DE102021207334A1

DE102021207334A1 - Pulsmodifikationsvorrichtung mit mindestens einer Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtung

Info

Publication number: DE102021207334A1
Application number: DE102021207334.4A
Authority: DE
Inventors: Raphael Scelle; Holger Diekamp; Aleksander Budnicki
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: CN117642944A; WO2023285030A1; KR20240011792A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pulsmodifikationsvorrichtung (1), umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen (3) und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen (2) zur dispersiven Kompression von Laserpulsen (3), eine Stelleinrichtung (4) zur Einstellung der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2) über mindestens eine Stellgröße (S), sowie eine Steuerungseinrichtung (5) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (4) in Abhängigkeit eines Messsignals (M). Die Pulsmodifikationsvorrichtung (1) umfasst erfindungsgemäß eine Umgebungssensoreinrichtung (6) zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters (U), von dem die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2) abhängt, als Messsignal (M).

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen. Die Erfindung betrifft ferner eine Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen sowie eine Modulationseinrichtung zur dispersiven Modulation der Laserpulse.
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 Laserschweißen 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 Einrichtungen, die sich auf die einzelnen Spektralanteile der Laserpulse unterschiedlich auswirken, die also dispersiv sind, insbesondere mittels Einrichtungen, welche die spektrale Phase verändern, gezielt beeinflusst werden. Im Allgemeinen erwünscht sind hohe Pulsqualitäten, kurze Pulsdauern und hohe Pulsintensitäten. Von besonderer Bedeutung sind Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und Pulskompressionseinrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen. Mittels Pulsstreckungseinrichtungen können ungechirpte und gechirpte Laserpulse zeitlich gestreckt werden. Die resultierenden zeitlich gestreckten Laserpulse sind dann gechirpt bzw. stärker gechirpt. Mittels Pulskompressionseinrichtungen können gechirpte Laserpulse zeitlich komprimiert werden. Die resultierenden zeitlich komprimierten Laserpulse sind dann weniger stark gechirpt oder ungechirpt.
Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen werden häufig gemeinsam in Kombination mit einem Seed-Laser und einer Verstärkungseinrichtung zum Erzeugung ultrakurzer Laserpulse mit höchsten Pulsintensitäten eingesetzt. Das Prinzip ist unter dem Namen Chirped-Pulse-Amplification bekannt. Laserpulse des Seed-Lasers, beispielsweise eines Faserlasers, werden dabei zunächst mittels mindestens einer Pulsstreckungseinrichtung zeitlich gestreckt. Die gestreckten Laserpulse werden anschließend in der Verstärkungseinrichtung, beispielsweise in einem Faserverstärker, verstärkt. Nach der Verstärkung werden die verstärkten Laserpulse mittels mindestens einer Pulskompressionseinrichtung 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.
Verallgemeinernd bezeichnet im Sinne dieser Anmeldung eine Pulsmodifikationsvorrichtung eine Vorrichtung zur gezielten Beeinflussung der Eigenschaften von Laserpulsen. Insbesondere kann eine Pulsmodifikationsvorrichtung mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung und/oder mindestens eine Pulskompressionseinrichtung umfassen. Im einfachsten Fall umfasst die Pulsmodifikationsvorrichtung dann lediglich eine Pulsstreckungseinrichtung oder lediglich eine Pulskompressionseinrichtung. Alternativ kann es sich bei einer Pulsmodifikationsvorrichtung aber auch um ein Verstärkersystem zur Chirped-Pulse-Amplification von Laserpulsen handeln, das sowohl mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung als auch mindestens eine Pulskompressionseinrichtung umfasst.
Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen können zum einen als Freistrahleinrichtungen realisiert werden. Dazu 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. Alternativ können Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen auch auf Basis eines Bragg-Gitters mit örtlich variierender Gitterkonstante realisiert werden. Das Bragg-Gitter kann beispielsweise in eine optische Faser eingeschrieben sein. In diesem Fall spricht man von einem Faser-Bragg-Gitter.
Die Dispersion einer Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrichtung kann mathematisch über die akkumulierte spektrale Phase, φ(ω), der Laserpulse bei der Propagation durch die Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrichtung beschrieben werden. Die Charakterisierung der Pulsstreckungs- bzw. Pulskompressionseinrichtung 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 Pulskompressionseinrichtungen spielen aber auch die höheren Ordnungen, insbesondere die Dispersion dritter Ordnung, β₃, eine Rolle.
Im Stand der Technik sind ferner Einrichtungen zur Einstellung der Dispersion einer Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtung oder einer Vorrichtung mit einer Pulsstreckungs- und/oder einer Pulskompressionseinrichtung bekannt. Eine genaue Einstellung der Dispersion ist wichtig, um eine möglichst hohe Pulsqualität, insbesondere eine möglichst kurze Pulsdauer, zu erzielen.
