen Umgebungsparameter konstant. Insbesondere kann die Pulsdauer der austretenden Laserpulse auch im Fall von Druckschwankungen konstant gehalten werden.
Prinzipiell kann, um die Pulseigenschaften, insbesondere die Pulsdauer, der Laserpulse eines Chirped-Pulse-Amplification-Systems zu stabilisieren, auch der Abstand der dispersiven optischen Elemente nachgeführt bzw. nachjustiert werden. Dies ist jedoch aufwendiger und teurer als die Kompensation über die Drehung des planparallelen transmissiven optischen Elements oder über die Verschiebung des mindestens einen Keils der Doppelkeilanordnung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche oder entsprechende Merkmale. Es zeigen:

1a,1b schematische Darstellungen einer Pulsmodifikationsvorrichtung in Form einer Pulskompressionsvorrichtung mit zwei dispersiven optischen Elementen, einer Stelleinrichtung, umfassend ein planparalleles transmissives optisches Element, einem Sensorelement und einer passiven Umsetzungseinrichtung,
2a-2c schematische Darstellungen von Varianten der in 1a, 1b gezeigten passiven Umsetzungseinrichtung,
3 eine schematische Darstellung einer Stelleinrichtung mit einer Doppelkeilanordnung und
4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Chirped-Pulse-Amplification-Systems zur Verstärkung von Laserpulsen mit einer Pulskompressionsvorrichtung, bei der es sich um eine erfindungsgemäße Pulsmodifikationsvorrichtung handelt.

Die 1a und b zeigen ein Beispiel einer Pulsmodifikationsvorrichtung 1 in Form einer Pulskompressionsvorrichtung zur dispersiven Kompression von Laserpulsen 2 mit zwei dispersiven optischen Elementen 3,3`, einer Stelleinrichtung 4', einem passiven Sensorelement 5 und einer passiven Umsetzungseinrichtung 6.
Die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 ist eine Freistrahleinrichtung. Die zwei dispersiven optischen Elemente 3,3' dienen zur Winkelseparation und Zusammenführung der Spektralkomponenten 7 der Laserpulse 2. Die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 kann alternativ aber auch nur ein oder mehr als zwei dispersive optische Elemente 3,3' aufweisen. Bei den dargestellten dispersiven optischen Elementen 3,3' handelt es sich um Beugungsgitter, es kann sich dabei aber auch um andere dispersive optische Elemente, beispielsweise um Prismen handeln.
Die eintretenden Laserpulse 2, die gechirpt sind, treffen zunächst auf das erste dispersive optische Element 3, wodurch diese in ihre Spektralkomponenten 7 separiert werden und in unterschiedliche Richtungen propagieren. Durch das zweite dispersive optische Element 3' werden die Spektralkomponenten 7 parallelisiert und anschließend von einem reflektiven optischen Element 8 zurückreflektiert. Bei dem reflektiven optischen Element 8 kann es sich beispielsweise um ein Umlenkprisma handeln. Die zurückreflektierten Spektralkomponenten 7 sind in diesem Fall in der Höhe versetzt, sodass die austretenden Laserpulse 2' einfach von den eintretenden Laserpulsen 2 getrennt werden können. Die einzelnen Spektralkomponenten 7 weisen in der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 unterschiedliche Laufzeiten auf, was zur gewünschten zeitlichen Kompression der Laserpulse 2 führt.
Die dargestellte Stelleinrichtung 4' umfasst beispielhaft ein planparalleles transmissives optisches Element 4, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten 7 der Laserpulse 2 durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz erfahren. Über eine Drehung 9 des planparallelen transmissiven optischen Elements 4 ist die Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 einstellbar. Die Stelleinrichtung 4' kann aber auch anders ausgebildet sein.
Eine Ausgangsgröße A des passiven Sensorelements 5 hängt von einem Umgebungsparameter U ab. Im dargestellten Beispiel, jedoch nicht notwendigerweise, handelt es sich bei der Ausgangsgröße A um die Länge L des passiven Sensorelements 5. Bei einer Veränderung des Umgebungsparameters U zeigt das Sensorelement 5 folglich eine Ausgangsgrößenänderung dA in Form einer Längenänderung dL.
Die passive Umsetzungseinrichtung 6 dient zur Umsetzung der Ausgangsgrößenänderung dA des passiven Sensorelements 5 in eine Stellgrößenänderung dS der Stelleinrichtung 4'. Die bewirkte Stellgrößenänderung dS führt dabei zu einer Kompensation der Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1, die aus der Veränderung des Umgebungsparameters U resultiert. Im dargestellten Beispiel entspricht die Stellgrößenänderung dS dem Drehwinkel dα des planparallen transmissiven optischen Elements 4.