So ist aus 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 bekannt. 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 bekannte Lasersystem ferner eine Pulsdauermessvorrichtung und eine Steuerungseinheit. Die Pulsdauermessvorrichtung dient der Ausgabe eines pulsdauerabhängigen Messsignals an die Steuerungseinheit. Die Steuerungseinrichtung dient der Ansteuerung einer Winkeleinstellvorrichtung zur Einstellung einer Winkelstellung der optischen Platte in Abhängigkeit der Pulsdauermessung.
In der US 7,822,347 B1 ist weiter ein Chirped-Pulse-Amplification-System mit einem Pulserzeuger, einem Pulsstrecker, einem Pulsverstärker und einem Pulskompressor, sowie einem Einstellelement und einer Pulsmesseinrichtung offenbart. 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, einschließlich der oben genannten, haben jedoch in der Regel einen relativ komplexen Aufbau und sind verhältnismäßig teuer.
Demgegenüber war es Aufgabe der Erfindung, eine Pulsmodifikationsvorrichtung mit einer Pulsstreckungseinrichtung und/oder einer Pulskompressionseinrichtung 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, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen, eine Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen über mindestens eine Stellgröße, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Stelleinrichtung in Abhängigkeit eines Messsignals und eine Umgebungssensoreinrichtung zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters, von dem die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen abhängt, als Messsignal.
Die Umgebungssensoreinrichtung, die Steuerungseinrichtung und die Stelleinrichtung dienen dazu, Veränderungen der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen zu kompensieren, die aus Veränderungen des mindestens einen Umgebungsparameters resultieren. Die Kompensation kann dabei vollständig oder teilweise erfolgen. Weist die Pulsmodifikationsvorrichtung mehrere Pulsstreckungseinrichtungen und/oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen oder aber sowohl eine Pulsstreckungs- als auch eine Pulskompressionseinrichtung auf, so ist die Steuerungseinrichtung bevorzugt ausgebildet, die kumulierte Veränderung der Dispersion zu kompensieren.
Mittels der Stelleinrichtung kann beispielsweise die Dispersion mindestens einer Pulsstreckungs- und/oder mindestens einer Pulskompressionseinrichtung einstellbar sein, die eine Veränderung der Dispersion in Folge einer Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters zeigt. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Dispersion mindestens einer Pulsstreckungs- und/oder mindestens einer Pulskompressionseinrichtung mittels der Stelleinrichtung einstellbar sein, deren Dispersion nicht von dem mindestens einen Umgebungsparameter abhängt.
In Folge der Kompensation bleiben die Pulseigenschaften unabhängig vom Umgebungsparameter konstant. Wird die Veränderung der Dispersion nicht kompensiert, so kann dies beispielsweise zu einer ungewollten Pulsdaueränderung führen.
Veränderungen der Dispersion ergeben sich insbesondere in Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen, die als Freistrahleinrichtungen ausgebildet sind, also in Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen, in welchen die Laserpulse zumindest teilweise durch Luft oder eine andere Gasatmosphäre propagieren. Hier führt eine Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters typischerweise zu einer Veränderung des Brechungsindex der Luft oder der Gasatmosphäre, welche wiederum eine Veränderung der Dispersion bedingt.
Sind in einer Pulsmodifikationsvorrichtung die Pulsstreckungs- und die Pulskompressionseinrichtung(en) gleichermaßen von einer Brechungsindexänderung betroffen, wirkt sich diese nicht auf die Pulsdauer aus. Sind diese nicht gleichermaßen betroffen, z.B. im Fall einer faseroptischen Pulsstreckungseinrichtung und einer Freistrahl-Pulskompressionseinrichtung oder falls sich die Phasen der Pulsstreckungseinrichtung(en) und der Pulskompressionseinrichtung(en) nicht gegenseitig kompensieren, kann sich durch die Brechungsindexänderung die Phasendifferenz zwischen den Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen und damit die Pulsdauer ändern. Dies ist insbesondere bei hochdispersiven (d.h. große Phasenanteile in Ordnungen höher als der zweiten) Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen der Fall.
Mittels der Stelleinrichtung ist über die Stellgröße insbesondere die Gruppenverzögerungsdispersion der Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtung einstellbar. Die Stelleinrichtung kann aber auch ausgebildet sein, höhere Dispersionsordnungen einzustellen.
Die Steuerungseinrichtung ist beispielsweise eine elektronische Einrichtung, insbesondere eine computer- oder mikrocontrollerbasierte Einrichtung. Das Messsignal ist in diesem Fall ein elektronisches Signal und die Ansteuerung der Stelleinrichtung erfolgt elektronisch. Um die Dispersion mittels der Stelleinrichtung so einstellen zu können, dass die Veränderung der Dispersion kompensiert wird, kann der Zusammenhang zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und der Veränderung der Dispersion bzw. der entsprechenden Anpassung der Stellgröße auch in der Steuerungseinrichtung hinterlegt sein, insbesondere kann die Steuerungseinrichtung entsprechend programmierbar sein. Alternativ ist die Steuerungseinrichtung beispielweise eine mechanische Einrichtung, insbesondere eine passive mechanische Einrichtung. In diesem Fall kann das Messsignal auch ein mechanisches Signal sein, zum Beispiel eine Verschiebung oder eine Drehung.
Die Umgebungssensoreinrichtung ist bevorzugt geeignet, den mindestens einen Umgebungsparameter innerhalb oder in der Umgebung der Pulsstreckungseinrichtung und/oder innerhalb oder in der Umgebung der Pulskompressionseinrichtung zu erfassen.
Die Pulsmodifikationsvorrichtung kann beispielsweise sowohl eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen als auch eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen umfassen. Alternativ kann die Pulsmodifikationseinrichtung auch eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen aber keine Pulskompressionseinrichtung umfassen. Schließlich kann die Pulsmodifikationseinrichtung eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen aber keine Pulsstreckungseinrichtung umfassen.
In Pulsmodifikationsvorrichtungen, umfassend sowohl mindestens eine Pulskompressionseinrichtung als auch mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung ist bevorzugt lediglich die mindestens eine Pulskompressionseinrichtung als Freistrahleinrichtung ausgebildet, während die mindestens eine Pulsstreckungseinrichtung beispielsweise faseroptisch realisiert ist. Während faseroptische Einrichtungen typischerweise eine Vielzahl von Vorteilen haben, einschließlich der Vermeidung einer aufwendigen Justage, können Freistrahleinrichtungen bei hohen Intensitäten eingesetzt werden. Hohe Intensitäten treten beispielsweise in Pulskompressionseinrichtungen auf, die Teil einer Pulsmodifikationseinrichtung zur Chirped-Pulse-Amplification sind. Eine Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters kann zu einer Veränderung des Brechungsindex führen, die wiederum eine Veränderung der Dispersion der mindestens einen als Freistrahleinrichtung ausgebildeten Pulskompressionseinrichtung bedingt. Diese ist über die Umgebungssensoreinrichtung, die Steuerungseinrichtung und die Stelleinrichtung kompensierbar.
Alternativ zur Kompensation der Veränderung der Dispersion über die Umgebungssensoreinrichtung, Steuerungseinrichtung und Stelleinrichtung können die Umgebungsbedingungen (und damit in Freistrahleinrichtungen der Brechungsindex) auch konstant gehalten werden. Beispielsweise können die Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtungen gekapselt und damit (passiv) von Umgebungseinflüssen isoliert werden. Auch kann der Umgebungsparameter in den Pulsstreckungs- und/oder Pulskompressionseinrichtungen aktiv konstant gehalten werden. Für den Umgebungsdruck kann hier beispielsweise eine Pumpe verwendet werden.
In einer Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, mindestens ein dispersives optisches Element zur Winkelseparation und Zusammenführung von Spektralkomponenten der Laserpulse. Bei dem mindestens einen dispersiven optischen Element handelt es sich beispielsweise um mindestens ein Beugungsgitter oder mindestens ein Prisma. Die Streckung beziehungsweise Kompression der Laserpulse ist auf unterschiedliche Laufzeiten der Spektralkomponenten zurückzuführen. Die Einstellung der Dispersion erfolgt über eine Beeinflussung der einzelnen Spektralkomponenten mittels der Stelleinrichtung.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Stelleinrichtung ein planparalleles transmissives optisches Element auf, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten der Laserpulse durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz erfahren, wobei ein Drehwinkel des planparallelen transmissiven optischen Elements die Stellgröße bildet. Durch eine Drehung um den Drehwinkel verändert sich der Strahlengang der Spektralkomponenten, was sich auf die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung und/oder der Pulskompressionseinrichtung 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. Zur Drehung kann die Stelleinrichtung beispielsweise einen Schrittmotor aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, zwei dispersive optische Elemente und die Stelleinrichtung ist ausgebildet, einen als Stellgröße dienenden Abstand zwischen den zwei dispersiven optischen Elementen zu verändern. Bei den dispersiven optischen Elementen handelt es sich zum Beispiel um Beugungsgitter, die bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind, oder um Prismen. Beispielsweise können die Spektralkomponenten der Laserpulse mittels des ersten dispersiven optischen Elements aufgetrennt, mittels des zweiten dispersiven optischen Elements parallelisiert, mittels eines reflektiven optischen Elements zurückreflektiert und mittels der dispersiven optischen Elemente wieder zusammengeführt werden. Typischerweise ist die Gruppenverzögerungsdispersion proportional zum oder linear abhängig vom Abstand zwischen den zwei dispersiven optischen Elementen. Notwendig ist jedoch lediglich, dass die Dispersion, insbesondere die Gruppenverzögerungsdispersion, über eine Anpassung des Abstands einstellbar ist. Zur Anpassung des Abstands kann die Stelleinrichtung beispielsweise einen Linearaktuator aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, ein dispersives optisches Element und eine Umlenkeinrichtung und die Stelleinrichtung ist ausgebildet, einen als Stellgröße dienenden Abstand zwischen dem dispersiven optischen Element und der Umlenkeinrichtung zu verändern. Bei der Umlenkeinrichtung handelt es sich beispielsweise um ein Umlenkprisma. Weitere Details zu derartigen Pulskompressions- beziehungsweise Pulsstreckungseinrichtungen finden sich in der EP 3 578 287 A1 .