Anders als hier dargestellt kann die Pulsmodifikationseinrichtung 1 auch mehrere passive Sensorelemente 5 aufweisen, deren Ausgangsgrößen A von dem Umgebungsparameter U abhängen. Beispielsweise können auch mindestens zwei der passiven Sensorelemente 5 in Reihe miteinander verbunden sein, wodurch sich ihre Ausgangsgrößenänderungen dA, insbesondere ihre Längenänderungen dL, addieren. Auch können die Ausgangsgrößen A der passiven Sensorelemente 5 von mehreren Umgebungsparametern U abhängen. Auch die Ausgangsgröße A eines einzelnen Sensorelements 5 kann von mehreren Umgebungsparametern U, beispielsweise vom Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur, abhängen.
Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Umgebungsparameter U um den Umgebungsdruck. Das Sensorelement 5 umfasst eine Druckmessdose 10 in Form einer Absolutdruckmessdose. Bei einer Änderung des Umgebungsdrucks kommt es zu einer Deformation von hier nicht dargestellten Membranen der Druckmessdose 10, welche die Längenänderung dL des Sensorelements 5 bewirkt. Das Sensorelement 5 muss allerdings nicht notwendigerweise eine Druckmessdose 10 umfassen.
Der Umgebungsdruck wirkt sich insbesondere auf den Brechungsindex n der Luft bzw. einer Gasatmosphäre der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 aus, wodurch es indirekt zu einer Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 kommt.
Die Kompensation dieser Dispersionsänderung wird im Folgenden beispielhaft erläutert: Die 1a zeigt die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 bei Nominaldruck. Das planparallele transmissive optische Element 4 steht im Mittel senkrecht zu den einfallenden Spektralkomponenten 7.
Die 1b zeigt die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 bei einem niedrigeren Umgebungsdruck. Die Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 ist erhöht und die Laufzeit muss verkürzt werden. In Folge des niedrigeren Umgebungsdrucks dehnt sich die Druckmessdose 10 aus. Das Sensorelement 5 zeigt eine Längenänderung dL; seine Länge L ist größer als in der 1a. Das Sensorelement 5 schiebt an der passiven Umsetzungseinrichtung 6 und dreht das planparallele transmissive optische Element 4 um einen Drehwinkel da, wodurch über den Parallelversatz die Laufzeit-Weglänge so verkürzt wird, dass die Erhöhung der Dispersion kompensiert wird.
Bei erhöhtem Umgebungsdruck erfolgt die Kompensation analog. In diesem Fall nimmt die Dispersion in der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 ab und die Laufzeit muss vergrößert werden. Das Sensorelement 5 zieht an der passiven Umsetzungseinrichtung 6 und dreht das planparallele transmissive optische Element 4 so, dass sich aufgrund des Parallelversatzes die Laufzeit verlängert. Anders als hier gezeigt können auch mehrere Druckdosen 10 in Reihe miteinander verbunden werden, um den mechanischen Hub weiter zu vergrößern.
Abweichend vom dargestellten Beispiel kann der Umgebungsparameter U oder einer der Umgebungsparameter U auch eine Temperatur sein. Durch eine Temperaturänderung kann es neben einer Veränderung des Brechungsindex n auch zu einer thermischen Ausdehnung von Komponenten der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 kommen. Die Längenänderung dL des Sensorelements 5 oder der Sensorelemente 5 kann in diesem Fall auf einer thermischen Ausdehnung eines Materials beispielsweise in Form eines Stabes beruhen. Das Material weist dazu bevorzugt einen gro-ßen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Zum Beispiel kann es sich bei dem Material um Aluminium handeln. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement 5 auch ein Bimetallelement umfassen. Auch Veränderungen der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1, die durch Veränderungen anderer Umgebungsparameter U bedingt sind, können kompensiert werden.
Die passive Umsetzungseinrichtung 6 ist im dargestellten Beispiel ein mechanisches Getriebe genauer ein Gestänge, sie weist also Stäbe 11 auf, die über Gelenke 12,12', hier einschließlich eines Festlagers 12', miteinander bzw. mit einer Grundplatte verbunden sind. Das planparallele transmissive optische Element 4 ist ferner mittels eines Gelenks 12" drehbar gelagert. Das planparallele transmissive optische Element 4 ist auf der Drehachse angeordnet. Die passive Umsetzungseinrichtung 6 kann im gezeigten Beispiel als mechanisches Hebelsystem aufgefasst werden.