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen, deren Dispersion über die Stelleinrichtung einstellbar ist, ein Bragg-Gitter in einem transparenten Material. Bei dem Bragg-Gitter handelt es sich um ein gechirptes Bragg-Gitter, also ein Bragg-Gitter mit örtlich variierender Gitterkonstante. Die Reflexion der unterschiedlichen Spektralkomponenten der Laserpulse erfolgt in unterschiedlichen Tiefen im Bragg-Gitter, wodurch die Spektralkomponenten unterschiedliche optische Wege zurücklegen, was letztlich zur erwünschten zeitlichen Streckung führt. Das transparente Material liegt beispielsweise in Form einer optischen Faser vor. In diesem Fall ist das Bragg-Gitter ein Faser-Bragg-Gitter. Mittels der Stelleinrichtung ist das Bragg-Gitter gezielt so beeinflussbar, dass sich die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung im gewünschten Maße verändert.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst die Stelleinrichtung eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung und bewirkt einen als Stellgröße dienenden Temperaturverlauf im transparenten Material. Mittels des Temperaturverlaufs können die optischen Eigenschaften des Bragg-Gitters gezielt eingestellt werden; insbesondere verändert sich dadurch die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung. Die Heiz- und/oder Kühleinrichtung kann beispielsweise über ein oder mehrere Peltier-Elemente realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das transparente Material beispielsweise über die Abwärme eines elektrischen Widerstands geheizt werden.
In einer alternativen Weiterbildung ist die Stelleinrichtung dazu ausgebildet, einen als Stellgröße dienenden Verlauf einer mechanischen Spannung im transparenten Material, insbesondere eine auf das transparente Material wirkende Zugspannung zu bewirken. Insbesondere kann eine optische Faser mit einem eingeschriebenen Faser-Bragg-Gitter mittels einer Zugspannung gedehnt und damit eine geeignete Anpassung der Dispersion erzielt werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt gelöst durch eine Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen zur dispersiven Streckung von Laserpulsen und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen zur dispersiven Kompression von Laserpulsen, eine Modulationseinrichtung zur dispersiven Modulation der Laserpulse, eine Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der Modulationseinrichtung, eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Stelleinrichtung in Abhängigkeit eines Messsignals und eine Umgebungssensoreinrichtung zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters, von dem die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen abhängt, als Messsignal.
Die Modulationseinrichtung umfasst beispielsweise mindestens ein dispersives Element zum Separieren und Zusammenführen der Spektralkomponenten der Laserpulse. Die Modulationseinrichtung kann weiter einen räumlichen Lichtmodulator, auch Spatial Light Modulator (SLM) genannt, oder eine ähnliche Einrichtung aufweisen, um für die Spektralkomponenten einzeln und unabhängig voneinander einen Phasenunterschied zu bewirken und damit die spektrale Phase der Laserpulse zu beeinflussen. Der Phasenunterschied wird in räumlichen Lichtmodulatoren über eine einstellbare Ausrichtung von Flüssigkristallen einer Flüssigkristallschicht in einem Pixelarray erzielt. Die Ausrichtung der Flüssigkristalle erfolgt über elektrische Felder, zu deren Erzeugung die Stelleinrichtung beispielsweise geeignete Elektroden aufweist. Die Stelleinrichtung ist in diesem Fall Teil des räumlichen Lichtmodulators. Bezüglich der Steuerungseinrichtung und der Umgebungssensoreinrichtung wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Umgebungsparameter eine Temperatur und/ oder ein Umgebungsdruck. Die Umgebungssensoreinrichtung weist dann mindestens einen Druck- und/oder mindestens einen Temperatursensor auf. Bei dem Drucksensor kann es sich beispielsweise um eine Absolutdruckmessdose oder einen piezoresistiven oder piezoelektrischen Drucksensor, bei dem Temperatursensor um einen temperaturabhängigen Messwiderstand oder einen Halbleiter-Temperatursensor handeln. Temperatur- und Druckänderungen wirken sich insbesondere auf die Dispersion von Pulstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen aus, die als Freistrahleinrichtungen ausgebildet sind. Hier bedingt eine Veränderung des Drucks und/oder der Temperatur eine Veränderung des Brechungsindex der Luft bzw. der Gasatmosphäre. Hintergrund ist, dass die akkumulierte spektrale Phase keine Funktion der Frequenz, sondern der Wellenlänge ist, die in der Beugungsbedingung und der optischen Weglänge auftaucht. Damit ändert sich die akkumulierte spektrale Phase, wenn sich die Wellenlänge durch eine Änderung des Brechungsindex ändert (die Frequenz ändert sich hingegen nicht). Die Abhängigkeit zwischen der Temperatur und dem Umgebungsdruck auf der einen Seite und dem Brechungsindex auf der anderen Seite ergibt sich für Luft beispielsweise aus der sogenannten Edlen-Formel.
Der Umgebungsdruck ist insbesondere wetter- und höhenabhängig. Bei dem mindestens einen Umgebungsparameter kann es sich aber auch um eine Feuchtigkeit, beispielsweise eine Luftfeuchtigkeit handeln.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die Stelleinrichtung in Abhängigkeit des Messsignals anhand einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve anzusteuern, welche die Abhängigkeit der Dispersion der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder der Dispersion der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulskompressionseinrichtungen von dem mindestens einen Umgebungsparameter beschreibt. Für die Kompensation der Veränderung der Dispersion muss der Zusammenhang zwischen dem mindestens einen Umgebungsparameter und der Dispersion bekannt sein. Dieser kann experimentell als Kalibrationskurve bestimmt werden, welche beispielweise in der Steuerungseinrichtung hinterlegt bzw. gespeichert ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die Stelleinrichtung in Abhängigkeit des Messsignals anhand 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 einen oder der mindestens einen der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen und/oder innerhalb der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulskompressionseinrichtungen, welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters resultiert, der dadurch bedingten Veränderung, dβ₂, der Gruppenverzögerungsdispersion, β₂, sowie der Dispersion höherer Ordnung, β₃, β₄,...,β_m, und der Zentralfrequenz, ω₀, der Laserpulse anzusteuern. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich bei Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen in Form von Freistrahleinrichtungen die Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion über mathematische Beziehungen der angegebenen Form beschreiben lässt. Ist zusätzlich zu einer solchen mathematischen Beziehung der Zusammenhang zwischen dem mindestens einen Umgebungsparameter und dem Brechungsindex bekannt, wie im Fall von Luft über die Edlen-Formel, so ergibt sich daraus eine Beziehung zwischen der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters und der Veränderung der Gruppenverzögerungsdispersion. Eine entsprechende Ansteuerung erlaubt eine Kompensation der Veränderung der Dispersion, ohne dass die Pulsdauer oder eine andere Pulseigenschaft gemessen werden muss. Die mathematische Beziehung ist beispielsweise in der Steuerungseinrichtung hinterlegt bzw. gespeichert.
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.
Die Veränderung der Dispersion, insbesondere die Veränderung der Pulsdauer, durch eine Veränderung des Brechungsindex ist vor allem bei hochdispersiven Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen relevant. Alternativ kann dieses Problem in der Folge gelöst werden, indem weniger dispersive Pulsstreckungs- und Pulskompressionseinrichtungen eingesetzt werden. Diese benötigen aber sehr große Wegstrecken und damit einen sehr großen Bauraum oder viele Faltungen im Strahlengang, was sie komplexer und teurer macht. Bei Pulskompressionseinrichtungen auf Basis eines Volumen-Bragg-Gitters tritt das Problem nicht auf. Diese erlauben derzeit allerdings kleinere Streckfaktoren als Freistrahl-Pulskompressionseinrichtungen und damit niedrigere Pulsenergien.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Pulsmodifikationsvorrichtung eine Verstärkungseinrichtung und dient zur Verstärkung der Laserpulse nach dem Prinzip der Chirped-Pulse-Amplification. Eine solche Pulsmodifikationsvorrichtung kann beispielweise Teil eines Ultrakurzpulslasers sein.
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 in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine Pulskompressionsvorrichtung mit zwei dispersiven optischen Elementen in Form von Beugungsgittern, eine Stelleinrichtung mit einem planparallelen transmissiven optischen Element, eine Steuerungseinrichtung und eine Umgebungssensoreinrichtung zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters, von dem die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung abhängt;
2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine Pulsstreckungseinrichtung und eine Pulskompressionseinrichtung, eine Stelleinrichtung, eine Steuerungseinrichtung und eine Umgebungssensoreinrichtung, wobei die Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung ausgebildet ist;
3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine Pulsstreckungseinrichtung und eine Pulskompressionseinrichtung, eine Modulationseinrichtung, eine Stelleinrichtung, eine Steuerungseinrichtung und eine Umgebungssensoreinrichtung, wobei die Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion der Modulationseinrichtung ausgebildet ist; und
4 eine schematische Darstellung einer Pulsmodifikationsvorrichtung, umfassend eine Pulskompressionsvorrichtung mit einem dispersiven optischen Element und einer Umlenkeinrichtung.

1 zeigt eine schematisch eine Pulsmodifikationsvorrichtung 1 mit einer Pulskompressionseinrichtung 2 zur dispersiven Kompression von Laserpulsen 3, eine Stelleinrichtung 4 zur Einstellung der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 über mindestens eine Stellgröße S sowie eine Steuerungseinrichtung 5 zur Ansteuerung der Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit eines Messsignals M. Die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 umfasst weiter eine Umgebungssensoreinrichtung 6 zur Erfassung eines Umgebungsparameters U, von dem die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 abhängt, als Messsignal M.