In den 1a und 1b sind die Gelenke 12,12` Festkörpergelenke, es kann sich dabei jedoch auch um andere Gelenke handeln. Festkörpergelenke haben den Vorteil, reibungsfrei oder äußerst reibungsarm zu sein.
Anders als hier dargestellt muss es sich bei der passiven Umsetzungseinrichtung 6 nicht um ein mechanisches Getriebe, insbesondere nicht um ein Gestänge handeln. Beispielsweise kann die passive Umsetzungseinrichtung 6 eine Übertragungskette umfassen. In diesem Fall ist die passive Umsetzungseinrichtung 6 ein mechanisches Getriebe, aber kein Gestänge.
Die passive Umsetzungseinrichtung 6 ist beispielhaft so ausgebildet, dass die Stellgrößenänderung dS in Form des Drehwinkels dα des planparallen transmissiven optischen Elements 4 zumindest näherungsweise proportional zu der Ausgangsgrö-ßenänderung dA in Form der Längenänderung dL des Sensorelements 5 ist. Dies führt zu einer Kompensation der Veränderung der Dispersion, da im gezeigten Beispiel die Längenänderung dL und die Veränderung des Brechungsindex n in guter Näherung proportional zur Veränderung des Umgebungsparameters U sind und die Veränderung der Dispersion proportional zur Veränderung des Brechungsindex n und dem Drehwinkel dα ist sowie ferner der Proportionalitätsfaktor der passiven Umsetzungseinrichtung 6 zwischen der Längenänderung dL und dem Drehwinkel dα entsprechend gewählt ist.
Im gezeigten Beispiel ist die zur Veränderung des Umgebungsparameters U proportionale Längenänderung dL darauf zurückzuführen, dass sich die Druckmessdose 10 proportional zur Veränderung des Umgebungsdrucks deformiert. Druckschwankungen werden also in einen proportionalen mechanischen Hub umgesetzt. Die Länge L des Sensorelements 5 hängt damit linear vom Umgebungsdruck U ab. Das planparallele transmissive optische Element 4 wird proportional zur Veränderung des Umgebungsdrucks gedreht und hält die Pulseigenschaften, insbesondere die Pulsdauer, der austretenden Laserpulse 2' konstant. Proportionale Ausgangsgrößenänderungen dA sind daneben auch mittels anderer Sensorelemente 5 und für andere Umgebungsparameter U erzielbar.
Die Stellgrößenänderung dS ist allerdings nicht notwendigerweise proportional zu der Ausgangsgrößenänderung dA des Sensorelements 5. Allgemein kann die passive Umsetzungseinrichtung auch gemäß einer mathematischen Beziehung der Form $d β_{2} = F (β_{3}, β_{4}, \dots β_{m}, ω_{0}, d n)$
zwischen einer Veränderung, dn, des Brechungsindex n innerhalb der Pulsmodifikationsvorrichtung 1, welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters U resultiert, und der dadurch bedingten Veränderung, dβ₂, der Gruppenverzögerungsdispersion, β₂, der mindestens einen Pulsmodifikationsvorrichtung 1 sowie der Zentralfrequenz, ω₀, der Laserpulse 2 und der Dispersion höherer Ordnung, β₃, β₄,...,β_m, der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 ausgelegt sein. Insbesondere kann die mathematische Beziehung die Folgende sein: dβ₂ = β₃ω₀dn. Solche mathematische Beziehungen resultieren allerdings in vielen Fällen in einer zur Ausgangsgrößenänderung dA proportionalen Stellgrößenänderung dS, insbesondere in einem zur Längenänderung dL proportionalen Drehwinkel dα. Alternativ kann die passive Umsetzungseinrichtung 6 gemäß einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve ausgelegt sein, welche die Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters U in Relation zur Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 setzt.
Anders als in den 1a und 1b gezeigt kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 auch eine Pulsstreckungsvorrichtung zur dispersiven Streckung der Laserpulse 2 sein. In diesem Fall kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 zur Erzielung einer positiven Dispersion zusätzlich zu den zwei dispersiven optischen Elementen 3,3` beispielsweise zwei Linsen aufweisen.
Die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 kann auch ausgebildet sein, die Veränderung der Dispersion mindestens einer weiteren, hier nicht dargestellten Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionsvorrichtung zu kompensieren, die aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters U resultiert.