Die dargestellte Pulskompressionseinrichtung 2 ist in Form eines Gitterkompressors ausgeführt. Sie weist zwei dispersive optische Elemente 7,7' in Form von Beugungsgittern zur Winkelseparation und Zusammenführung der Spektralkomponenten 8 der Laserpulse 3 auf. Die Pulskompressionseinrichtung 2 kann alternativ aber auch nur ein oder mehr als zwei dispersive optische Elemente 7,7' aufweisen. Auch muss es sich bei den dispersiven optischen Elementen 7,7' nicht um Beugungsgitter handeln. Beispielsweise können die dispersiven optischen Elemente 7,7' auch Prismen sein.
Die eintretenden Laserpulse 3, die gechirpt sind, treffen zunächst auf das erste dispersive optische Element 7, wodurch diese in ihre Spektralkomponenten 8 separiert werden und in unterschiedliche Richtungen propagieren. Durch das zweite dispersive optische Element 7' werden die Spektralkomponenten 8 parallelisiert und anschließend von einem reflektiven optischen Element 9 zurückreflektiert. Bei dem reflektiven optischen Element 9 kann es sich beispielsweise um ein Umlenkprisma handeln. Die zurückreflektierten Spektralkomponenten 8 sind in diesem Fall in der Höhe versetzt, sodass die austretenden Laserpulse 3' mit einem Abtrennspiegel 10 abgetrennt werden können. Die einzelnen Spektralkomponenten 8 weisen in der Pulskompressionseinrichtung 2 unterschiedliche Laufzeiten auf, was zur gewünschten zeitlichen Kompression führt.
Die dargestellte Stelleinrichtung 4 umfasst ein planparalleles transmissives optisches Element 11, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten 8 durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz erfahren. Durch eine Drehung des optischen Elements 11 um einen als Stellgröße S dienenden Drehwinkel δ ist die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2, insbesondere deren Gruppenverzögerungsdispersion, einstellbar. Zur Drehung des optischen Elements 11 kann die Stelleinrichtung beispielsweise einen hier nicht dargestellten Schrittmotor aufweisen.
Die Stelleinrichtung 4 kann aber auch anders realisiert werden. Beispielsweise kann ein Abstand L zwischen den dispersiven optischen Elementen 7,7' als Stellgröße S dienen, und die Stelleinrichtung 4 kann ausgebildet sein, diesen Abstand L zu verändern. Die Stelleinrichtung 4 kann dazu beispielweise einen Linearaktuator aufweisen.
Über die Umgebungssensoreinrichtung 6, die Steuerungseinrichtung 5 und die Stelleinrichtung 4 werden Veränderungen der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2, die aus einer Veränderung des Umgebungsparameters U kompensiert. Die Pulseigenschaften der austretenden Laserpulse 3' bleiben dadurch unabhängig vom Umgebungsparameter U konstant.
Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Umgebungsparameter U um den Umgebungsdruck. Die Umgebungssensoreinrichtung 6 weist einen hier nicht dargestellten Drucksensor auf. Es kann aber auch ein anderer Umgebungsparameter U erfasst werden, beispielsweise die Temperatur. Auch können mehrere Umgebungsparameter U erfasst und Dispersionsänderungen durch Veränderungen der mehreren Umgebungsparameter U kompensiert werden.
Die Pulskompressionseinrichtung 2 ist eine Freistrahleinrichtung, in der die Laserpulse 3 bzw. deren Spektralkomponenten 8 zumindest teilweise durch Luft propagieren. Eine Veränderung des Umgebungsparameters U, z.B. des Umgebungsdrucks, führt nun zu einer Veränderung dn des Brechungsindex n der Luft, die wiederum eine Veränderung der Dispersion bedingt. Die Steuerungseinrichtung 5 ist nun ausgebildet, die Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit des Messsignals M anhand einer mathematischen Beziehung der Form
dβ₂=F (β₃, β₄,...,β_m, ω₀, dn) zwischen der Veränderung dn des Brechungsindex n innerhalb der Pulskompressionseinrichtung 2 und der dadurch bedingten Veränderung dβ₂ der Gruppenverzögerungsdispersion β₂ der Pulskompressionseinrichtung 2 sowie der Zentralfrequenz ω₀ der Laserpulse 3 und der Dispersion höherer Ordnung β₃, β₄,...,β_m der Pulskompressionseinrichtung 2 anzusteuern. Genauer ist die Steuerungseinrichtung 5 beispielhaft ausgebildet, die Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit des Messsignals M anhand der mathematischen Beziehung $d β_{2} = β_{3} ω_{0} d n$
anzusteuern. Abweichungen von dieser mathematischen Beziehung, insbesondere kleinere Abweichungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Alternativ kann die Steuerungseinrichtung 5 auch ausgebildet sein, die Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit des Messsignals M anhand einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve anzusteuern, welche die Abhängigkeit der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 von dem Umgebungsparameter U beschreibt.
Anstelle einer Pulskompressionseinrichtung 2 kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 auch eine Pulsstreckungseinrichtung umfassen. Zur Erzielung einer positiven Dispersion kann die Pulsstreckungseinrichtung zusätzlich zu den zwei dispersiven optischen Elementen 7,7' beispielsweise zwei Linsen aufweisen.
In 2 und 3 sind Pulsmodifikationsvorrichtungen 1 umfassend eine Pulsstreckungseinrichtung 12 zur dispersiven Streckung von Laserpulsen 3 und eine Pulskompressionseinrichtung 2 zur dispersiven Kompression der Laserpulse 3 vereinfacht schematisch dargestellt. Die Pulsmodifikationsvorrichtungen 1 umfassen weiter beispielhaft eine Verstärkungseinrichtung 13 und dienen zur Verstärkung der Laserpulse 3 nach dem Prinzip der Chirped-Pulse-Amplification.
Die Pulsmodifikationsvorrichtungen 1 weisen eine Stelleinrichtung 4 sowie eine Steuerungseinrichtung 5 zur Ansteuerung der Stelleinrichtung 4 in Abhängigkeit eines Messsignals M und eine Umgebungssensoreinrichtung 6 zur Erfassung eines Umgebungsparameters U, von welchem die Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 abhängt, als Messsignal M. Bei den Pulskompressionseinrichtungen 2 handelt es sich in diesem Beispiel um Freistrahleinrichtungen und bei dem Umgebungsparameter U um den Umgebungsdruck. Eine Veränderung des Umgebungsdrucks führt zu einer Veränderung des Brechungsindex n und damit der Dispersion der Pulskompressionseinrichtungen 2.
Bei der in 2 gezeigten Pulsmodifikationsvorrichtung 1 dient die Stelleinrichtung 4 zur Einstellung der Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung 12. Die Veränderung der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 wird in diesem Fall über die Einstellung der Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung 12 kompensiert, sodass die Pulseigenschaften der austretenden Laserpulse 3' unabhängig vom Umgebungsparameter U konstant bleiben. Die Pulsstreckungseinrichtung 12 weist ein hier nicht dargestelltes Bragg-Gitter in einem transparenten Material in Form einer optischen Faser auf. Bei dem Bragg-Gitter handelt es sich in diesem Beispiel also um ein Faser-Bragg-Gitter. Die Stelleinrichtung 4 umfasst eine Heiz und/oder Kühleinrichtung mit Peltierelementen, welche dazu dient, einen als Stellgröße S dienenden Temperaturverlauf T in der optischen Faser zu bewirken, sodass sich die Dispersion der Pulsstreckungseinrichtung 12 so verändert, dass die Dispersionsänderung der Pulskompressionseinrichtung 2 kompensiert wird. Die Stelleinrichtung 4 kann aber auch anders aufgebaut sein. Beispielsweise kann die Stelleinrichtung eine als Stellgröße S dienende Zugspannung in der optischen Faser bewirken. Das transparente Material muss außerdem nicht in Form einer optischen Faser vorliegen.
Die in 3 gezeigte Pulsmodifikationsvorrichtung 1 weist eine Modulationseinrichtung 14 zur dispersiven Modulation der Laserpulse 3 auf. Die Veränderung der Dispersion der Pulskompressionseinrichtung 2 wird in diesem Fall über die Einstellung der Dispersion der Modulationseinrichtung 14 kompensiert, sodass die Pulseigenschaften der austretenden Laserpulse 3' unabhängig vom Umgebungsparameter U konstant bleiben.
Die Modulationseinrichtung 14 kann beispielsweise zwei Beugungsgitter zur Aufspaltung und Zusammenführung der Spektralkomponenten 8 der Laserpulse 3 und einen räumlichen Lichtmodulator, auch Spatial Light Modulator (SLM) genannt, umfassen, um für die Spektralkomponenten 8 einzeln und unabhängig voneinander einen Phasenunterschied zu bewirken und damit die spektrale Phase der Laserpulse 3 zu beeinflussen. Im räumlichen Lichtmodulator wird der Phasenunterschied über eine einstellbare Ausrichtung von Flüssigkristallen einer Flüssigkristallschicht erzielt. Die Stelleinrichtung 4 weist dazu geeignete Elektroden auf. Die Modulationseinrichtung 14 muss aber nicht auf einem räumlichen Lichtmodulator basieren. Grundsätzlich kann hier jede Einrichtung zum Einsatz kommen, mit der die spektrale Phase der Laserpulse 3 einstellbar ist.
Die dargestellte Modulationseinrichtung 14 ist im Strahlengang der Laserpulse 3 vor der Verstärkungseinrichtung 13 angeordnet. Abweichend davon kann die Modulationseinrichtung 14 auch an anderen Positionen im Strahlengang, beispielsweise vor der Pulsstreckungseinrichtung 12, angeordnet sein.
Die 4 zeigt eine Variante der in 1 dargestellten Pulsmodifikationsvorrichtung 1. Anders als in 1 weist die Pulskompressionseinrichtung 2 eine Umlenkeinrichtung 15 und nur ein dispersives optisches Element 7 auf. Die Stelleinrichtung 4 ist hier beispielhaft dazu ausgebildet, den als Stellgröße S dienenden Abstand L zwischen dem dispersiven optischen Element 7 und der Umlenkeinrichtung 15 zu verändern. Bei der Umlenkeinrichtung 15 handelt es sich hier beispielhaft, jedoch nicht notwendigerweise um ein Umlenkprisma.