In den 2a, 2b und 2c sind Varianten der in den 1a und 1b gezeigten passiven Umsetzungseinrichtung 6 schematisch dargestellt. Zusätzlich gezeigt sind das Sensorelement 5 umfassend die Druckmessdose 10 und das planparallele transmissive optische Element 4.
Die gestrichelt gezeichneten Stäbe 13 und Gelenke 14 entsprechen jeweils zwei modifizierten Anordnungen der Stäbe 11 und Gelenke 12,12`. Durch derartige Modifikationen der Anordnung kann der erzielte Drehwinkel dα bei einer gegebenen Längenänderung dL des Sensorelements 5 eingestellt werden. Allgemeiner kann durch derartige Modifikationen die erzielte Stellgrößenänderung dS bei einer gegebenen Ausgangsgrößenänderung dA eingestellt werden.
In der 2c ist die passive Umsetzungseinrichtung 6 ferner einfacher aufgebaut und weist lediglich zwei Stäbe 11 auf.
In der 3 ist eine Stelleinrichtung 4' schematisch dargestellt, die eine Doppelkeilanordnung 15 mit zwei Keilen 16,16' umfasst. Die Doppelkeilanordnung 15 ist so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten 7 der Laserpulse 2 durch diese hindurchtreten. Über eine Verschiebung 17 eines Keiles 16 der Doppelkeilanordnung 15 ist eine Dicke der Doppelkeilanordnung 15 und damit die Dispersion der hier nicht dargestellten Pulsmodifikationsvorrichtung 1 einstellbar. Anstelle der Doppelkeilanordnung 15 kann die Stelleinrichtung 4' auch eine Multikeilanordnung aufweisen.
In der 4 ist ein Beispiel eines Chirped-Pulse-Amplification-System 18 zur Verstärkung von Laserpulsen 2 mit einer Pulsstreckungsvorrichtung 19, einer Pulsverstärkungseinrichtung 20 und einer ersten Pulskompressionsvorrichtung 21 sowie einer zweiten Pulskompressionsvorrichtung 22 vereinfacht schematisch dargestellt.
Die eintretenden Laserpulse 2 werden mittels der Pulsstreckungsvorrichtung 19 zeitlich gestreckt. Die gestreckten Laserpulse 23 werden anschließend in der Pulsverstärkungseinrichtung 20 verstärkt. Die verstärkten Laserpulse 24 werden mittels der ersten Pulskompressionsvorrichtung 21 und der zweiten Pulskompressionsvorrichtung 22 zeitlich komprimiert und die komprimierten Laserpulse 2' treten aus dem Chirped-Pulse-Amplification-System 15 aus.
Bei der zweiten Pulskompressionsvorrichtung 22 handelt es sich um eine Pulsmodifikationsvorrichtung 1, die wie oben beschrieben ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Freistrahleinrichtung mit einer Stelleinrichtung 4', mindestens einem passiven Sensorelement 5 und einer passiven Umsetzungseinrichtung 6 zur Kompensation von Veränderungen der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung 1, die aus Veränderungen des mindestens einen Umgebungsparameters U resultieren. Bei der Pulsstreckungsvorrichtung 19 und der ersten Pulskompressionsvorrichtung 21 handelt es sich hier beispielhaft, aber nicht notwendigerweise um eine weitere Pulsstreckungsvorrichtung 25 beziehungsweise eine weitere Pulskompressionsvorrichtung 26, deren Dispersionsveränderungen ebenfalls in der Pulsmodifikationsvorrichtung 1 kompensiert werden.