Anders als in den 1-4 dargestellt kann die Pulsmodifikationsvorrichtung 1 auch mehr als eine Pulsstreckungseinrichtung 12 und/oder mehr als eine Pulskompressionseinrichtung 2 umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3578287 A1 [0009, 0026, 0028]
US 7822347 B1 [0010]

Claims

Pulsmodifikationsvorrichtung (1), umfassend: - eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen (12) zur dispersiven Streckung von Laserpulsen (3) und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen (2) zur dispersiven Kompression von Laserpulsen (3), - eine Stelleinrichtung (4) zur Einstellung der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12) und/oder der Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2) über mindestens eine Stellgröße (S), sowie - eine Steuerungseinrichtung (5) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (4) in Abhängigkeit eines Messsignals (M), gekennzeichnet durch eine Umgebungssensoreinrichtung (6) zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters (U), von dem die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12) und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2) abhängt, als Messsignal (M).
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, mindestens ein dispersives optisches Element (7,7') zur Winkelseparation und Zusammenführung von Spektralkomponenten (8) der Laserpulse (3) umfasst.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (4) ein planparalleles transmissives optisches Element (11) aufweist, das so angeordnet ist, dass die winkelseparierten Spektralkomponenten (8) der Laserpulse (3) durch dieses hindurchtreten und einen einfallswinkelabhängigen Parallelversatz erfahren, wobei ein Drehwinkel (δ) des planparallelen transmissiven optischen Elements (11) die Stellgröße (S) bildet.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, zwei dispersive optische Elemente (7,7') umfasst und die Stelleinrichtung (4) ausgebildet ist, einen als Stellgröße (S) dienenden Abstand (L) zwischen den zwei dispersiven optischen Elementen (7,7') zu verändern.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, und/oder die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, ein dispersives optisches Element (7) und eine Umlenkeinrichtung (15) umfasst und die Stelleinrichtung (4) ausgebildet ist, einen als Stellgröße (S) dienenden Abstand (L) zwischen dem dispersiven optischen Element (7) und der Umlenkeinrichtung (15) zu verändern.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mindestens eine der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12), deren Dispersion über die Stelleinrichtung (4) einstellbar ist, ein Bragg-Gitter in einem transparenten Material umfasst.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (4) eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung umfasst und einen als Stellgröße (S) dienenden Temperaturverlauf (T) im transparenten Material bewirkt.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, einen als Stellgröße (S) dienenden Verlauf einer mechanischen Spannung im transparenten Material, insbesondere eine auf das transparente Material wirkende Zugspannung zu bewirken.
Pulsmodifikationsvorrichtung (1), umfassend: - eine oder mehrere Pulsstreckungseinrichtungen (12) zur dispersiven Streckung von Laserpulsen (3) und/oder eine oder mehrere Pulskompressionseinrichtungen (2) zur dispersiven Kompression von Laserpulsen (3), - eine Modulationseinrichtung (14) zur dispersiven Modulation der Laserpulse (3), - eine Stelleinrichtung (4) zur Einstellung der Dispersion der Modulationseinrichtung (14) und - eine Steuerungseinrichtung (5) zur Ansteuerung der Stelleinrichtung (4) in Abhängigkeit eines Messsignals (M), gekennzeichnet durch eine Umgebungssensoreinrichtung (6) zur Erfassung mindestens eines Umgebungsparameters (U), von dem die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12) und/oder die Dispersion der einen oder mindestens einer der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2) abhängt, als Messsignal (M).
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Umgebungsparameter (U) eine Temperatur und/oder ein Umgebungsdruck ist.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (5) ausgebildet ist, die Stelleinrichtung (4) in Abhängigkeit des Messsignals (M) anhand einer experimentell bestimmten Kalibrationskurve anzusteuern, welche die Abhängigkeit der Dispersion der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12) und/oder der Dispersion der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2) von dem mindestens einen Umgebungsparameter (U) beschreibt.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (5) ausgebildet ist, die Stelleinrichtung (4) in Abhängigkeit des Messsignals (M) anhand 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 einen oder der mindestens einen der mehreren Pulsstreckungseinrichtungen (12) und/oder innerhalb der einen oder der mindestens einen der mehreren Pulskompressionseinrichtungen (2), welche aus der Veränderung des mindestens einen Umgebungsparameters (U) resultiert, der dadurch bedingten Veränderung (dβ₂) der Gruppenverzögerungsdispersion (β₂) sowie der Dispersion höherer Ordnung (β₃, β₄,...,β_m) und der Zentralfrequenz (ω₀) der Laserpulse (3) anzusteuern.
Pulsmodifikationsvorrichtung nach Anspruch 12, 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 Pulsmodifikationsvorrichtung (1) eine Verstärkungseinrichtung (13) umfasst und zur Verstärkung der Laserpulse (3) nach dem Prinzip der Chirped-Pulse-Amplification dient.