Abweichend von dem hier dargestellten Beispiel kann das Chirped-Pulse-Amplification-System 15 auch mehr als eine Pulsstreckungsvorrichtung und/oder nur eine oder mehr als zwei Pulskompressionsvorrichtungen aufweisen. Auch kann die Pulsstreckungsvorrichtung 19 eine Pulsmodifikationsvorrichtung 1 sein, die wie oben beschrieben ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3578287 A1 [0008, 0020, 0021]
US 7822347 [0009]

Claims

Pulsmodifikationsvorrichtung (1) in Form einer Pulsstreckungsvorrichtung zur dispersiven Streckung von Laserpulsen (2) oder einer Pulskompressionsvorrichtung zur dispersiven Kompression von Laserpulsen (2) mit - mindestens einem dispersiven optischen Element (3,3') zur Winkelseparation und Zusammenführung von Spektralkomponenten (7) der Laserpulse (2) und - einer Stelleinrichtung (4') zur Einstellung der Dispersion der Pulsmodifikationseinrichtung (1) über eine Beeinflussung der Spektralkomponenten (7), gekennzeichnet durch - mindestens ein passives Sensorelement (5) mit einer Ausgangsgröße (A), die von mindestens einem Umgebungsparameter (U) abhängt, und - eine passive Umsetzungseinrichtung (6) zur Umsetzung einer Ausgangsgrößenänderung (dA) des mindestens einen passiven Sensorelements (5) in eine Stellgrößenänderung (dS) der Stelleinrichtung (4'), um eine Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung (1) und/oder mindestens einer weiteren Pulsstreckungsvorrichtung (25) und/oder mindestens einer weiteren Pulskompressionsvorrichtung (26) zu kompensieren, die aus einer Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters (U) resultiert.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (4') ein planparalleles transmissives optisches Element (4) umfasst, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten (7) der Laserpulse (2) durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz erfahren, wobei die Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung (1) über eine Drehung (9) des planparallelen transmissiven optischen Elements (4) einstellbar ist und die Stellgrößenänderung (dS) einem Drehwinkel (dα) des planparallelen transmissiven optischen Elements (4) entspricht.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Ausgangsgröße (A) des passiven Sensorelements (5) oder mindestens eines der passiven Sensorelemente (5) um eine Länge (L) handelt.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der passiven Sensorelemente (5) in Reihe miteinander verbunden sind, wodurch sich ihre Ausgangsgrößenänderungen (dA), insbesondere ihre Längenänderungen (dL), addieren.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Umsetzungseinrichtung (6) ein mechanisches Getriebe, bevorzugt ein Gestänge ist.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gelenk des mechanischen Getriebes bzw. des Gestänges ein Festkörpergelenk ist.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Umsetzungseinrichtung (6) gemäß einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve ausgelegt ist, welche die Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters (U) in Relation zur Veränderung der Dispersion der Pulsmodifikationsvorrichtung (1) und/oder der mindestens einen weiteren Pulsstreckungsvorrichtung (25) und/oder der mindestens einen weiteren Pulskompressionsvorrichtung (26) setzt.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Umsetzungseinrichtung (6) gemäß einer mathematischen Beziehung der Form $d β_{2} = F (β_{3}, β_{4}, \dots β_{m}, ω_{0}, d n)$
zwischen einer Veränderung (dn) eines Brechungsindex (n) innerhalb der Pulsmodifikationsvorrichtung (1) und/oder innerhalb der mindestens einen weiteren Pulsstreckungsvorrichtung (25) und/oder innerhalb der mindestens einen weiteren Pulskompressionsvorrichtung (26), welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters (U) resultiert, und der dadurch bedingten Veränderung (dβ₂) der Gruppenverzögerungsdispersion (β₂) sowie der Dispersion höherer Ordnung (β₃, β₄,...,β_m) und der Zentralfrequenz (ω₀) der Laserpulse (2) ausgelegt ist.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mathematische Beziehung die Folgende ist: $d β_{2} = β_{3} ω_{0} d n .$
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößenänderung (dS), insbesondere der Drehwinkel (dα) des planparallen transmissiven optischen Elements (4), zumindest näherungsweise proportional zu der Ausgangsgrößenänderung (dA), insbesondere zu der Längenänderung (dL), des mindestens einen passiven Sensorelements (5) ist.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder einer der Umgebungsparameter (U) ein Umgebungsdruck ist.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Sensorelement (5) oder mindestens eines der passiven Sensorelemente (5) eine Druckmessdose (10), bevorzugt eine Absolutdruckmessdose umfasst.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder einer der Umgebungsparameter (U) eine Temperatur ist.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Sensorelement (5) oder mindestens eines der passiven Sensorelemente (5) ein Bimetallelement oder einen Bestandteil, insbesondere einen Stab, umfasst, welcher einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als die Bestandteile der passiven Umsetzungseinrichtung (6), insbesondere als die Stäbe des Gestänges, aufweist.
Chirped-Pulse-Amplification-System (18) zur Verstärkung von Laserpulsen (2), umfassend: - eine oder mehrere Pulsstreckungsvorrichtungen (19) zur dispersiven Streckung der Laserpulse (2), - eine Pulsverstärkungseinrichtung (20) zur Verstärkung der gestreckten Laserpulse (23) und - eine oder mehrere Pulskompressionsvorrichtungen (21,22) zur dispersiven Kompression der verstärkten Laserpulse (24), wobei es sich bei der oder mindestens einer der Pulsstreckungsvorrichtungen (19) und/oder der oder mindestens einer der Pulskompressionsvorrichtungen (21,22) um eine Pulsmodifikationsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche handelt.